基于ARM9和Linux的嵌入式打印终端系统

1 嵌入式打印终端系统 的设计原理                                      
  
 

嵌入式打印终端原理连接图如图1所示。主要由开发板、主机、打印机和扫描仪四部分组成。主机是一台PC机。开发板采用的是三星公司S3C2410开发板，ARM9的核，跑的是2.4内核版本的嵌入式Linux操作系统。扫描仪为超市等用的手持扫描仪。再加一台微型打印机接在开发板的GPIO口上。

工作流程为：开发板将扫描仪的数据从串口读出，然后通过网口将数据发送给主机进行检索处理。开发板等待直至接收到主机处理完毕的数据后转发给打印机，将信息打印出来。

2 嵌入式打印终端系统的硬件设计

2.1硬件开发平台S3C2410结构

三星公司的S3C2410开发板用的是32位RISC架构基于ARM920T核，其增强的MMU单元、AMBA总线，可以支持WinCE、 Linux等实时操作系统。片上资源丰富接口众多，包含LCD控制器、USB Host、CS9800A网络芯片、SD卡、3个UART通用异步串行口等设备接口。[1]

2.2打印机与开发板接口电路的设计

我们使用的微型打印机使用的是并行接口。由于开发板上没有提供并口，所以必须自己设计一个板卡接口电路，以连接打印机的并口和我们的嵌入式开发板。查看S3C2410的电路原理图，由于此系统不需要用到LCD屏，可以将板子上用于LCD连接的GPIO口进行改造，根据ARM9core的LCD电路引脚和板上的LCD插槽定义，如图2，找到了14根空闲的GPIO口：

gpio_c8~gpio_d15,gpi0_d0~gpio_d4。用这14根通用输入输出口连接微型打印机的并口。

同时查看打印机的电路手册和管脚定义，选用其STB选通线、ACK回答脉冲线、BUSY线、DATA0-DATA7数据线来与开发板的GPIO口相连，并初始化高低电平值。为了避免接线过紧互相干扰，制作一个接口板定义各引脚连接如图3所示。

至此，硬件的电路设计及连接基本完成。

3嵌入式打印终端系统的软件设计

软件平台采用的是基于2.4内核的嵌入式Linux系统。采用的交叉编译器工具包为CROSS2.95.3.tgz(包含arm-linux-gcc等)。

3.1 打印机驱动的编写

Linux的设备分为块设备，字符设备和网络设备，该系统使用到的微型打印机属于字符设备，下面将具体说明如何设计打印机驱动。

3.1.1  定义设备名

#define DEVICE_NAME weida_printer

3.1.2  模块函数设计

在该系统中，采用模块化加载驱动程序的方法，因此必须实现模块的初始化函数和卸载函数。采用devfs方式注册打印机。

初始化函数weida_init通过devfs_register函数向系统注册设备。

函数原型devfs_register(NULL, DEVICE_NAME, DEVFS_FL_DEFAULT, 0, 0, S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR,  &weida_printer_fops, NULL);

其中，DEVICE_NAME为主设备名，weida_printer_fops为定义的一个数据结构，用来实现的文件操作，包括open、close、write等。

3.1.3  初始化打印端口

初始化打印机第一个要做的事情就是要对GPIO口进行初始化，初始化函数如下：

static void weida_init(void){
devfs_register(); /*注册设备驱动*/
set_gpio_ctrl(WEIDA_STB|GPIO_PULLUP_DIS|GPIO_MODE_OUT); /*设置STB口*/
    write_gpio_bit(WEIDA_STB,1);
    weida_printer_io_port_init();
/*设置其它IO口，以及赋初值*/ }

其中，WEIDA_STB为连接打印机选通口初始化为高电平，GPIO_PULL_DIS是设置是否需要上拉电阻，GPIO_MODE_OUT 设置GPIO口为输出口。最后使用module_init(weida_printer_init);采用模块方式加载驱动。[2]

3.1.4  接口函数设计

ioctl()函数主要完成打印机字体、行距等参数的设置，在设计过程中必须解决用户数据和内核数据之间如何传递。从用户态读取数据，然后在内核态运行，可以使用copy_from_user函数来完成传递数据。

weida_printer_write ( )先对打印机是否在线，是否忙，是否准备好做进一步的判断，然后再进行打印。在打印的时候要注意每发一个字符要延迟150毫秒，因为如果打印数据发得过快打印机的来不急处理，所以要设置延时。

open/close函数打开/关闭文件，因为在LINUX下设备都是当作文件来操作的，所以需要open和close这两个接口函数。

3.2 扫描仪串口的设置

嵌入式移动打印终端中使用到的扫描仪是串口扫描仪，这种扫描仪相对于USB接口的扫描仪来说，控制较简单，在扫描仪扫描后，可以直接从串口读取数据。

3.2.1  串口设置[3]

设置串口速率函数：set_speed(int fd, int speed),其中fd 为打开的设备文件，speed为速率。

设置串口参数：set_parity(int fd,int databits,int stopbits,int parity),databits为有多少个数据位，stopbit为设置多少个停止位，parity为奇偶校验位设置。设置串口波特率为9600，数据位为8位，一位停止位，没有校验位。

3.2.2  编写读取扫描仪数据函数

首先打开设备文件，该系统中使用的串口为串口2，因此打开函数为：

open(“/dev/ttyS1”,O_RDWR|O_NONBLOCK|O_NDELAY);其中，O_RDWR表示可读可写，O_NONBLOCK表示非堵塞模式，O_NDELAY表示没有延迟，立即发出去。

3.2.3 客户端和服务器的socket编写

嵌入式打印终端采用C/S的模式，把PC机作为服务器，开发板作为客户端，通过以太网连接。客户端建立一个socket连接去寻找PC机上的服务程序。PC机上同时也运行一个socket用来listen请求和绑定。采用的是TCP的连接方式。

3.4 主应用程序的设计

开发板上的应用程序Main函数注册两个线程p1和p2，两个全局数组c1和c2。

线程p1将从串口读到的数据放入c1中，然后sent socket直接从c1中取走数据发送给服务器。线程p2负责将received socket数据放入c2数组中，然后直接从c2取走数据交给打印机去打印。

这里对线程使用了两个信号量，并初始化为：sem_init(&sem1,0,1); sem_init(&sem2,0,0); [4]

两个线程的核心代码如下：
void thread1(void) {
    打开串口；设置串口；建立连接；
    while(1)    {
        sem_wait(&sem1);
        从串口读书据；
用clinetsocket发送出去；
        sem_post(&sem2);}
}
void thread2(void)  {
    打开打印机设备；
    while(1)    {
        sem_wait(&sem2);
        接收数据；扔给打印机；
        sem_post(&sem1);    }
}

如此可以使两个线程得以同步运行，并可以执行多次扫描和打印任务。
 
本文作者创新点及其经济效益：本系统具有移动性强，功耗低等特点，而且与以往传统的用PC 机实现的打印终端相比，还具有低成本优势。能广泛地应用于超市收银系统，银行自动存取款机，等各种工业领域。笔者试验了一下把802.11g的无线网卡移植到开发板上，并成功实现了和主机的无线通信，使得该系统更加便携。根据对南京各大学校区内超市的研究调查，此系统估计可产生50万元的经济效益。

赵远东导师评论：该同学在书写这篇文章的过程中，参考大量中英文文献资料，通过对ARM开发板的结构、设计等方面的认知，了解Linux驱动的基本框架，设计出了接口板电路实现了移动终端打印功能，有一定的创新思想和经济价值。

参考文献:
[1]  SAMSUNG. S3C2410A 200MHz&266MHz 32-BIT RISC MICROPROCESSOR USER’S MANUAL [EB/OL]. http://www.samsung.com/, 2004-03. 35,367-408
[2]  CORBET J, RUBINI A. LINUX设备驱动程序（第三版）[M]. 中国电力出版社, 2006. 46-74 TP316.81
[3]  孙琼. 嵌入式LINUX应用程序开发详解[M]. 人民邮电出版社, 2006. 184-191 TP316.89
[4]  田家林，陈利学，寇向辉． LINUX嵌入式操作系统在ARM上的移植[J]. 微计算机信息， 2007，4-2：P60-62．