USB打印机打印系统（PCL指令喷墨打印机）

摘 要

　　近年来，随着打印机技术的不断发展，打印系统的集成度越来越高，打印机控制方式也呈现多元化趋势。单片机技术的不断发展为实现非 PC 端控制打印提供了可能，通过单片机实现直接对文件进行数据转换进而控制打印机的方式，与传统计算机端打印系统控制方式相比，扩宽了打印机的应用范围。因此，本文针对基于单片机的 USB打印机打印系统作出了相关研究。

　　本文通过打印机在 Windows 环境下打印流程的基础上，分析打印驱动系统的组成和功能，并提出实现基于单片机的打印系统研究的流程。本课题选用 PCL 指令的喷墨打印机作为打印系统的研究对象，以打印机相关技术为基础，对光栅打印指令数据进行解析。同时，对常见位图数据文件和打印数据进行分析，推导打印文档的转换方法，并搭建了基于 Labview、Matlab 和 Access（简称 L-M-A）混合编程的数据转换平台。借助转换平台进行在线模拟打印测试，最后将转换程序移值至单片机系统中实现打印任务。论文的主要研究工作主要包括以下三个方面：

　　首先，本文对打印机打印系统的组成进行了概述，在深入分析Windows 打印系统的基础上，研究打印驱动系统的组成和功能。使用USB 总线分析工具搭建打印数据监测平台，实现在 Windows 环境下对打印文档转换数据的采集。结合对打印机指令数据的解析和 USB通讯规范的学习，完成对打印系统中打印数据流的分析。

　　其次，对常见位图打印文件数据和光栅打印数据进行深入的研究，分析并总结打印数据压缩和转换的处理过程。通过参考喷墨打印驱动程序的转换过程，搭建基于 L-M-A 的混合数据转换平台上位机部分，编写转换程序实现目标文件直接向打印数据的转换任务。

　　最后，本文根据对打印系统的研究，设计并实现了基于单片机对打印机的控制硬件系统。该系统选用 STM32F407 单片机为主控芯片，可实现单片机在 HOST 模式下与 USB 设备的通讯。将 L-M-A 平台的转换程序移植至单片机，最终实现通过单片机进行对文档的直接处理并进行打印。

　　最终测试表明，本文设计的打印系统可实现单片机对 U 盘文件的读取和文件信息预览，并能够在单片机内部完成高速的文件数据处理和存储，完成对特定文件的直接打印。此外，在线打印测试系统也可实现开发者进行自定义打印数据图像的应用端打印。

　　本文经对打印系统的研究，提出并设计的单片机对打印机的控制系统，为打印机开发者实现打印机的多元化控制方式提供参考，使国产打印机自主控制成为可能。该控制方式显着降低了系统的控制成本，针对特定打印需求提供低成本的控制方案。但是课题研究过程中仅针对喷墨打印控制系统进行了研究，故存在的诸多问题需要进一步讨论和解决，包括彩色文档的转换及压缩转换方法等。

　　关键字： 图像打印 喷墨打印机 USB 接口

ABSTRACT

　　In recent years, with the continuous development of printer technology, the integration of printing system is getting higher, and the printer control also presents a diversified trend. SCM technology for the continuous development of non-PC-side printing provides a possibility to control the print directly,through the SCM data conversion method for the file. And this way that can wider use of the printer compared to the traditional computer-side printing system . Therefore, this paper aimed at the realization of USB printer based on single-chip printer system has made relevant research.

　　Based on the understanding of printing process in Windows environment, this paper not only analyzes the composition and function of print driver system, but puts forward the process of research on printing system based on single chip computer. In this paper, raster printer with PCL instruction is chosen as the research object of the printing system, and the data of raster printing instruction based on official instruction manual and USB communication technology is analyzed.

　　Based on the analysis of common bitmap data and raster print data, the conversion method of print data is deduced. A conversion and test platform based on Labview / Matlab / Access (L-M-A) mixed programming is constructed to complete the reading, transforming,transferring and printing of the printing data. Finally, this paper introduces the test process of the simulation printing test system. The main research work of this paper includes the following three aspects: First of all, this paper makes an overview of the composition of the printer system. Based on the in-depth analysis of the Windows printing system, the composition and function of the print drive system is studied. Using USB bus analysis tools to build print data monitoring platform, we achieve to drive conversion data acquisition in the Windows environment. Linked with the analysis of the data of the printer and the USB communication standard, the analysis of the data flow of the printing system is completed.

　　Secondly, the paper analyzes and summarizes the processing of data compression and conversion based on the analysis of the data of common bitmap files and the research of raster printing. Referring to the conversion process of the ink jet printer driver, the host computer part of the hybrid data conversion platform based on L-M-A is built as to achieve the conversion task of the target file directly to the print data Finally, according to the study of the printing system, the paper designs and implements the SCM printer control system based on communication research, develops process of USB printer class, selects STM32F407, and achieves the communication of MCU in HOST mode and USB device. At the same time, through the building of the L-M-A hybrid test platform, it achieves the conversion platform of online test print data.

　　The final test shows that the print SCM system designed in this paper can be realized directly to the reading of U-disk file and the preview of file information, be able to complete the high-speed processing and data storage in MCU, and can realize the direct printing ofa specific file. in addition, the online print test achieves developers to customize image printing.

　　In this paper, the design and design of the printer's printer control system for printer developers to achieve a variety of printer control mode to provide a reference. The control method significantly reduces the control cost of the system. However, the study of inkjet print control system is only in the process of study, so many problems need to be discussed and resolved, including the conversion of printing data and compression.

　　Key words: Image printing Ink jet printer USB interface

　　随着计算机技术的高速发展，控制系统集成度越来越高，办公设备不断更新换代并逐渐趋于智能化，办公设备间的数据传输和控制方式也日趋多元化。其中，随着单片机技术和打印机技术完美结合，打印机控制技术得到了广泛的研究和应用。然而，在世界范围内打印机市场的发展并不平衡，相比于欧美、日本等发达国家，HP、Epson 及 Canon 等热门品牌在打印机市场的占有率大约有 70%的份额。

　　国外打印机市场近乎垄断的发展现状，使的国内打印机品牌的发展面临巨大的压力[1]。在国内，与打印机相关的诸多关键技术仍无法到达国外水平，例如喷墨头、激光引擎及耗材等。面对打印机市场垄断压力，唯拥有完全独立的核心技术的突破才能在打印机市场占有更高的份额。

　　据可靠的统计数据表明，打印机的销量以接近8%的平均速度在增加。从1885年全球第一台打印机的出现，到后来各种各样的针式打印机、喷墨打印机和激光打印机[2]。不同打印机厂商对打印系统的开发虽然不尽相同，但其打印控制方式却是大同小异，传统打印系统的原理是通过将计算机的文档转换成数据或中间结果以人所能识别的符号、字母和图形等，依照设定的格式打印在纸上。近年，随着对打印速度和打印质量的需求不断升高，打印机控制端设备正在向轻、薄、短、小、低功耗、高速度和智能化方向发展[3]。此外，USB 技术在打印机接口上的应用，使得打印机接口通用性得以提升，并凭借其插拔灵活、成本低廉和实时性高的优势，得到开发者的广泛应用。

　　传统打印方式是通过 PC 端实现对打印机控制，其打印流程是首先根据不同的打印机型号在 PC 端安装打印机驱动程序，再由本地应用程序发出打印请求，打印驱动系统通过调用相关函数进行打印文件的数据处理，发送到假脱机系统中等待合适的时间被解析成具体的指令和数据，最后由本地端口监视器将解析过的数据流通过它所控制的端口发送到与之相连的打印机并最终完成完整的打印过程。虽然现在部分打印驱动可以通过将打印机打印驱动程序移植到不同的操作系统或平台中[4]，实现脱 PC 打印，但在特定的应用场合此种方式的开发费用及技术要求都较高，且无法实现所有打印机通用，对硬件资源也会造成很大的浪费。

　　此外，移植打印机驱动系统的打印方式可能无法达到预想效果且对专业能力要求很高，此种方式也缺乏对打印系统的深入研究。基于此，基于单片机的 USB 打印机打印系统的研究是非常有必要的。

　　打印机是计算机系统输出文字和图形的重要设备，使用打印机可以将需要的文字和图形从计算机中输出，显示在各种纸样上[5]。打印机的应用普及，伴随着打印机技术日新月异，向着轻、小、低功耗、高速度和智能化方向发展。打印机在诸多领域发挥作用，从原来只打印字符和简单图形发展到可以打印多功能彩色图形，例如图像打印、文件输出、工业绘图等。

　　常见的打印机按照打印原理可分类为：针式打印机、激光打印机和喷墨打印机等几种。其中，传统喷墨打印机是通过将数据文件经计算机驱动运算和转换处理成人们所能识别的数字、字母、符号和图标等光栅数据，其次依照打印机公司预定义的打印机指令，打印机内置的控制器将数据进行解码和压缩，电机按照规则执行机械运动，打印过程中打印机墨盒先产生小墨滴，再利用喷墨头把细小的墨滴导引至设定的位置上。字符点的分辨率越高，印字质量和清晰也高。在使用过程中可灵活方便地改变字符尺寸和字体。广泛应用的喷墨技术有电荷控制型（高压型）和随机喷墨型（负压型），以及后来又出现的干式喷墨印刷技术。喷墨打印机按工作原理可分为固体喷墨和液体喷墨两种，而液体喷墨方式又可分为气泡式与液体压电式[6]。市场上常见喷墨打印机品牌有爱普生、佳能和惠普等。

　　针式打印机相对其他的打印机有成本低廉和宽幅面打印等优点，但因为其打印质量较差且打印过程产生的噪音较大的缺点，导致它无法完成高质量和高速度的打印任务。因此现在针式打印机逐渐被办公场所所淘汰，如今基本只有在发票报表及票据的打印中使用，还有一种微型针式打印机，在银行、超市等单位应用比较广泛。目前打印机市场上最常见的针式打印机品牌有映美、爱普生和得实等[7]。

　　本毕业设计共分为七个章节，具体如下：

　　第一章即绪论部分，主要介绍课题的研究背景和研究意义，并概述了打印系统的发展现况和趋势，同时陈述了本课题研究的主要内容。

　　第二章打印机系统设计。阐述了 Windows 环境下打印系统的打印流程，并对打印驱动进行介绍；提出单片机控制的打印控制的功能要求，确定基于单片机的打印系统设计的整体方案。

　　第三章PC 端 USB 总线监测及解析。概述 USB 总线规范，搭建总线数据监测平台，采集原始的打印数据并对光栅指令数据进行分析。

　　第四章打印文件解析和光栅打印。对常见位图文件进行数据结构和文件解析，并对光栅打印流程进行研究。

　　第五章打印机控制系统设计。根据打印系统的功能要求，设计并实现基于单片机的打印机控制系统的软硬件设计。

　　第六章模拟打印系统测试。根据测试要求，搭建在线测试系统优化数据转换程序，最终实现基于单片机的打印控制系统测试。

　　第七章总结与展望。对课题研究成果做出总结和展望。

　　USB打印机打印系统在线测试：

在测试平台框架图

上位机界面

串口监测界面截图

数据监测平台实验图

目录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题研究的背景和意义
　　　　1.2 打印系统的发展状况
　　　　　　1.2.1 打印机发展概述
　　　　　　1.2.2 打印系统国内外现况
　　　　　　1.2.3 打印机通讯接口
　　　　1.3 本课题研究的内容
　　　　1.4 论文的组织结构.
　　　　1.5 本章小结
　　第二章 打印系统研究与设计
　　　　2.1 打印系统研究
　　　　　　2.1.1 打印系统概述.
　　　　　　2.1.2 Windows 打印流程
　　　　　　2.1.3 打印驱动分析
　　　　　　2.1.4 打印系统研究流程
　　　　2.2 基于单片机的打印系统的整体方案
　　　　　　2.2.1 系统功能要求
　　　　　　2.2.2 系统方案确定
　　　　2.3 在线打印测试系统
　　　　　　2.3.1 系统的设计要求
　　　　　　2.3.2 系统方案确定
　　　　2.4 本章小结
　　第三章 PC 端 USB 总线监测及解析
　　　　3.1 USB 总线规范
　　　　　　3.1.1 USB 规范及系统组成
　　　　　　3.1.2 USB 总线数据结构
　　　　3.2 总线数据采集与分析
　　　　　　3.2.1 USB 总线监测平台
　　　　　　3.2.2 总线数据分析
　　　　3.3 打印指令语言解析
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 打印数据转换研究
　　　　4.1 常见位图文件解析
　　　　4.2 光栅打印
　　　　4.3 打印测试上位机设计
　　　　　　4.3.1 L-M-A 混合编程
　　　　　　4.3.2 数据库操作
　　　　4.4 本章小结
　　第五章 打印机控制系统设计
　　　　5.1 系统整体方案
　　　　5.2 硬件设计
　　　　　　5.2.1 MCU 的选用
　　　　　　5.2.2 触摸屏模块
　　　　　　5.2.3 Flash 存储器
　　　　　　5.2.4 USB HS PHY
　　　　5.3 软件实现
　　　　　　5.3.1 USB 驱动程序
　　　　　　5.3.2 Flash 数据访问
　　　　　　5.3.3 光栅数据转换
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 模拟打印系统测试
　　　　6.1 在线打印测试
　　　　　　6.1.1 人机交互界面
　　　　　　6.1.2 串口监测模块
　　　　6.2 打印试验平台
　　　　6.3 本章小结
　　第七章 总结与展望
　　　　7.1 本课题所做的研究工作
　　　　7.2 工作展望
　　参考文献
　　在校期间发表论文情况
　　致谢

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