基于FPGA 与VHDL 的微型打印机的驱动设计

 摘  要：为了取代传统利用单片机驱动微型打印机，使用Alt era 公司的FPGA 芯片EP3C25Q240C8N 设计驱动打印机的硬件控制电路，并正确控制微型打印机的工作时序。软件使用硬件描述语言VH DL 实现对微型打印机的时序控制，并通过Quar tus  软件平台下载到FPGA 调试通过，证明该方法行之有效，完全可以取代传统利用单片机来驱动微型打印机，且抗干扰性好，可靠性高，具有较强的可移植性。

　　0   引  言

　　FPGA 即现场可编程逻辑阵列。是在CPLD 的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件。FPGA的集成度很高，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能,适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。新一代的FPGA 甚至集成了中央处理器( CPU ) 或数字处理器( DSP) 内核，在一片FPGA 上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统( SOPC) 提供了强大的硬件支持。对微型打印机的驱动，传统方法是使用单片机是实现对其的时序控制。随着FPGA 在各领域的普及使用，以及对微型打印机的需要，因此要实现FPGA 对微型打印机的时序控制。

　　当前各ASIC 芯片制造商都相继开发了用于各自目的的HDL 语言，但是大多数都为标准化和通用化。惟一被公认的是美国国防部开发的VHDL 语言，它已成为IEEE ST D_1076 标准。另外从近期HDL语言发展的动态来看，许多公司研制的硬件电路设计工具业都逐渐向VHDL 语言靠拢，使得他们的硬件电路设计工具也能支持VHDL 语言。

　　VHDL 语言可以支持自上而下和基于库的设计方法，而且还支持FPGA 的设计。

　　1   微型打印机简介

　　RD DH 型微型打印机采用热敏加热点阵打印方式，是一款体积小，打印速度快的打印输出设备。该型打印机可采用标准并行接口，RS 232 串行接口，T TL电平串口，485 接口，USB 接口，打印速度达到50 m/ s,分辨率为8 点/ mm，384 点/ 行，打印纸张采用57 mm热敏纸。可打印国标一、二级汉字库中全部汉字和西文字、图标共8 178 个。微型打印机并行接口与CENTRONICS标准接口兼容，可直接由微机并口或单片机控制。其26 线双排插座引脚序号如图1 所示。此26 个并口各引脚信号定义如表1 所示。

图1  双排插座引脚序号

表1   微型打印机26 并口各引脚定义

　　对打印机的驱动主要是对其工作时序进行正确的控制，RD DH 型并行接口定时图如图2 所示。

图2   并行接口定时图

　　2   总体系统设计

　　使用Altera 公司的Cyclon ?系列的FPGA 芯片EP3C25Q240C8N 实现对RD DH 型微型打印机的硬件电路控制，使用Quar tus  开发工具，通过VHDL 语言实现对微型打印机的软件功能实现。

　　2. 1   硬件电路设计

　　如图3 所示为打印机与FPGA 的连接示意图。

　　DATA 1~ DATA8 表示打印机的8 个数据位，他们的逻辑“1”表示高电平，逻辑“0”表示低电平;  STB 为数据选通触发脉冲，下降沿时读入数据;  ACK 为回答脉冲，低电平表示数据已被接受; BUSY 为高电平时表示打印机正忙，此时不接收数据。

　　由于 ACK 和BUSY 输出的是5 V 的TT L 电平，而FPGA 的I/ O 口标准为3. 3 V LVCMOS 电平，因此这两个信号作为FPGA 的输入信号时，要进行分压，保证电路正常运行。

图3   FPGA 与打印机连接示意图

　　2. 2   软件设计

　　软件平台采用A ltera 公司的FPGA 开发平台Q uartus  。

　　Quartus  提供了一种与器件结构无关的设计环境，设计者不需要精通器件的内部结构，只需要运用自己熟悉的输入工具( 如原理图输入或数字电路描述语言输入) 进行设计，利用Quar tus  可以将这些设计转换为最终结构所需要的格式。有关结构的详细知识已写入开发工具软件，设计人员无需手工优化自己的设计。软件的开发流程如图4 所示。

图4  软件开发流程图

　　使用VHDL 硬件描述语言来进行软件设计。

　　对微型打印机的驱动主要是对其工作时序进行正确的控制，利用VHDL 常见的状态机来实现对打印机的工作时序的控制，根据时序图1 所示的时序，状态机使用4 个状态，状态转换图如图5 所示。

　　初始状态STA TE0 时，数据选通触发脉冲信号STB 置“1” ( 高电平) ，检测打印机是否正忙，如果打印机为空闲状态( busy= “0”) ，转入下一状态STAT E1,否则( busy = “1 ” ) 继续执行ST AT E0; 在状态STAT E1，将数据写入打印机，直接转入下一状态; 在状态STAT E2，将数据选通触发脉冲信号STB 置“0” ，打印机读数据，转入下一状态; 在状态ST ATE3，检测数据是否已经被接受，若数据已被接受( ACK = “0” ) ，打印机转入初始状态ST AT E0，等待接受新数据，若数据未被接受( ACK = “1” ) ，继续执行STAT E3 直到数据被接受。

图5   状态转换图

　　3   结  语

　　使用FPGA 与V HDL 硬件描述语言设计的微型打印机驱动，通过系统调试能够完成对打印机的时序控制，目前已经在某型测试仪中正常使用。该设计系统控制简单，抗干扰性强，可靠性高，移植性较好，能够用于任何使用FPGA 芯片的系统中，具有一定的应用前景。