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Altera公司的FPGA芯片EP3C225Q240C8N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VHDL实现对微型打印机的时序控制，并通过QuartusⅡ软件平台下栽到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。
关键词：微型打印机；VHDL；时序；FPGA

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(CPLU)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FP-GA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 STD_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，RS232串行接口，TTL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。

    注：“入”表示输入到打印机；“出”表示从打印机输出，信号的逻辑电平为TTL电平。
    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。

2 总体系统设计
    使用Altera公司的CyelonⅢ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QuartusⅡ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。DATA1～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‘O’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TTL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。

2．2 软件设计
    软件平台采用Altera公司的FPGA开发平台QuartusⅡ。QuartusⅡ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QuartusⅡ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。

    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STATE0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STATE1，否则(busy=‘1’)继续执行STATE0；在状态STATE1，将数据写入打印机，直接转入下一状态；在状态STATE2，将数据选通触发脉冲信号STB置‘O’，打印机读数据，转入下一状态；在状态STATE3，检测数据是否已经被接受，若数据已被接受(ACK=‘O’)，打印机转入初始状态STATE0，等待接受新数据，若数据未被接受(ACK=‘1’)，继续执行STATE3直到数据被接受。

3 结语
    使用FPGA与VHDL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。