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摘 要
打印机市场被国外巨头如 HP、佳能等垄断三十几年，而相关的技术也很多被申请专利保护，很多关键性技术我国的研究并没有突破性进展。从国内的打印机现状出发，通过对喷墨打印机指令集进行研究和分析，总结喷墨打印机驱动程序的点阵数据变换算法，并根据此算法设计基于单片机的数据转换系统，从而为实现非 PC 的打印功能奠定基础。
传统USB接口喷墨打印机的打印过程是通过 USB数据线相连计算机将数据发送给打印机，实现打印功能。随着单片机技术的不断发展，其应用的领域也越来越广，使基于单片机实现文档数据至打印数据的转换成为可能。主要研究的内容有：
第一，使用总线分析仪 USB Monitor 采集 USB 接口打印机驱动产生的打印数据并对其进行分析与解析；第二，研究 USB 总线协议通讯规则，选择 USB 总线芯片，设计单片机硬件系统，实现与 USB 接口打印机以及移动存储设备的通讯；第三，解析基于 U 盘的 BMP 文件格式及存储规则，实现 51 单片机对移动存储设备 U 盘内 BMP 格式图片有效数据的提取；第四，根据对指定喷墨打印机指令集分析和研究，总结原始文档至点阵数据的变换算法；最后，单片机系统将变换后的点阵数据通过 USB 接口发送至打印机，对转换后的数据进行测试，并基本实现非 PC 机的打印功能。
本文通过对喷墨打印机的指令集的研究与分析，总结驱动送往打印机的点阵数据的变换算法，实现 USB 接口打印机的单片机控制系统，该方法可供研究其他打印机或出版印刷行业参考及使用。
关键词：单片机，USB，打印机，数据
ABSTRACT
The printer market has monopolized for almost three decades by foreign giants such as HP, Canon and so on, while the related technologies are there are many applied for patent protection, a lot of key technology research but no breakthrough. As from the status of the domestic printer, through research and analysis the ink jet printer of command sets, proposed the data matrix inkjet printer driver of the transformation algorithm, according to this algorithm and data conversion system design based on Microcontrollers, so as to achieve the foundation for the non-PC printing function.
The conventional USB interfaces printing process of the inkjet printer need to connect to a computer via USB cable to send data to the printer, achieve the printing capabilities. With the continuous development of Microcontrollers technology, increasingly wide in application area, make it becomes possible from document data to the print data based on Microcontroller. The main contents are:
Firstly, collection the USB interface printer driver generated data through bus analyzers USB Monitor then analyzed and parsed;Secondly, study USB bus protocol communication rules, choose USB bus chip, designhardware systems, realization of communication the printer with a USB interface and removablestorage devices;Thirdly, parsing BMP file formats and rules based on the U disk storage, achieve microcontrollers to achieve the extraction of mobile storage devices U disk BMP format images valid data;Fourthly, according to the ink jet printer analysis and research for the specified instruction set, submitted the original document to dot matrix data of transform algorithm;Finally, the microcontrollers system will send the converted dot matrix to the printer through the USB interface, then test the converted data, and basically realize the non-PC printing functions.
Based on an inkjet printer instruction set do the research and analysis, proposed transformation algorithm form driven data sent to the printer dot, accomplishing microcontrollersControl ystem based on USB interfaces Printer. This method can be as a reference for studying other printers or publishing and printing industry.
KEY WORDS: Microcontroller, USB, Printer, Data
我国的打印机行业相对于国外的打印机巨头 HP、Epson、Canon 等还是比较落后，在打印机发展的几十年中，我国本土的打印机技术也在不断进步，甚至有很多技术上的突破，但几家巨头公司申请了十几万项的打印机及其耗材技术专利，使得打印机行业成为一个高专利保护的、高技术行业[1]。我国在快速发展的这几十年中，打印的需求不断扩大，技术上却被各种日美打印巨头公司所垄断[2]，在缺少国内企业竞争的格局下，国外生产商利用自己的技术垄断，获取了丰厚的利润效益。在 08 年的一份关于中国打印机市场的调查报告中显示，惠普、爱普生、佳能三大品牌的关注比例总计高达 82.6%[3]。国外如此高程度的技术垄断，虽然我国也有自己的打印机品牌，但是却没有自己的核心技术，在喷墨头、激光引擎及耗材等上，并不拥有完全独立自主知识产权[4]。面对被国外品牌垄断近 30几年的、缺失议价能力、行业话语权的打印机市场，唯有自主知识产权、自主核心技术的突破，才能使这种局面成为历史。
打印机若实现打印功能，电脑配置打印机以后，还必须安装相应型号的打印机驱动程序。打印机驱动程序（Printer driver）是将计算机端所需打印输出的文件，转换成打印机能够识别且完美打印出来的支撑程序[5]。其工作流程是首先在计算机端将打印文档内容转换成打印机可识别的页面描述文件，然后再通过USB数据线等发送至打印机嵌入式控制器中，在打印嵌入式控制器中再将页面描述文件转换成可以驱动打印头打印的光栅图像[6]。在这一系列数据转换过程中，电脑端驱动内部的数据转化过程也是不可见的，研究打印机工作原理，解析打印点阵数据转换的基础上，设计一款可以基于单片机脱离 PC 机的打印系统，即不依赖于驱动程序将原始文档数据转换成点阵数据的过程，从而实现单片机系统的打印功能。此设计也为其他研究打印机应用方面提供参考思路，为中国的打印机发展贡献力量。
图象打印技术至其诞生以来，已经有了很大发展。在早期主要是公司使用打印机。当 PC 开始普及的时候，打印机开始逐步进入家用市场。而现在，又开始从传统的依赖于 PC 领域转移到非 PC 领域。这是因为，如今的非 PC 设备同样能够像 PC 设备一样支持打印功能，而且随着 PDA 之类的嵌入式设备所含信息量巨增，经常需要打印这些信息[7]。
电子技术的发展使得单片机系统的应用领域越来越广阔。针对各种领域、各种功能的单片机系统应运而生，同时由于打印机的技术的更新和成本的降低，得打印机的应用领域变得更为宽广。目前大多数打印机采用的是 USB 接口类型，但是需要通过驱动才能实现打印，无法通过 USB 接口直接读取 U 盘、移动硬盘等移动存储设备进行打印，仍需要通过与 PC 机进行交互实现打印流程。在解析在打印机指令的基础上，采用单片机系统实现这一解析过程，就可以实现非 PC机的移动存储设备的读取，数据处理，并与打印机通讯，打印存储设备内的图片信息的功能，或者可将这一系统直接内置于产品中，对实时数据进行打印。如今，各类设备都带有打印功能。机顶盒、数码相机、高档仪器等[7]。
非 PC 机的可实现打印功能给我们的工作及生活都会来带很大的方便。通过单片机实现脱离 PC 机的单独打印，拓展了单片机的应用，促进了对打印机技术的进一步研究，并且也促进了打印机的单片机控制系统开发的发展。
第一台打印机是由 Centronics 公司于 1885 年推出，由于当时技术上的不完善，并没有成功将其推广进入市场[8]。直到 1968 年 9 月日本精工株式会社推出EP-101 针式打印机，才逐步打开打印机的市场，之后打印机便进入快速发展的历程。1976 年全球第一台喷墨打印机诞生；1976 年压电式墨点控制技术问世；1980 年 8 月 Canon 公司第一次将其气泡喷墨技术应用到其喷墨打印机 Y-80，从此便开始了喷墨打印机的历史[9]；1991 年出现了第一台彩色喷墨打印机、大幅面打印机；1994 年微压电打印技术问世；1996 年 Lexmark 利用 EXCIMER氩（ARGON）氟（FLUMRINE）雷射切割技术推出全世界第一台 1200*1200dpi超高分辨率彩色喷墨打印机 Lexmark CJ7000；1998 年全球首款 7 色照片打印机Canon BJC-7100 诞生[10]；1999 年第一台不使用计算机便可打 A4 照片的彩色喷墨打印机 EpsonIP-100 横空出世；2000 年诞生第一款支持自动双面打印的彩色喷墨打印机 HP DJ970Cxi 等[11]。
打印机发展进程中，其与电脑通讯的方式也在不断改进。目前打印机的主要接口类型包括常见的并行接口、主流的 USB 接口以及专业的 SCSI 接口[12]。
在三种接口类型中，主流的 SCSI 接口的打印机由于利用专业的 SCSI 接口卡和计算机连接在一起，能实现数据量很大的交换传输速度，从而可以达到较高的打印速度。但是由于这种型号的接口在与电脑相连接时，操作比较麻烦，每次安装时必须先打开电脑的机箱箱盖，对于有些没有专用 SCSI 插槽的电脑来说，SCSI 接口类型的打印机则无法使用，因此其应用范围并不十分广泛。1994 年11 月 11 日发表 USB V0.7 版本以后，USB 版本经历了多年的发展，已经发展为 3.1 版本，成为现在电脑中的标准扩展接口[13]。USB 具有传输速度快，使用方便，支持热插拔、独立供电、连接灵活等优点，可以连接键盘、鼠标、闪存盘、打印机、充电器、扫描仪、摄像头、手机、数码相机、移动硬盘、外置光驱/软驱等，几乎所有的外部设备。USB 接口依靠其支持热插拔和输出速度快的特性，在打印机接口类型中迅速广泛应用，目前市场主流的打印机有些型号则兼具并行和 USB 两种接口。全球第一台 1200*1200dpi 超高分辨率彩色喷墨打印机 Lexmark CJ7000 采用的就是 USB 接口。此后的 HP 的彩色喷墨打印机 HPPhotosmart 7960 和照片打印机 HP Photosmart 8758 等都是采用的 USB 接口类型。
使用 Winhex 查看 U 盘扇区数据
引导区数据
根目录区扇区数据
BMP 图像数据
BMP 文件结构图
N2*N3 像素位置示例
目录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.1.1 本课题的选题背景
1.1.2 USB 接口打印机的单片机控制系统的应用
1.2 USB 接口打印机的单片机控制系统的发展状况
1.2.1 USB 接口打印机发展状况分析
1.2.2 国内外基于非 PC 机打印功能的实现方法
1.3 本系统采用的设计思想及实现的功能
1.4 本系统的研究内容
1.5 论文的主要组织结构
第二章 系统整体设计
2.1 打印机控制系统的功能要求
2.2 USB 接口打印机控制系统的总体方案
第三章 USB 接口打印机打印指令解析
3.1 USB 通讯协议
3.1.1 数据流的典型结构及其管理
3.1.2 数据流的传输类型及标准设备管理
3.2 打印机打印指令数据采集
3.2.1 USB 数据分析仪选用
3.2.2 打印机打印指令数据采集
3.3 与 USB 接口打印机通讯指令解析
第四章 打印机监控系统的硬件设计
4.1 主控板硬件芯片选型
4.1.1 MCU 的选用
4.1.2 USB 总线芯片选择
4.1.3 扩展外部存储器芯片选型
4.2 主控板硬件设计
4.2.1 电源设计
4.2.2 USB 总线芯片与接口电路设计
4.2.3 扩展外部数据存储器电路设计
第五章 图像数据解析及点阵数据转换
5.1 基于 USB 主机的 U 盘文件系统
5.1.1 保留扇区数据解析
5.1.2 FAT 文件系统
5.2 BMP 位图文件扇区数据预处理
5.2.1 BMP 文件图形扇区数据分析
5.2.2 位图文件数据解析
5.3 打印指令格式解析实现
5.3.1 文件解析技术
5.3.2 打印机的点阵文件内容及其格式解析
5.3.3 U 盘扇区数据到打印指令的转换
第六章 打印机监控系统的软件环境搭建
6.1 单片机对原始扇区数据处理
6.2 与 USB 接口打印机的通讯实现
6.3 扇区数据至打印指令的转换
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
致谢
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