采用USB接口的心电图热敏打印机系统设计
时间：01-13
来源：互联网
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1．5 走纸电路设计
打印机走纸控制采用双极斩波驱动的步进电机来实现。本设计采用Allego公司的专用双全桥PWM步进电机驱动器A2919SLB来驱动电机，如图4所示。驱动器输出双路可直接驱动步进电机，PHASEl和PHASE2分别由．ARM控制器输出相应脉冲来控制输出脉冲频率，从而得到理想的速度。走纸电机驱动电路如图4所示。
A2919SLB驱动电机工作电压为+24 V，芯片参考供电电压为VOC，驱动芯片的电机驱动电流取决于参考电压VREF和参考电阻Rs，以及Io和fI高低电平的组合，其计算方法如表1所列。
该芯片的控制简单方便，实际应用中可以根据需要调节输出高低电平搭配，以达到细分的效果。本设计采用了全角控制，VREF采用+5 V直流电压，Rs取0．5 n的高精度电阻，I0和Il采用第2种电平组合方式，输出电流为67％，ITRlP，完全可以满足设计需要。
1.6 打印头保护和头温度测量电路
对打印头的保护是打印机控制系统好坏的重要标志。由于行式热敏打印机对发热元件的加热时间都是ms级的，如果对发热元件连续加热超过l s，将会烧坏打印头，因此对打印头的保护必须及时、可靠。从行式打印头电路连接图可以看出，要使发热元件加热，除寄存器中数据点为高外，还必须将头电压VH一24V供电电源打开。只要任一条件不满足，就不可能给打印头加热，也就不会烧坏打印头．所以对打印头电压设计了一个电源保护电路。
如果打印过程中打印头过热，就必须停止打印，否则会烧坏打印头。打印头内置热敏电阻由THERMIST()R连接到外部检测电路，经过LM339M比较器，一旦温度超过极限温度，就通过OVER_HOT脚发出低电平给主控芯片．从而可以及时采取相应的保护措施，如图5所示。
打印过程中如果出现缺纸和开盖的情况，同样需要停止打印，否则会出现不可预测的结果。J4连接光敏对检测缺纸电路，J8连接一个开关电路。当缺纸和开盖状况出现时，电路将立即通过PAPER_SHORT脚和COVER_OPEN脚向ARM控制器发出低电平信号，控制器则立即停止打印头和电机，停止任何打印操作，以免损坏打印头。
2 心电图热敏打印机的软件设计
软件的主要功能是接收来自主机(心电图机)通过USB口发来的数据，然后判断数据的内容，根据指定的通信协议进行处理。数据包括三种情况：控制命令、心电图数据和字符。对于心电图数据，首先要判断是几导打印(本设计中分为同时打印1、3、6和12导四种情况)，然后将接收到的数据映射成点，通过SPI口，以串行方式送至打印头的缓冲区进行打印；如果有字符，则从外扩的DATAFLASH中取出各字符的字形码，并进行转换．然后送往打印头的缓冲区进行打印；如果数据是控制命令，则转到相应控制命令的执行程序。
在对打印头传送数据时，使用了ARM控制器的SPI口，因ARM只需向打印头单向传送数据，仅是主从式工作方式，所以只要通过3根线——时钟线(SPKCLK)、数据输出线(SPIMOSI)、片选线(CS)进行通信，内部通过SPIDAT寄存器完成转换。打印机有3种打印速度可供用户选用：50 mm／s、25 mm／s和12．5 mm／s。当采用最高的50 mm／s速度打印时，必须保证电机走纸内打印头数据已经传送到打印头。普通8位单片机此时就不能满足要求，这就是本设计采用ARM的原因之一。图6是打印头的加热控制时序图。
软件设计中的另一个关键技术就是将打印数据映射成点，再打印到纸上。映射的点必须和打印纸上的点一一对应，所以合理分配每导在打印纸上的空间就十分重要，既要分配充分，又不能相互重叠。打印纸的宽度是216ms，与1728个点相对应，12导可以成行排列同时打印。
图7是标准心电波形图
由图7可以看出，心电波形图绝大部分都在基线的一边，故相邻的导联波形在一侧可以共用部分空间，而不至于导联波形重叠。程序框图和程序在此省略。
结语
本设计充分利用了ARM芯片AT91sAM7S64的资源，完成了采用USB借口技术的热敏打印机的开发，并对打印机头作了充分的保护。通过采用响应的算法实现了心电图的高达12导联的多导同时打印，在实际应用中效果良好。
打印机走纸控制采用双极斩波驱动的步进电机来实现。本设计采用Allego公司的专用双全桥PWM步进电机驱动器A2919SLB来驱动电机，如图4所示。驱动器输出双路可直接驱动步进电机，PHASEl和PHASE2分别由．ARM控制器输出相应脉冲来控制输出脉冲频率，从而得到理想的速度。走纸电机驱动电路如图4所示。
A2919SLB驱动电机工作电压为+24 V，芯片参考供电电压为VOC，驱动芯片的电机驱动电流取决于参考电压VREF和参考电阻Rs，以及Io和fI高低电平的组合，其计算方法如表1所列。
该芯片的控制简单方便，实际应用中可以根据需要调节输出高低电平搭配，以达到细分的效果。本设计采用了全角控制，VREF采用+5 V直流电压，Rs取0．5 n的高精度电阻，I0和Il采用第2种电平组合方式，输出电流为67％，ITRlP，完全可以满足设计需要。
1.6 打印头保护和头温度测量电路
对打印头的保护是打印机控制系统好坏的重要标志。由于行式热敏打印机对发热元件的加热时间都是ms级的，如果对发热元件连续加热超过l s，将会烧坏打印头，因此对打印头的保护必须及时、可靠。从行式打印头电路连接图可以看出，要使发热元件加热，除寄存器中数据点为高外，还必须将头电压VH一24V供电电源打开。只要任一条件不满足，就不可能给打印头加热，也就不会烧坏打印头．所以对打印头电压设计了一个电源保护电路。
如果打印过程中打印头过热，就必须停止打印，否则会烧坏打印头。打印头内置热敏电阻由THERMIST()R连接到外部检测电路，经过LM339M比较器，一旦温度超过极限温度，就通过OVER_HOT脚发出低电平给主控芯片．从而可以及时采取相应的保护措施，如图5所示。
打印过程中如果出现缺纸和开盖的情况，同样需要停止打印，否则会出现不可预测的结果。J4连接光敏对检测缺纸电路，J8连接一个开关电路。当缺纸和开盖状况出现时，电路将立即通过PAPER_SHORT脚和COVER_OPEN脚向ARM控制器发出低电平信号，控制器则立即停止打印头和电机，停止任何打印操作，以免损坏打印头。
2 心电图热敏打印机的软件设计
软件的主要功能是接收来自主机(心电图机)通过USB口发来的数据，然后判断数据的内容，根据指定的通信协议进行处理。数据包括三种情况：控制命令、心电图数据和字符。对于心电图数据，首先要判断是几导打印(本设计中分为同时打印1、3、6和12导四种情况)，然后将接收到的数据映射成点，通过SPI口，以串行方式送至打印头的缓冲区进行打印；如果有字符，则从外扩的DATAFLASH中取出各字符的字形码，并进行转换．然后送往打印头的缓冲区进行打印；如果数据是控制命令，则转到相应控制命令的执行程序。
在对打印头传送数据时，使用了ARM控制器的SPI口，因ARM只需向打印头单向传送数据，仅是主从式工作方式，所以只要通过3根线——时钟线(SPKCLK)、数据输出线(SPIMOSI)、片选线(CS)进行通信，内部通过SPIDAT寄存器完成转换。打印机有3种打印速度可供用户选用：50 mm／s、25 mm／s和12．5 mm／s。当采用最高的50 mm／s速度打印时，必须保证电机走纸内打印头数据已经传送到打印头。普通8位单片机此时就不能满足要求，这就是本设计采用ARM的原因之一。图6是打印头的加热控制时序图。
软件设计中的另一个关键技术就是将打印数据映射成点，再打印到纸上。映射的点必须和打印纸上的点一一对应，所以合理分配每导在打印纸上的空间就十分重要，既要分配充分，又不能相互重叠。打印纸的宽度是216ms，与1728个点相对应，12导可以成行排列同时打印。
图7是标准心电波形图
由图7可以看出，心电波形图绝大部分都在基线的一边，故相邻的导联波形在一侧可以共用部分空间，而不至于导联波形重叠。程序框图和程序在此省略。
结语
本设计充分利用了ARM芯片AT91sAM7S64的资源，完成了采用USB借口技术的热敏打印机的开发，并对打印机头作了充分的保护。通过采用响应的算法实现了心电图的高达12导联的多导同时打印，在实际应用中效果良好。