一种打印控制系统的设计

1. 引言

当前，大多数打印机都是由桌面机及相应软件来驱动的，打印机（printer） 是计算机的输出设备之一，用于将计算机处理结果打印在相关介质上。衡量打印机好坏的指标有三项：打印分辨率，打印速度和噪声。将计算机的运算结果或中间结果以人所能识别的数字 、字母、符号和图形等，依照规定的格式印在纸上的设备。打印机正向轻、薄、短、小、低功耗、高速度和智能化方向发展。打印机[1]的种类很多，按打印元件对纸是否有击打动作，分击打式打印机与非击打式打印机。按打印字符结构，分全形字打印机和点阵字符打印机。按一行字在纸上形成的方式，分串式打印机与行式打印机。按所采用的技术，分柱形、球形、喷墨式、热敏式、激光式、静电式、磁式、发光二极管式等打印机。

2.打印控制系统硬件结构

硬件结构原理图如图1所示：
 

各主要模块基本组成描述如下：

（1） 微处理器MPU：本系统采用的嵌入式微处理器是Samsung公司S3C2410。这块处理器是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，采用五级流水线和哈佛结构，提供1.1MIPS/MHz的性能，主要面向手持设备以及高性价比，低功耗的应用。微机中的中央处理器（CPU）称为微处理器（MPU），是构成微机的核心部件，也可以说是微机的心脏。它起到控制整个微型计算机工作的作用，产生控制信号对相应的部件进行控制，并执行相应的操作。在微机中，CPU被集成在一片超大规模集成电路芯片上，称为微处理器（MPU），微处理器插在主板的cpu插槽中。通常所说的16位机、32位机是指该计算机中微处理器内部数据总线的宽度，也就是CPU可同时操作的二进制数的位数。目前常用的CPU都是32位的，即一次可传送32位二进制数。

（2）Flash存储器： 采用Samsung公司K9F1208U0M Nand flash存储器，存储容量为64MB,用于存放嵌入式操作系统和应用程序，剩余空间用于暂存文件和用户自由存储使用。

（3）SDRAM存储器： 采用HY57V561620CT,大小为32MB.

（4）USB集线器芯片： 采用ALCOR MICRO公司AU9254A21型号的USB集线器芯片，可将系统扩展为4个USB外部接口，用于连接打印机，U盘，鼠标，键盘等外部设备。

（5）触摸屏：采用Sharp公司的3.5寸LCD液晶屏， 320×240的分辨率，自带触摸功能。

3. 打印控制系统的软件设计

3.1 linux操作系统简介

Linux是一类Unix计算机操作系统的统称。Linux操作系统的内核的名字也是“Linux”。Linux操作系统也是自由软件和开放源代码发展中最着名的例子。它诞生于1991 年的10 月5 日（这是第一次正式向外公布的时间）。以后借助于Internet 网络，并经过全世界各地计算机爱好者的共同努力下，现已成为今天世界上使用最多的一种UNIX 类操作系统，并且使用人数还在迅猛增长。严格来讲，Linux这个词本身只表示Linux内核，但在实际上人们已经习惯了用Linux来形容整个基于Linux内核，并且使用GNU 工程各种工具和数据库的操作系统。Linux 操作系统的诞生、发展和成长过程始终依赖着以下五个重要支柱：UNIX 操作系统、MINIX 操作系统、GNU 计划、POSIX 标准和Internet 网络。

目前国际上有两百多种嵌入式操作系统，比较有影响力的几种是：VxWorks, uC/OS, Windows CE, Linux, QNX, Palm OS.这其中，Linux以其诸多的优点，发展最快，应用最广。

Linux操作系统有如下几个特点：

（1）免费使用，节省了大量的开发费用。

（2）开放源代码，可以根据需要随意定制内核。也正是由于其开源性，使得Linux成为自由软件世界的一面旗帜，也使得我们能够从广袤的网络世界中获取大量的免费资源。

（3）可移植性，能够应用于多种硬件平台。原形可以在标准平台上开发，然后移植到具体硬件上，加快了开发过程。

（4）高度的模块化使添加部件非常容易。

本文所述系统采用经过裁减（依据外围硬件和所需服务）的linux操作系统。

3.2 linux操作系统下的打印控制系统

根据打印机的命令方式，可以将其分成文本打印机、PostScript打印机和其它种类。所谓文本打印机，就是那些比较古老的针式打印机，我们不需要驱动程序，就可以直接用cat命令驱动打印机打印文字，但只能打印英文，这种打印机现在已经很少使用了。PostScript（简称PS）是一种绘图能力很强的解释性脚本语言，1985年由Adobe公司制定。由于它占用计算机系统资源少，处理过程标准化而且与设备无关，所以被广泛的应用于打印系统。现在，能够直接支持PostScript的打印机，通常都是非常高级的办公打印机，对于这种打印机来说，PS语言是它们和计算机之间沟通的最简便的方式，应用程序可以将生成的PS文档直接发给打印机打印。

接下来，我们根据图2所示框图，介绍一下打印控制系统中的几个主要问题：

（1）格式转化程序Netpbm:

一组转换图形格式的程序集，可以将png和jpg等格式的图像经中间格式PNM,最终转换成通用的PostScript格式。其中包括了pngtopnm,pnmtops等一系列独立的小程序，将它们搭配使用，可以对图像进行诸如缩放，旋转等各种处理。

（2） GhostScript程序：

对于支持PostScript的打印机而言，要在Linux下使用是比较容易的，但对于那些不支持PostScript的打印机而言，就必须要把PostScript格式转换成打印机能够识别的命令格式，而GhostScript就是用来完成这个工作的。Ghostscript是PostScript打印机模拟程序，通过软件模拟PostScript打印机，它的具体工作是将PostScript页面描述语言，转译成各种打印机专用的低阶打印指令，并发送给打印机执行。因此，Ghostscript需要知道各种打印机的指令语言，这就是的打印机驱动程序。

（3）打印机驱动程序：

打印机驱动程序是应用软件与打印机之间交流的桥梁，它可以将转化好的打印文件，按照各种打印机不同的格式发送给打印机，因此不同的打印机都有自己特有的打印驱动程序。另外，随驱动程序一起发布的还有PPD文档，PPD（PostScript Printer Description）是用来描述打印机功能的文件，里面包含了字体，打印页面等的一些描述。

（4）打印管理程序：

作为一个多用户多任务的操作系统，Linux上的所有程序都是基于多任务、多用户而设计的，打印也不例外。为了让不同的用户、不同的任务在打印的时候不会产生冲突，就需要一个打印管理程序，我们通常称其为spooler。这类管理程序很多，从传统的LPD，到时下非常流行的CUPS,它们功能各异，但有一点不变的就是都是用来协调打印任务的。CUPS的工作方式如下：通过命令行接收要打印的文件；通过文件的类型判断是否需要将其转换为PostScript，如果需要，则调用相应的应用程序进行转换；通过PPD文件来判断GhostScript应使用何种驱动处理此PostScript文件；把GhostScript处理的结果输出到打印设备上。

（5）用户统一界面Foomatic：

由于打印领域标准问题长时间不统一，诞生了各种打印管理程序，而要学会为每一个打印管理程序安装驱动程序，是一件非常复杂的事情；如果用户需要更换打印机，也必须更改复杂的设置。为了改善这种状况，就出现了Foomatic应用程序，它的作用是通过一种方式管理所有的打印机，把PPD文档和打印管理程序的配置屏蔽掉，给用户一个友好的统一的界面。

在嵌入式系统设计中，因为其系统资源有限，合理分配资源和保证处理速度是我们首先要考虑的问题。一台不支持PostScript格式的打印机工作时会占用大量的CPU处理时间和内存空间，只是在PC上工作时，由于CPU处理速度快，内存空间大，所以用户感觉不到罢了。基于以上考虑，本文所设计的嵌入式打印系统，在保留上述打印机系统结构的情况下，以简单的shell脚本程序代替CUPS等庞大的打印管理程序，以自行开发的图形用户界面代替Foomatic应用程序。另外，由于惠普公司的打印机驱动程序具有良好的通用性和可移植性，因此我们选择HP Deskjet系列喷墨打印机，同时使用这一系列的通用驱动程序hpijs（含多种打印机型号的PPD文档），源代码由惠普公司官方网站提供。

3.3软件设计中的关键问题：

（1）交叉编译：

IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。嵌入式项目的开发中，有一个重要的环节就是构建交叉编译工具链。所有的软件源程序，必须经过这个工具链的编译，链接后才能生成可以在嵌入式系统上运行的代码。在过去，编译一套工具链要花费开发人员不少的时间，但现在在网上很容易就可以下载一套已经做好的工具链。

（2）打印任务管理程序：

没有使用CUPS打印管理程序，是因为它会耗费大量的系统资源，这对于嵌入式系统来说无疑是致命的。但节约资源的同时，我们也要花费时间去设计一个适和于目标系统的程序，来管理打印任务。程序流程图如下所示：

3.4 用户图形界面设计

Foomatic应用程序本身并不大，但它是一个Perl脚本程序，所以如果要使用它，我们还得额外移植一套庞大的Perl脚本解释器，这对系统会有十几兆的开销。因此，我们选择用Qt/Embedded工具包开发了一套简单的用户界面。其主要功能是让用户可以看到存储设备（flash存储器或外接usb存储设备）上的文件，以便选择打印，其中jpg和png格式的图像还可以显示出来，供用户做简单编辑后再打印；另外，可以让用户看到驱动程序所支持的几十种打印机型号，用户更换打印机后，只要更改相应的型号，程序就会自动调整打印命令，方便了用户的管理和使用。

4.结束语

本文设计了一种基于嵌入式Linux的打印控制设备，在一般打印机上实现了脱离PC预览，编辑，控制，打印的功能。这一设备具有很大的灵活性，只要移植相应的驱动程序，我们可以将其应用于所有打印机，这样既获得了优越的性能又节省了开支，具有较高的实用价值。