4第五章 医学仪器的打印机接口.docx
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4第五章医学仪器的打印机接口
第五章医学仪器的打印机接口
本章介绍微机式医学仪器所使用的若干常用打印机及其接口，它们是喷墨打印机、激光打印机、热敏打印机。
5.1概述
打印机是微机式医学仪器的重要的外部输出设备之一，是一种用户可控的终端设备。
在医疗仪器中，它主要用于将仪器记录和分析的数据以各种文本、统计图表和图形的方式打印输出，以作为病历归档或病情进一步分析诊断的依据。
早期的打印机，如杠杆击打铅字式，球形字符式和菊花瓣字符式打印机，可以输出高质量的字符，但不具有图形处理的能力。
随着电子技术的发展，打印技术也取得了很大的进步。
打印机类型由字符型发展到能提供高质量图像和字符混合输出的点阵式、电灼式、静电式、热敏式等，以及目前广泛采用的喷墨和激光打印机。
打印技术经历了从最初追求单一性能到今天全部性能提高的发展过程，打印机的打印速度（对不同打印方式，其打印速度的评价指标是不同的。
字符打印的打印机，其打印速度以每分钟平均输出字符数来评价，行式打印机以每分钟平均输出行数，页式打印机以每分钟平均输出字数进行评价），分辨率，噪声和打印机、Canon的BJ系列喷墨打印机、HP的LaserJet系列激光打印机及热敏线阵式打印机，在打印机生产领域占据着显著的地位。
目前，随着打印机设计技术及工艺水平的不断提高，打印机的发展正逐步由机械击打式转向电子非击打式。
尤其是喷墨、激光及热敏线阵式三种类型的发展尤为迅速，在市场上所占份额持续增长，赢得越来越多的用户。
非击打式打印技术的机种正向高速、高分辨率、高质量以及低噪声、低成本的方向发展。
其业务范围逐步渗入击打式打印机的应用领域，且不断开拓新的应用领域，扩大应用范围。
打印机除了普通的印字和绘图功能外，还具备传真、复印等功能，其功能更趋完善、全面。
5.2打印机分类
击打式打印机也称针式点阵打印机，击打式打印机主要有字符型针打式、汉字型针打式、点阵行式以及点阵串行式打印机。
非击打式打印机主要有喷墨打印机，激光打印机和热敏线阵式打印机三种。
在击打式打印机的打印方式中，打印机利用机械使印字头具有运动能量，利用机械作用击打活字载体上的字符，使之与色带和纸张相撞击而印出字符，或者通过击打钢针使之撞击色带和纸，使油墨转印到纸上，产生打印字阵而组成字符图形。
非击打式打印机一般利用光电磁热等物理化学性质，而不是靠机械击打动作在打印纸上形成字符和图形。
5.2.1喷墨打印机
由于喷墨印字技术的日益成熟，喷墨打印机的印字效果已接近激光打印机的水平，它具有高清晰度（300d/in），低噪声（平均低于45dB）、价格适中，低档产品与击打点阵式打印机相当，具有良好的性能价格比。
目前喷墨打印机主要由Canon、EPSON和HP三家公司平分秋色。
黑白喷墨打印机是最受欢迎的打印机，具有外形美观、轻巧、打印速度快、便宜和安静等特点，它适用于对打印速度和质量要求适中的场合。
虽然喷墨打印机比较便宜，但耗材较贵。
各喷墨打印机厂均独立开发了与喷墨打印机配套的特殊镀膜纸，或短纤维纸，以期获得高质量的打印效果。
喷墨印字技术是利用一个压纸卷筒和输纸进给系统输送纸张，当纸通过喷墨打印头时，让墨水通过细喷嘴，在强电场下以高速墨水束喷到纸上，形成点阵头构成字符或图像。
图5.1所示的是用映射叠加技术实现增强分辨率所印出的效果。
在喷墨头采用发热电阻，当电信号作用其上时，迅速产生热量，使其附近的墨水汽化，产生真空气泡，随着气泡的增大，墨水从喷嘴喷出；当发热电阻冷却时，气泡自行消失，喷嘴中多余的墨水即被重新吸回墨盒中。
其过程如图5.2所示。
这种喷墨打印机的喷墨系统是一种“封闭式”的，印字过程中不会产生污染，也不会堵塞喷嘴。
1.分类
喷墨打印机按使用墨的情况，大致可以分为使用液体墨水和使用固体墨水两大类。
从印字原理上可分为连续式、随机式以及其他方式的打印机。
2.原理
1）连续式喷墨技术
连续式喷墨技术以电荷控制型为代表，这种喷墨方式的印字头只有一个喷嘴，利用墨水泵对墨水加以适当压力，使之能连续喷射，根据打印信息，以开关方式进行控制，形成带电荷或不带电荷的墨粒子，用静电偏转使需要印字的墨粒子飞行到纸面上，生成印字结果。
其优点是，可以形成频率为100kHz以上的高速离子，适用于高速打印机。
早年喷墨式打印机大多采用这种喷墨技术，迄今高速、高印字密度的机种，仍采用这种喷压方式。
其缺点是，对墨水必须有加压机构，需对不参与印字的墨粒子设回收装置，其工作原理如图5.4所示。
2）随机式喷墨技术
随机式喷墨技术的主要优点是结构简单，只在需要印字时才喷出墨粒子，不需要墨水回收装置和加压机构，可实现设备小型化，个人计算机配套的打印机，大多都采用这种喷墨方式。
其缺点是，墨粒子的喷射速度低于连续式，频率最高只能达到20kHz左右。
但是，采用多喷嘴结构，也可实现高速化，亦即使用多个喷嘴垂直排成一列或交错地排成两列，其印字原理与串行针式打印相类似。
随机式喷墨技术具体可分为压电型、气泡型、静电型、固体墨喷射型等各种喷墨技术，最常用的主要是前两种。
①压电型喷墨技术
压电型喷墨技术，其印字原理是在喷嘴内设有压电器件取代墨水泵的压力，只需在印字时喷出墨粒子。
压电器件的形状随机种和喷墨印字头的结构不同而异，有盘形、栅栏形、圆筒形等各种不同结构。
墨水储存在印字的一个共用的墨水槽内，再供应到每个喷嘴的墨水室，墨水室的压力与喷射压力相比，维持在稍低的水平上。
当墨水室的压力器件接收印字脉冲时，压缩墨水室壁，挤压出墨粒，喷射在纸面上形成印点。
图5.5和图5.6所示的分别是该种方式打印机的结构和工作原理。
如图5.6，喷头内装有墨水，在喷头的上、下两侧各有一块压电晶体，当其受打印信号的控制时，会产生变形，挤压喷头中的墨水，从而控制墨水的喷射。
用这种方式工作的打印机体积小，重量轻，噪声低，易于实现彩色打印。
在压电式喷墨打印机中，EPSON推出了“多层压电印字头（MACH）”，它在储存及激发墨水喷出的气室结构及电流脉冲电阻高温引发墨水变化方面很有特色，所印出的字放大后，仍然紧密、规则，“多层压电印字头”技术解决了墨水精细运动控制稳定，墨水喷出后方向稳定的问题，能准确地将字符和图像印在纸上。
②气泡型喷墨技术
这种喷墨技术，在喷嘴内部装有发热器件，需要印字时对发热体通电使墨水受热产生气泡，随着温度的升高，气泡膨胀，将墨粒挤压喷出喷嘴，飞行到纸面上进行印字。
HP，Canon，OLIVITI均采用气泡型喷墨技术。
如Canon气泡式喷墨技术利用热力膨胀使墨水以3000～6000d/s的速度喷射到纸上，且喷头有6～4条很细的喷墨管，可以更准确地把墨泡喷在纸上，保证图文线条清晰无瑕，而且分辨率为360d/in。
气泡型喷墨印字技术示意图如图5.7所示。
5.2.2激光打印机
随着激光技术的出现，20世纪60年代后期涌现了可以控制的激光扫描系统，并在此基础上开发出新型的激光打印输出设备。
激光打印的特点是打印速度快、质量好、分辨率高、噪声小、功能强，可以打印出各种字符、图形、图像、曲线、表格等。
激光打印机能一次输出一页正文和图形。
页式打印机按照所使用的关键技术分成三大类。
第一类是以电子照相技术为基础打印机，其中包括常见的激光打印机、发光二极管（LED）打印机和液晶光闸（LCS）打印机。
第二类是以非电记录技术为基础的打印机，离子沉积打印机是这类打印机的代表。
第三类是磁强记录型打印机，目前生产厂家极少。
下面重点介绍第一类激光打印机的工作原理。
1.结构
激光打印机的机构结构十分复杂，但其大部分最重要的部件，如墨粉、感光鼓（或称硒鼓）、显影轧辊、初级高压电晕放电线等都装在一个可以取下的盒子中。
当墨粉用完后，可以将整个盒子取下更换。
新换的盒里除含新鲜墨粉外，还包括新的硒鼓和显影轧辊。
图5.13所示的是激光打印机的内部构造示意图。
打印的影像在位于墨粉盒中央的硒鼓上形成，然后黑色的墨粉由显影轧辊传送到硒鼓上，再传到打印纸上，最后墨粉由定影轧辊熔融在打印纸上。
要打印一页纸，硒鼓必须转动好几圈，这是因为硒鼓的直径较小，转一圈不能印下一页纸的全部信息。
打印时，在硒鼓的不同部位将发生不同变化，一部分地方将墨粉吸引起来，而另一部分则将墨粉印在纸上。
当硒鼓转动时，各点都经过相似的过程，因此，下面只介绍某一点在打印过程中的变化。
2.工作过程
1）硒鼓的初始化
图5.14所示的是打印机将打印的图像传到打印纸的过程示意图。
打印机的关键部件是硒鼓。
硒鼓的外表面是一层有机光敏材料形成的光敏涂层，内部是薄铝片制成的筒，铝筒接地。
通常情况下光敏涂层是很好的绝缘体，如果在硒鼓的外表面带上负电荷，那么这些电荷会停留在上面不动。
然而一旦硒鼓上某一部分受到光照射，该部分就会变成导体，它表面上分布的电荷就会通过导体排入地，而未受光照部分的电荷却依然存在。
打印开始时，硒鼓外表面被均匀充上负电荷，这一步骤称为硒鼓的初始化。
初级电晕放电线安在一个长而窄的槽中，如图5.14所示的A部分。
电晕线上带有-6000V的高压，这个高压使得电线周围的空气不再是绝缘物，而是能移动的带电微粒，即离子。
初级电晕线下方是栅极。
栅极通常有-600V电压，这个电压是很高的，但低于电晕放电线的电压。
因而电晕线附近的离子，使带负电的离子移向硒鼓表面。
当离子移动时，它又限制负离子的电压，从而使硒鼓表面带上均匀的-600V电压。
2）硒鼓感光
每当打印机要打印一个黑点时，经将一个细小的激光二极管点亮，如图6.14所示的B部分。
激光二极管发出的激光经过一系列的反射镜后到达硒鼓的有机光敏材料上，使该点变成导体。
-600V的高压电减小到大约-100V低压，打印机就在硒鼓面上写下一个带-100V电压的像点。
此时，这种带电像点是无法看见的，也不会在纸上留下印迹来，与照相胶片感光相似。
3）显影
显影过程就是让硒鼓上已感光的部分沾上墨粉，得到可见像点。
打印机使用的墨粉，其主要成分是黑色塑料粉末，粉末内还含有微小的铁粉，使得墨粉能被磁铁吸引，这样墨粉就能在磁铁控制下移动。
墨粉由显影轧辊的上方供给（见图6.14所示的C部分）。
显影轧辊中心装有一个磁铁。
当轧辊转动时，磁铁吸引墨粉。
有一个刮刀将墨粉刮匀，使得显影轧辊带上一层均匀的墨粉。
显影轧辊有负电，墨粉也随之带上负电荷。
显影轧辊的电压又叫做偏压，改变这个电压的大小，辊上所带墨粉的量会随之改变，进而改变打印纸的浓淡程度。
有一个高达1600V的交流电流加在显影轧辊上，帮助墨粉摆脱磁铁吸引。
硒鼓和显影轧辊十分接近，当硒鼓上某一部分被激光束照射时，这一点的电位降为-100V，一旦这点与显影轧辊相遇，高电压的墨粉就被较低电压的硒鼓所吸引，而跳过了它们的间隙，落到硒鼓上。
这时硒鼓上-100V的不可见像点就变成了可见的黑色墨粉点了，由此完成了显影过程。
4）图像传印纸上
硒鼓继续转过一段，与打印纸接触（见图6.14所示的D部分），纸的下表面是次级电晕放电纸。
这些正电荷将硒鼓上带电荷的墨粉紧紧吸引住，而在纸上得到一个墨粉黑点。
在静电消除器上，产生负电荷，从而减小硒鼓与打印纸之间的吸引力，使打印纸易于脱离硒鼓而不被吸住。
5）熔化像点
要在纸上得到牢固的图像，墨粉必须紧密地附着在打印纸上（又称为定影）。
定影部分由两个轧辊组成，如图6.14所示的E部分。
上轧辊装有高温灯泡，当打印纸通过这里时，灯泡发出的热量将墨粉中的塑料熔化，两个轧辊之间的压力迫使熔化后的墨粉进入纸的纤维中。
定影轧辊不工作时温度为74℃，当处理纸时温度升至82℃。
用一种特殊的电阻（热敏电阻）检测轧辊的温度，并向控制电路反馈，控制电路自动调整定影灯的电压，使得温度保持衡定。
此外，还有热敏保护开关能防止定影轧辊的过热。
如果温度达到99℃，则开关将断开，切断灯泡电源，这部分原理如图6.13所示。
定影轧辊上涂有称为特佛龙的涂料，以防止加热后的墨粉沾在上面。
有一块抹布将沾在轧辊上多余的墨粉和灰尘抹掉。
这块抹布还涂有硅油，能防止墨粉沾在轧辊上。
6）清洗硒鼓
硒鼓不断转动，有一个橡胶制的刮刀将留在硒鼓上的墨粉刮去，如图6.14所示的E部分。
用过的墨粉落入盒底，由一个清扫刮刀来回摆动将堆积的墨粉扫干净。
概括起来，激光打印机的工作过程可分成以下六步。
①由初级电晕线使硒鼓带电；②激光束照到硒鼓上，使有黑点的部位导通，该处所带的电荷被释放掉；③墨粉传到硒鼓上；④墨粉传到纸上；⑤墨粉由定影轧辊熔融在纸上；⑥清扫硒鼓，准备下一轮循环。
5.3微型打印机及接口
某些医学仪器需要把存储于仪器中的测量数据以硬盘拷贝的形式打印输出作永久性保存，这时就需要给仪器设计打印机接口电路。
微型打印机结构简单、体积小，打印机的大部分工作都在软件控制下进行，因此功能变换灵活，使用方便，很适合于与一般的智能仪器联机使用。
为便于叙述和理解，本节以目前国内较为流行的TPμP－40B/C系列微型打印机与单片机系统的接口为例，介绍其接口电路及打印软件的设计原理。
5.3.1TPμP－40B/C微型打印机及其接口
TPμP－40B/C微型打印机是一种由单片机控制的超小型智能点阵打印机。
每行可打印40个5×7点阵字符。
打印命令丰富，可打印240种代码字符，并有绘图功能。
TPμP－40B/C是TPμP－40B的换代品，除增加有支持打印固化汉字功能及带有较大的数据输入缓冲器能支持假脱机打印新功能外，其他控制命令及操作均与TPμP－40B兼容。
本节主要讨论TPμP－40B微型打印机。
1.TPμP－40B/C微型打印机接口信号
TPμP－40B/C微型打印机具有具有标准的圣特罗尼克（Centronic）并行接口，它是通过打印机后部的20芯扁平电缆及接插件与各种智能仪器及计算机联机使用。
接插件引脚信号如下图所示。
图3－39TPμP－40B/C微型打印机接口信号
DB0～DB7：
单向数据传输线，由计算机输往打印机。
/STB：
数据选通信号，输入线。
在此信号上升沿，数据线上八位数据由打印机读入机内并锁存。
/STB宽度应大于0.5μm。
BUSY：
“忙”信号，状态输出线。
输出高电平时，表示打印机处于“忙”状态。
此时主机不得使用STB信号向打印机送新的数据字节。
BUSY可作为中断请求线，也可供CPU查询。
/ACK：
“应答”信号，状态输出线。
输出低电平时，表示打印机已经取走数据。
/ACK应答信号在很多情况下可以不用。
2.TPμP－40B/C与MCS－51单片机接口
TPμP－40B/C是智能打印机，其控制电路由单片机构成，由于输入电路含有锁存功能，输出电路中有三态门控制，因此可以不通过I/O端口直接与MCS-51单片机的数据总线相接。
一种硬件接口电路如下图所示。
图5-15TPμP－40B/C与MCS－51单片机接口电路
图中8031的P2与/WR相“或”后，作为选通信号，因此打印机的地址为7FFFH。
设某一字符代码或打印命令已存入R1，则8031在执行下面一段程序后，便可将R1中的代码送入打印机的锁存器中并执行该代码命令或将对应的字符打印出来。
MOV
DPTR，#7FFFH
；选中打印机
LOOP：
MOVX
A，@DPTR
；查询“BUZY”
JB
ACC.7，LOOP
MOV
A，R1
；送数据或命令代码
MOVX
@DPTR，A
3.TPμP－40B/C打印机代码
TPμP－40B/C全部代码共256个，分配如下：
（1）00H40B微型打印机定义为无效代码，40C机定义为推出汉字方式命令代码。
（2）01H～0FH为打印机命令代码，具体如表5-2所示。
（3）10H～1FH为用户自定义代码。
（4）20H～7FH为标准ASCII码，其代码表如表3－6所示。
（5）80H～FFH为非ASCII代码，其中包括少量汉字、希腊字母、块图和一些特殊字符，具体内容见说明书。
表3-5TPμP－40B控制命令的格式
命令代码
格式
说明
01
01**
字符（图）增宽，系数**：
01、02、03、04
02
02**
字符（图）增高，系数**：
01、02、03、04
03
03**
字符（图）增宽同时增高，系数**：
01、02、03、04
04
04XX
更换/定义字符间距XX：
行间空点行00H～FFH
05
05XXXY1….YX6
用户自定义XX代码的点阵式样XX：
10H～1FH
06
06XXYY0D
代码更换，YY换成XX码的点阵，XX：
10H～1FH
07
07
水平（制表）跳区
08
08XX
垂直（制表）跳行1～255行，XX：
空行数
09
09
恢复ASCII码，并清除已输入尚未打印的字符串
0A
0A
送空字符码20H后回车换行
0D
0D
回车换行/06命令的结束码
0E
0EXXYY
重复打印YY个XX代码字符YY：
0～225
0F
0FnnXXYY
打印位点阵图形命令，宽nn：
01H～F0H（1～240）
表3-6TPμP－40BASCII码代码表
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
2
!
“
#
$
%
&
’
（
）
*
+
，
-
.
/
3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
：
；
<
=
>
?
4
@
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
5
P
Q
R
S
T
U
V
W
X
Y
Z
[
\
]
↑
←
6
/
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
l
m
n
o
7
P
q
r
s
t
u
v
w
x
y
z
{
|
}
～
■
5.3.2汉字打印技术
打印汉字可使用打印点阵图命令将汉字当作图形来处理。
为方便操作，TPμP-40C还提供一种小型固化汉字库，打印汉字可与打印字符一样方便。
下面分别予以介绍。
采用打印点阵图的命令，可以打印出所要求的汉字。
使用此命令，每次最多可打印240×8点阵图，每个字为7×8点阵。
打印格式如下：
0FXXYY——YY
0F；命令字节
XX；点阵图宽度（1～20）
YY——YY；点阵字节，最多240个字节，数目与显示相同
例如用绘图命令打印汉字“中文”，按照要求，先做出“中文”两个字的点阵图及点阵码如图3－41所示。
图5-16点阵图及点阵码
为打印“中文”两字应向打印机输入的字节串如下：
0F；命令
0F；字节数
3E2222FF22223E；“中”（7×8）
；空一行
82462A132A4682；“文”（7×8）
0D；回车
如果要打印16×16点阵的汉字，可以将汉字点阵分为上下两部分，分两次打印形成。
具体程序的编写方法见下。
采用上述扫描自编汉字点阵代码打印汉字比较繁琐，为了使用方便，TPμP－40C提供了一种使用方便的16×16固化汉字打印功能。
打印机内部EPROM中事先固化约1600个16×16汉字点阵，每字占32字节（也可由用户按需要自行固化），并以0100H双字节代码为首码顺序定义固化的汉字，于是调用汉字可与使用ASCII码字符一样方便。
调用16×16点阵固化方式如下：
0BXXYY00
定义：
0B进入汉字方式命令代码
XX汉字代码高位字节
YY汉字代码低位字节
退出汉字方式命令代码
当用户按需要自行设计16×16汉字点阵码时，可以仿照图3－41用人工进行描绘，但这种方法烦琐且不能保证字形美观。
一种较规范的方法是从PC机中的汉字库中提取。
5.3.3微型打印机接口管理程序
下面使用图3-40所示的接口电路，通过一个具体实例，介绍TPμP-40B微型打印机接口管理程序的编程方法。
设某一按时计价功能的微型计算机化仪器，存放记录时间的缓冲区为8031片内的20H～24H，其中24H存时，23H和22H存分，21H和20H存秒（设本例已存放入1小时26分32秒）。
按上述时间计算好价格存放在50H～54H单元内，其中54H，53H，52H存放元，51H存放角，50H存放分（本例已存入12.25元）。
要求打印格式如下：
时间：
1：
26：
32
计费：
12.25
OK
按上述要求编写的打印子程序清单如下：
ORG3000H
PRTER：
MOVDPTR，#7FFFH；选中打印机
MOVR1，#01H；送代码0101
LCALLPSUB1
MOVR1，#01H
LCALLPSUB1
MOVR1，#04H；送代码0400
LCALLPSUB1
MOVR1，#00H
LCALLPSUB1
MOVR1，#0DH；送代码0D
LCALLPSUB1
MOVR1，#0FH；送代码0F20
LCALLPSUB1
MOVR1，#20H
LCALLPSUB1
MOVR4，#0DH；送表首偏移
MOVR3，#2DH；送表末偏移
LCALLPSUB3；送“时“的点阵代码
MOVR1，#0DH；送代码0400
LCALLPSUB1
MOVR1，0FH；送代码0102
LCALLPSUB1
MOVR1，20H
LCALLPSUB1
MOVR4，#2DH；送表首偏移
MOVR3，#4DH；送表末偏移偏移
LCALLPSUB3；送“间”的点阵代码
MOVR1，#01H；送代码0F20
LCALLPSUB1
MOVR1，#02H
LCALLPSUB1
MOVR1，#3AH；送“：
”的代码
LCALLPSUB1
MOVR1，#20H；送“”的代码
LCALLPSUB1
MOVR0，#24H；任：
数据地址
LCALLPSUB2；打印BCD数据（小时数）
MOVR1，#3AH；送“：
”的代码
LCALLPSUB1
MOVR0，#23H；打印BCD数据（分）
LCALLPSUB2
MOVR0，#22H
LCALLPSUB2
MOVR1，#3AH；送“：
”的代码
LCALLPSUB1
MOVR0，#21H；打印BCD数据（秒）
LCALLPSUB2
MOVR0，#20H
LCALLPSUB2
MOVR1，#0DH；送命令代码0D
LCALLPSUB1
：
；送“计费”汉字及计费数据（同上，略）
：
MOVR1，#4FH；送“OK”代码
LCALLPSUB1
MOVR1，#4BH
LCALLPSUB2
PPPE：
MOVR1，#0DH
LCALLPSUB1
RET
ORG33DAH；送命令，数据子程序
PUSB1：
MOVXA，@DPTR；查打印机“BUSY”
JBACC.7，PSUB1
MOVA，R1；送命令、数据
MOVX@DPTR，A
RET；打印完，返回
ORG33DAH；打印BCD数子程序
PSUB2：
MOVXA，@DPTR；查打印机“BUSY“
JBACC.7，PSUB2
MOVA，@R0；R0：
BCD数的地址
ANLA，#0FH
ADDA，#30H；变B
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