摘 要： 介紹了EAN-13常見商用條碼編碼格式，給出一個打印實例，設計一種基于LPC2148的熱敏打印機控制主板，并給出了系統硬件組成框圖。為使打印機工作于電池供電的便攜模式，設計了高效率電源管理電路。同時對中文字庫的編碼方法進行研究后，按字庫使用頻度設計兩個字庫，并將常用字庫集成在CPU內部。最后給出條碼、漢字及字符的打印編程思路。
關鍵詞： 熱敏打印機； ARM控制器； 條碼； 機內碼； 字庫； 電池供電； 保護電路
條碼技術是自動識別與數據采集（AIDC）技術中應用最古老、最成熟的技術，具有輸入速度快、可靠性高、采集信息量大、靈活實用等特點，是迄今為止最經濟、實用的一種自動識別技術，且條碼標簽易于制作，識別裝置便宜、操作簡單。
熱敏打印機具有噪聲低、速度快、可靠性高、打印字符清晰等優點，被廣泛應用在POS終端系統、銀行系統、醫療儀器等領域，尤其在物流、倉儲、工業生產等場合。
本文設計一種基于LPC2148的手持高速熱敏打印機器，采用電池供電，能打印條碼、漢字和字符等，可應用于工業生產，物流運輸跟蹤等方面。其體積小，易于嵌入到其他需要打印功能的產品中。
1 一維條形碼打印原理
一維條形碼是由一組粗細不同的黑白條按一定編碼規則排列組成的標記,有UPC-E、EAN-8、EAN-13等多種格式，其中以EAN-8、EAN-13在商業領域最為常見[1]。
EAN-13碼共有13位數字，按照“模塊組合法”進行編碼。其符號結構由8部分組成，如圖1所示。其中，最左邊第一個數字為前置碼，代表左側數據編碼規則。起始符不代表任何資料，為固定邏輯101。分隔符為固定邏輯01010，將數據資料分成左右兩部分。左側6個數字的編碼方式取決于前置碼類型。前置碼共10個，它決定左側6個數字的10種編碼方式，分A類和B類，具體編碼值可根據相關表格查找。右側有5位數據和1位校驗碼，其編碼方式為固定C類，校驗碼也可用作數據。
圖1中條碼的前置碼為9，左側數據編碼方式為ABBABA,右側為固定的CCCCCC，所以770157001687的編碼為101(起始)-0111011-0010001-0100111-0011001-000101-0111011-01010(中間碼)-1110010-1110010-1100110-1010000-1001000-1000100-101（結束）。其中，0代表條碼的白細條，1代表條碼的黑細條。每個黑、白細條的寬度為0.33 mm[1]，實際中可由熱敏打印機的熱敏元件大小確定。打印機根據這個二進制編碼即可打印出圖1所示的條碼。
2 熱敏打印機時序
選用精工LTPA245高速熱敏打印機，它共有384個熱敏打印機元件，排成行的形式。打印寬度為48 mm，驅動電壓為4.5 V~8.5 V，邏輯電壓為2.7 V~5.25 V，打印速度為427個點行/秒(53.4 mm/s)~720個點行/秒(90 mm/s)[2]。LTPA245具有小巧、打印速度快等優點，適用于條碼打印。
LTPA245采用串行通信接口，數據通過串行方式移入打印機內部，其驅動時序如圖2所示。其中，CLK為串行移位時鐘，DAT為串行移位數據，/LATCH為鎖存信號，DST為分段加熱控制信號。384 bit為一行數據，在CLK作用下，數據從DAT端逐一移入打印機內數據寄存器中。每一個數據位對應1個加熱元件，當該單元數據為0時，表示不加熱，為1時表示加熱。熱敏紙被加熱的位置變黑，不加熱的位置不變色（白）。當384個bit（12 words）全部移入打印機之后應產生1個/LATCH的鎖存信號（負脈沖），將數據送到打印寄存器。為防止打印電流過大，控制DST0~DST5，使之逐一輸出1，這樣一行數據就分為6段（次）打印完畢。一行打印結束后，從A、/A、B、/B端送出脈沖，驅動進給電機帶動紙前移一段距離，繼續打印[3]。
3 系統組成
打印機控制主板結構如圖3所示，由主控CPU(AMR7)、打印頭、電機驅動、保護電路、通信接口、中文字庫、電源管理電路等組成。采用全SMT貼片工藝，所有元件集成在一塊60 mm×70 mm的PCB電路板上，體積小巧。
4 硬件電路設計
4.1 主控CPU[4]
主控CPU選用NXP公司LPC2148微處理器。這是一片64腳的ARM7TDMI-S內核微處理器。體積小，共有44個通用I/O口。內部集成USB2.0協議塊、IIC總線、SPI接口、2個ADC(14路)、1個DAC、2個UART。片上存儲器容量大，共有512 KB Flash、32 KB RAM(8 KB與USB共享)。支持串口ISP、JTAG下載方式，功能強大，開發周期短，更為詳細的資料見參考文獻[4]。
4.2 進給電機驅動
一行打印結束，由進給電機帶動熱敏紙移動到下一行繼續打印。LPTA245打印機采用2線4相微型小體積、大力矩精密步進電機。電機有A、B兩組線圈，4個控制端，分別為A、/A、B、/B。當按表1的規律給這些控制端送入脈沖時，電機便能勻速傳動。
選用專用步進電機驅動芯片LB1836。該芯片共14個引腳，無需外圍元件，通電即可工作。
4.3 電源管理電路
電源管理電路包括電池充電、電源切換、穩壓電路，如圖4所示。由CPU的硬件PWM模塊產生38 kHz的脈沖驅動Bust電路，輸出一個穩定的直流電壓。輸入12 V電壓，經Bust電路降壓得到一個穩定的8.2 V電壓給鋰電池充電。在充電的過程中，CPU實時監測電池電壓(VB)、充電電流(Vi)及電池溫度(VT)，以保護其不被過沖或異常溫升損壞。此外，通過控制Q1可在外接電源和電池之間切換。
LM2576是開關型電源穩壓芯片，效率高，最大輸出電流為3 A，能為打印機提供穩定、較大的工作電流及電壓(VPP/VE)。AM1117產生3.3 V電壓供所有集成電路使用。需要說明的是，LPTA245的邏輯電壓能工作在3.3 V，與CPU的邏輯一致，所以能直接連接。
4.4 標準字庫
國標碼共有一級漢字3 755,二級漢字3 008，共有漢字6 763個。若按Ucdos漢字系統標準字庫計算，每個漢字為24×24點陣，一級簡碼共需270 360 B個存儲單元，二級簡碼共需216 576 B個存儲單元。數字、字母、符號等682個,為24×12點陣，共需24 552 B存儲單元[5-6]。考慮到LPC2148內部已集成512 KB Flash非揮發性存儲器，將常用的一級漢字簡碼和682個常用的符號存儲在CPU內部，以提高訪問速度，大約需占用CPU 295 KB個存儲單元。余下二級簡碼則存放在外部擴展的EEPROM芯片25LC040中。25LC040內有512 KB存儲單元，接到CPU的UART1口，其工作在3.3 V時的傳輸速度為2 Mb/s[7]。
4.5 通信及保護電路
與外部通信采用USB及RS-232通信接口。由于LPC2148內部集成USB2.0協議及接口電路[4]，外接插頭即可工作。LPC2148內部集成2個兼容16C550的符合工業標準的UART口，每口帶16個發送/接收FIFO緩沖器，外接RS-232電平轉換芯片即可使用。
為保護打印機，電路應該具有缺紙、過熱檢測功能。圖5(a)為溫度檢測電路。圖中U3A接成比較器，負極接打印頭內的NTC溫度電阻，正極接U3B輸出。U3B輸入來自CPU內的DAC輸出。當溫度超過設定值后從T-PR端產生脈沖觸發CPU中斷。由于NTC電阻的非線性及環境溫度的影響，U3A端的電壓可能不固定，CPU通過內置可編程DAC輸出可變模擬電壓,能消除NTC的非線性影響以及提高對環境溫度的適應能力。
圖5(b)為缺紙檢測電路，當打印機缺紙時Q5受D3光照而導通，P-V端輸出低電平觸發CPU中斷。CPU響應圖5中的兩個中斷以保護打印機不會因過熱和缺紙空打而損壞。
5 軟件設計
這里介紹兩個重要的打印機進程：(1)條碼打印;(2)非條碼打印。當CPU接收的數據作為條碼打印時，按圖6(a)流程合成EAN-13的條碼數據。當CPU接收到的數據作為非條碼的數字、符號、漢字、控制符時，按圖6(b)流程合成非條碼的點陣數據。根據GB2312-80國標,數字、符號、漢字、控制符等按區位碼排列，每個漢字用2個字節表示其位置，第2個字節表示區位，第1個字節表示區中位置。計算機大多以機內碼作為標準交換信息。區位碼和機內碼的轉換按下式進行：
機內碼=區位碼+A0A0H (1)
無論是機內碼或區位碼，都無法直接獲得漢字或字符在字庫中的存儲位置，因此還要將(1)式按下式映射到字庫的起始地址，忽略字庫存放的起始地址，只要求得其偏移量即可在字庫中找到其點陣數據。因字符點陣占36 B，故：
字符起始地址=（機內碼-A0A1H）×36 (2)
漢字點陣占72 B，故：
漢字起始地址=（機內碼-A0A1H）×72 (3)
本文設計的熱敏打印機,通過USB及RS-232通信口接收計算機標準機內碼交換碼，能打印條碼、字符、漢字等，具有體積小、重量輕、速度快的優點。基于LPC2148的打印機控制主板、元件少、體積小、性能可靠、集成度高，重要的是可嵌入到其他產品中，具有一定的市場價值。
參考文獻
[1] 韋元華，丹子.條碼技術與應用[M].北京：中國紡織出版 社，2003(3):51-54.
[2] Seiko Instruments INC. LPTA245’s technical reference.
[3] 張會生.基于77E58的高速行式熱敏打印機控制板的研制[J].電子技術應用，2004,30(1): 14-16.
[4] NXP Corp. LPC2148’s datasheet. 2005.
[5] 萬芳瑛.微型打印機應用系統字符點陣格式轉換技術[J]. 湖南工程學院學報, 2004,14(1)：15-17.
[6] 黃永順.從國標字庫中提取漢字點陣信息的方法及應用[J]. 漳州師范學院學報(自然科學版),2004,17(1):
10-12.
[7] Micro Corp.25LC040’s datasheet. 2003.