基于蓝牙4.0的无线热敏打印机系统设计

发布时间：2020-07-07 22:39

【摘要】：随着信息化技术的发展,热敏打印的应用遍及社会生活的各个领域。热敏打印机的成像与打印头加热特性密切相关,打印过程中系统的实时性要求很高,ARM微处理器适用于这种产品。传统有线热敏打印机连线麻烦,催生了蓝牙热敏打印机。本项目将具体研究一种价格合适,高可靠的蓝牙4.0无线热敏打印系统。本文在分析蓝牙无线热敏打印机发展现状和技术的基础上,比较了主流ARM芯片的优缺点和各蓝牙版本技术特点,提出了基于ARM Cortex-M3微处理器的主控电路方案和基于最新4.0版本低功耗蓝牙技术的无线传输方案,并利用仿真软件对蓝牙天线进行优化设计;根据系统供电需求,比较了主流电源方案,采用了TM式PFC和LLC谐振式开关变换器组成的开关电源方案。最后,基于提高可靠性、方便系统软件开发的原则采用模块化方法进行程序设计。本项目工作包括硬件设计、软件设计和测试验证。首先,设计了主控部分硬件电路,包括主控芯片供电电路、主控芯片接口电路、步进电机和打印头驱动电路、按键显示电路和蓝牙芯片接口电路;并利用HFSS仿真软件对蓝牙蜿蜒型倒F天线进行了优化设计;然后,采用仿真软件PSIM和Saber辅助开关电源的设计和验证。软件设计分别对Cortex-M3微处理器主控系统和蓝牙4.0主、从机系统展开,设计了蓝牙通信、字符打印、打印头驱动和步进电机驱动等模块。最后,进行了打印机性能测试和蓝牙通信打印测试,测试结果表明本系统能可靠地完成蓝牙4.0无线热敏打印任务。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP334.8;TN925
【图文】：

框图,热敏打印机,蓝牙,系统总体结构

图 2-1 蓝牙 4.0 的热敏打印机系统总体结构框图蓝牙 4.0 通信模块用于实现电脑主机或手机与打印机之间作蓝牙无线打印数据传输。电脑、苹果或安卓移动终端，将需要打印的数据通过蓝牙无线传输信道发送到打印机的蓝牙模块；蓝牙模块接收到打印任务数据后，会通过串口传送到 ARM Cortex-M3单片机 STM32F103。由于使用了蓝牙进行数据传输，必须保证信号发送与接收的可靠性，故对天线设计提出了具体的要求，即在蓝牙通信频段内要有良好的天线端口阻抗匹配、回波损耗低且尺寸要小。打印控制部分的单片机负责将数据转换成需要打印的每一条加热线的点阵信号，并控制打印头和步进电机进行联动，逐行加热来实现整个标签的打印。对打印控制部分的要求是：一方面要将收到的打印数据正确地在热敏标签纸上打印出来，另一方面要对纸张检测、温度检测、供电检测等检测部分进行可靠的控制[2]。由于打印机在打印时的工作电流较大，故专门设计一款带有 PFC (Power FactorCorrection)的 LLC (two inductors and one capacitor)谐振式开关电源来为它提供可靠的电

系统硬件,总体结构,蓝牙,芯片

图 2-2 热敏打印系统硬件总体结构图蓝牙 BLE 4.0 芯片采用了 TI 公司的 CC2540，该芯片是一款低功耗蓝牙单模芯片。它具有丰富的外设接口，如串口模块、USB、比较器、ADC 模块等等；配合 TI-BLE 协议栈可以很方便地完成蓝牙 BLE 4.0 数据传输方案的开发与应用。其突出特点是该芯片价格较低、尺寸很小，只需极少的外围元器件，故硬件设计很方便。而需要重点考虑的是蓝牙天线的设计，所以本系统将使用电磁仿真软件 HFSS 配合天线的设计。蓝牙 BLE 4.0 通信模块部分的设计包含硬件电路设计和软件程序设计，硬件电路可借鉴 TI 公司提供的参考设计方案，其实现电路较为简洁。主控系统采用 32 位 ARM Cortex-M3 CPU 内核的 STM32F103VET6，工作频率达72MHz，Dhrystone 计算能力可达 1.25DMips/MHz。芯片内置 512K 字节 FLASH，64K字节的 SRAM；带上电以及断电复位、可编程电压监测器；外接 4～16MHz 晶体振荡器，内嵌经出厂校准的 8MHz RC 振荡器，带校准的 40kHz 的 RC 振荡器和 32kHz RTC(Real-time Clock)振荡器。该芯片有 80 个 I/O 端口。在外设方面，它有多达 13 个通信接

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图 2-3 开关电源构成示意图2.3 系统软件总体结构热敏打印系统软件控制流程图如图 2-4 所示。软件的设计原则是自上而下进行优化设计。为简化程序代码，软件系统采用 C 语言开发，未采用实时操作系统。软件系统实现的基本过程包括：1）打印系统与手机、电脑、平板进行蓝牙数据传输。此过程由 BLE 主机和 BLE从机按照蓝牙 4.0 通信协议进行数据收发来实现。软件设计分为 BLE 主机程序设计和BLE 从机程序设计两部分。2）由 ARM Cortex-M3 单片机控制的打印数据接收过程。该过程基于对蓝牙 4.0 通信协议的数据包特性分析，采用延时接收处理以实现较大数据量的打印区位码信息接收，由高优先级的串口接收中断处理程序和低优先级的嘀嗒定时器定时中断处理程序协同处理来实现。

【参考文献】