基于ARM Cortex 微控制器的便攜式無線票據打印機設計

馬利芳

（淮安市婦幼保健院審計科，江蘇淮安 223002）

醫院停車便攜式無線票據打印機由手持收費系統和便攜式藍牙打印機組成，在出現交通擁堵的情況下，工作人員能通過手持票據打印結算后發放通行，減少排隊等候的時間。打印機通過可充電鋰電池提供電量，采用帶藍牙模塊的便攜式打印票據的收費機適用于40 列（89 mm 穿孔卷紙）的票據打印?；谶@種便攜和無線的使用場景要求，采用ARM Cortex 微控制器設計的電源逆變下動態負載要求穩定，并滿足低功耗和長待機性的標準，以達到戶外使用的高性能要求[1]。

1 電路設計

ARM Cortex 微控制器的核最高以150 MHz 運行，具有512 kB 的閃存和64 kB 的低功耗SRAM，并集喚醒中斷控制器（WIC）、嵌套向量中斷控制器（NVIC）和存儲器保護裝置于一體。該控制器配有先進的外圍設備，如以太網、USB 主機/OTG/設備、CAN、I2S、快速模式Plus(Fm+) I2C、12 位ADC、電機控制PWM、正交編碼器接口等[2-5]。該設計采用拓撲結構，控制芯片選用Cortex-M3。ARM Cortex 微控制器具有嵌入式擴展應用性，且易于開發，整體特征表現在低功耗、增強校正功能和更高模塊集成度支持方面，在便攜式無線票據打印機的設計中表現出色[6]。

1.1 電路架構

設計擬采用藍牙打印機硬件集成化的體系結構及微型芯片控制各個模塊集成化的工作架構。核心芯片采用的是ARM Cortex 微型控制芯片。該打印機設備配置藍牙聯接功能，USB 能實現兩種形式的數據連接，可以進行無線和有線打印，USB 接口還可以用作打印機字庫下載，也是打印機進入設置界面的端口[7]。打印機面板上設計有4 個指示燈和2 個按鈕，指示燈分別是開機指示燈、充電指示燈、藍牙連接狀態燈和故障指示燈，而按鈕設計在指示燈下方，分別為On/Off 聯機按鈕和走紙按鈕。

電源管理部分是該打印機的核心，影響著打印機的運行是否穩定及其效率，其是由DC 9 V～DC 24 V逆變電源電路與開/關機電路、內置鋰電池充電控制電路組成的。該打印機還配備了蜂鳴器，當按下On/Off按鈕時，蜂鳴器會“滴”地長鳴一聲，以示操作成功；另外，若電池出現欠壓或打印機出現故障時，機器也會發出蜂鳴警告聲。針對電量的合成器，使用AD 以捕獲電量是否不足，當估計電量不足時，開機指示燈會從綠色變為閃變的紅色警報，以提示機器要充電了。該打印機頭使用通用的STAR 針作為打印頭，既經濟又實用。驅動電路包括讀取器、移動讀取器和進紙步進電機驅動電路。圖1 顯示了便攜式無線票據打印機的電路原理圖[8]。

圖1 便攜式無線票據打印機的電路原理圖

1.2 硬件電路設計

1.2.1 開/關機電路

打印機采用觸感式LCD 交互屏幕，其運行電路如圖2 所示。按鍵S1 為On/Off 按鈕，Vbat為輸入電源（即內置鋰電池），經V201 場效應管處理后再進行逆變控制輸出電壓Vout，而通用命令源模塊PWR_Ctl 對接微控器ARM 的輸出端，相應的PWR_State 對接微控器ARM 的輸入端。

圖2 打印機運行電路圖

整體集成電路的開機啟動原理：待機狀態→按壓S1 的On/Off 按鈕→D204 晶體二極管激振→電阻R207產生壓降→V201 的VGS 電壓（Vbat=0.7 V）→V201逆變導通→端口Vout進行供電→激活微控芯片→PWR_Ctl 進行高位電平輸出→Q203 場效管作用→S1 的On/Off 按鈕松開→電阻R207仍為壓降狀態→V201 保持導通→開機成功[9]。

關機原理：開機狀態→按壓S1 的On/Off 按鈕→微控制芯片會經PWR_State 從高位到低位電平檢測→PWR_Ctl 進行低位電平輸出→Q203 場效管斷開→打印機關閉。該設計為了避免誤按操作，讓微控芯片檢測S1 的狀態，需要持續按壓幾秒（如1～3 s）才能起作用。另外，針對給內置電池充電電路的設計：外部適配器的正極充電輸入接至Charge_in 處，電路設置在打印機關機狀態下，若有外部適配器接入充電時，微控制芯片會啟亮充電指示燈為“紅色”，當充電完成后指示燈會呈“綠色”狀態[10]。

1.2.2 打印頭驅動電路

出于經濟性和實用性的考慮，該便攜式無線票據打印機的打印頭配置為日本STAR Corporation 打印頭，其為9 針點陣、雙向、40 列票據(89 mm 穿孔卷紙)針式打印。該打印頭驅動電路主要包括以下三部分：針頭電路、直流微電機電路、步進伺服電機進紙電路[11]。運動方式以接合電路并進行逐點打印模式為主，而打印機驅動芯片與電機驅動形成互鎖來進行控制，整體電路簡單、實用，圖3 為設計的打印頭驅動電路圖[12]。

圖3 打印頭驅動電路圖

由圖3可知，打印機驅動芯片控制點Carriage_Ctl在進行作用時輸出高電平，從而驅動Q104 接通，相繼Q105、Q106 接通，而場效管Q107 停止，電機正相輸出直流電源，從而驅動打印機工作。若當打印機驅動芯片控制點Carriage_Ctl 在進行作用時輸出低電平，則Q104 為切斷狀態，相繼Q105、Q106 均斷開，這時直流電機斷電?；谥绷麟姍C斷電后慣性產生電流，從而驅動Q107，當Q107 用作直流電機的發電負載時，由于負載較大，直流電機的慣性電阻增加，迫使電機即時停止，從而Q107 起到了即時制動作用[13]。

1.2.3 打印機的無線通信設計

該便攜式打印機的無線通信部分使用藍牙通信芯片ROK 101 007，該芯片符合無線通信藍牙技術指標，該ROK 101 007 是愛立信公司生產的一款專業藍牙通信芯片，它在短距離內能實現無線通信，支持USB、UART 和PCM 三通連接類型。該設計使用UART 與主機ARM 連接，芯片分為收發數據端和數據流控制端兩部分，如圖4 所示。該藍牙通信芯片還支持藍牙語音和數據傳輸，因此具有與主機連接性能穩定、集成度高、耗能低、安全可靠的特點[14]。

圖4 連接藍牙模塊接口圖示

2 打印機性能與通信

基于ARM Cortex 微控制器的便攜式無線票據打印機整機配置的性能如表1 所示。

表1 打印機配置的性能

綜上可知，按下啟動按鈕電機通電后，電機開始和安裝在同一軸上的小發電機一起轉動。假設4 個針頭A、B、C、D 的初始位置在最左處，則電機轉動后，發電機通過同步信號輸出，向外發送一個信號源，其主信號如圖5 所示[15]。

圖5 打印信號圖

由于圖5 中的正弦波信號是發電機通過同步信號輸出形成的，與正弦波位于同一方波中心的方波脈沖是經過外圍電路處理后由正弦信號發送給ARM 的信號體，而較低的Tn系列方波脈沖由用戶根據輸入的信號進行處理而來。實際的打印機要打印一行則會產生168 個Tn系列方波脈沖，其中前96 個Tn系列方波脈沖對應96 行，最后72 個方波脈沖在打印線中返回最右端，便打印形成一行字符[16-17]。

3 軟件設計

由于無線打印機在戶外移動環境下使用，任何外部干擾都有可能影響其使用，因此對藍牙數據傳輸的穩定性有特殊要求，確保每張發票都能被可靠打印。打印機與終端之間的數據傳輸建立握手協議，要在打印前確保數據傳輸完整，在成功確定藍牙通信正常連接后握手，打印機繼續對數據進行數據校驗后，將重新發送打印數據，防止數據丟失導致打印錯誤。若接收到打印錯誤信號，則終止打印，打印票據流程圖如圖6 所示。

圖6 打印票據流程圖

4 電路測試

為驗證該打印機的穩定性，測量中輸入直流電壓18 V、20 V、24 V，用于其動態負載特性仿真實驗。其中，電子負載設置為Io1=0.1～6.0 A；T=500 μs；Sr=200 mA/μs。在此情況下模擬該便攜式無線票據打印機欠電或極限載荷下的動態跳變情況，相當于打印機在打印空白（全收針時）和打印黑塊（全下針時）的工作狀態，其結果數據如表2 所示。

表2 動態負載特性測試數據

當負載最大程度跳變時，表示開關電源的輸出電壓也能穩定在24 V±290 mV 范圍內。另外該開關電源在待機狀態下的功率小于0.5 W，而進行整機打印時為1.2 W，達到便攜針式票據打印機一級能效要求。

5 結論

基于ARM Cortex 微控制器的便攜式無線票據打印機，整體結構合理，功能完善，打印效率高，而且該便攜式無線票據打印機在逆變高跳變的動態負載情況下依然能夠輸出穩定的直流電壓，且在待機時具有較低的功耗，有一定的現實意義和較好的經濟效益。ARM Cortex 微控制器適用于嵌入式應用，具有高集成水平以及系統增強功能，具有豐富的內部拓展資料和齊全的系列產品，其為后續的擴展無線充電等研究帶來了很大的空間，其不用增加其他外圍擴展電路就能實現智能化、物聯化，減少了開發工作量并縮短了開發周期，得到了越來越廣泛的應用。