高解析噴碼機中的USB數據傳輸系統

鄭鵬斌，文繼國

（成都信息工程學院 電子工程學院，四川 雙流 610225）

隨著社會的不斷發展，消費者對產品真實信息的標注要求越來越高，具有極大信息容量和極強糾錯功能的二維碼具有廣闊的應用前景。在標識領域，傳統噴碼機在噴涂二維碼時噴頭打印速度快，但數據傳輸速度慢而存在不匹配的問題，打印二維碼比較困難。應用于數據傳輸方面的USB接口有高速、易用、穩定、價格低廉、支持熱插拔等優點[1]，因而被廣泛用作為各種電子設備與PC的通信接口。

文中在設計噴碼機的數據傳輸接口時采用USB接口，實現了快速地傳輸二維碼圖片。此外，在固件程序設計中，一系列數據通信協議的軟件實現保證了傳輸的可靠性和穩定性，上位機程序中的選擇功能保證了噴頭能識別傳送的數據，從而準確地打印圖片。實測結果表明，此數據傳輸系統滿足了二維碼圖片的傳輸要求。

1 USB通信模型

USB設備在物理上通過一條連線與主機相連，所有的設備都公用這條物理連線。邏輯上說，每個與主機相連的設備都由主機分配了一個邏輯連接點，主機與設備的通信為點對點的方式。為了使USB通信機制更加細化，建立USB協議的廠商們對USB進行了分層，根據不同層次的實現者對USB的不同要求，把每一層傳輸的數據結構設計為對其他邏輯層是透明的。圖1表示了USB設備和USB主機通信的邏輯結構和邏輯通道。

圖1 USB傳輸模型Fig.1 The transmission model based on USB

圖中，功能層的主要作用是實現主機和驅動程序、主機和設備端的功能接口的有用信息傳輸。在該層客戶應用軟件只需要考慮如何實現具體設備功能即可，不需要了解USB的相關內容。設備層包括USB的系統設備驅動軟件和USB設備的通訊的軟硬件部分。他們的關系也為邏輯上的對應關系。開發USB設備驅動軟件和USB設備的通信軟硬件的工程師應該知道USB系統的基本通訊協議。接口層用來實現在主機和USB設備的物理連接之間傳輸位信息流信息。

2 芯片選擇

噴碼機的構成框圖如圖2所示。主要由主機，MCU，USB傳輸芯片，靜態存儲器，噴頭幾個部分構成。MCU通過USB傳輸芯片與主機進行通信，接受主機傳送的數據和命令，同時把噴頭的狀態等數據傳送給主機。由于噴頭一次打印需要16個字節組成一列，實時傳輸滿足不了要求，所以MCU把主機傳送的大量圖片數據先存入靜態存儲器，數據傳輸完畢后，MCU再逐次讀取數據并傳送給噴頭，在噴頭時序控制器的協同作用下進行打印。在本系統中采用的MCU是P89C60X2，USB傳輸芯片是PDIUSBD12。

圖2 噴碼機的組成框圖Fig.2 The physical structure of printer

P89C60X2由菲利普公司采用靜態80C51設計，包含以下特性：1）512字節RAM，64K字節flash存儲器，布爾處理器。2）在系統編程功能的片內flash程序存儲器。3）每個機器周期為12個時鐘周期，可通過軟件或者并行編程器選為6時鐘模式。4）全雙工增強型UART，包含幀錯誤檢測和自動地址識別。5）3個保密位，4個8位I/O口，6個中斷源和4個中斷優先級。相對于其他單片機，P89C60X2在此系統中的應用具有以下優勢：

①雙DPTR結構。兩個16位DPTR寄存器可以尋址外部存儲器，這種雙DPTR結構使編程更加靈活，使得主機更方便訪問外部數據存儲器。

②雙時鐘模式。時鐘模式特性使器件的操作頻率設為1/12或1/6振蕩器頻率。根據需要選擇模式，使MCU工作效率更高。

③特殊RAM。內置部分RAM可以當做外部數據存儲器，訪問速度快。

④與USB傳輸芯片PDIUSBD12同為菲利普公司生產，更加容易配合使用。

PDIUSBD12是一款性價比很高的USB器件[2]。此芯片是帶有并行總線和局部DMA傳輸能力的全速USB接口器件。片內集成了高性能USB接口器件、SIE、FIFO存儲器、收發器以及電壓調整器等，可與任何外部微控制器/微處理器實現高速并行接口。PDIUSBD12完全符合USB1.1版的規范[3]，可理想地用于許多外部設備。

3 硬件設計

圖3為P89C60X2與PDIUSBD12的連接簡圖。PDIUSBD12芯片的數據口（1-4腳及6-9腳）通過數據總線依次與P89C60X2的P0口（39-32腳）相連；D12的寫信號腳（16腳）與 MCU的P3.6口（16腳）相連；D12的讀信號腳（15腳）與 MCU的 P3.7口（17腳）相連；D12的片選信號腳（11腳）通過譯碼器與MCU相連；P0口通過鎖存器輸出的A0地址線直接與D12的A0地址線 （28腳）相連；D12的中斷口（14 腳）與 MCU 的外部中斷 0（12 腳，P3.2）相連。

圖3 P89C60X2與PDIUSBD12連接簡圖Fig.3 The basic physical interfaces between P89C60X2 and PDIUSBD12

4 軟件設計

USB通信的軟件部分由上位機程序和下位機程序兩部分構成，上位機程序包括客戶應用程序和USB驅動程序，下位機程序為MCU固件程序。

4.1 上位機程序

要使USB設備和PC機的數據傳輸正常工作，需要在PC機端安轉相應的應用程序，此設計使用了廣州周立功發展有限公司提供的D12驅動程序和EasyUSB動態庫：EasyD12.dll。EasyD12.dll動態連接庫集成了對PDIUSBD12的主要軟件操作，不必要了解復雜的USB協議也可以快速的完成USB的PC端的應用軟件的開發。下面是EasyD12的庫函數說明：

EasyUSB庫[4]一共有 3個文件，包括 EasyUSB.lib，Easy USB.dll，EasyUSB.h。動態庫是MicrosoftWindows的接口標準，流行的軟件開發工具均可使用。本設計中采用界面容易設計、實時性好的軟件開發工具LabVIEW。

應用程序進行圖片傳輸完成的工作如下:1）對所傳圖片的合法性進行檢測。圖片必須為128行的黑白BMP圖片，如若不滿足條件，則報錯。2）對圖片數據進行分塊。USB每次只能傳送64字節的數據，除去控制信息，每次只能傳送60字節的圖像數據。3）對每一塊傳輸的成功性進行檢測。只有當前塊數據確認傳輸成功后，才能傳輸下一塊數據。

4.2 下位機程序

MCU通過讀寫外部數據存儲器的方式與D12進行數據交換。D12有數據請求時就發送中斷信號給MCU，MCU響應中斷之后，通過讀取D12相關寄存器，根據讀取狀態，進行相應操作。

固件程序主循環流程圖如圖4所示[5]，圖中端點1用來傳送上位機的各種噴碼參數和命令及狀態信息，端點2用來傳送打印數據。為了保證數據能夠快速準確地傳輸，需要在主機與MCU之間制定一系列的數據傳輸協議[6]，具體如下：

1）端點 1

圖4 固件程序主循環流程圖Fig.4 The flow diagram of main program's firmware

[8，T1，N1，M1]為 4 字節寫入信息，表示獲取噴頭狀態。T1，N1，M1 是 3 個字節預置數。 噴頭回答[8，T2，N2，M2]為 4字節返回信息。若N2=N1，M2=M1，則 T2有效。T2=2或T2=12表示噴頭處于“等待接收數據”狀態；T2=3或T2=13表示噴頭處于“正在接受數據”狀態。

[9，n，x0，x1，x2·····]傳送噴印參數和命令及狀態。 例如[9，0，1]表示開噴頭箑 5V 電源；[9，0，0]表示關電源；讀狀態命令 [9，9]表示讀計數器，USB 回送數據為[9，JSQW5，JSQW4，JSQW3， JSQW2， JSQW1， JSQW0]，程序如下：

If（GenEpBuf[0]==9）

{

Switch（GenEpBuf[1]）

{

case0:

If（ GenEpBuf[2]==0）

{

#pragma ASM

SETB P1.0

#pragma ENDASM

}

else

{

#pragma ASM

CLR P1.0

#pragma ENDASM

}

break；

case 9:

GenSendBuf[0]=9；

GenSendBuf[1]=JSQW5；

GenSendBuf[2]=JSQW4；

GenSendBuf[3]=JSQW3；

GenSendBuf[4]=JSQW2；

GenSendBuf[5]=JSQW1；

GenSendBuf[6]=JSQW0；

D12_WriteEndpoint（3，7， GenSendBuf）；

break；

……

}

}

2）端點 2

①[4，0，0，0]為 4 字節寫入信息，表示結束等待，開始寫入一組噴印數據。噴頭回答[4，0，0，0]為4字節返回信息。

②[1，addh，addi，len，byte（1），byte（2）······，byte（len-1）]為4+len字節寫信息，表示把len字節的數據寫入噴頭緩沖區，len小于或者等于60。addh，addl為寫入的第一字節數據的地址，len為寫入的數據字節數。噴頭回答[3，0，0，0]為4字節返回信息，表示前面寫入的數據超出了可用緩沖區，有效緩沖區的長度為32768字節。噴頭回答[1，addh2，addl2，len]為4字節返回信息，表示前面寫入的數據有效，其中addh2，addl2為收到的最后一個數據的下一個字節的地址，len為收到的數據字節數，即addh2*256+addl2-addh1*256-addl1=len。

③[5，0，0，0]為 4字節寫信息，表示一組噴印數據寫結束。 噴頭回答[5，0，0，0]為 4 字節返回信息。

5 系統測試

進行測試時，首先打開上位機應用軟件和給下位機上電，上位機收到下位機傳送的“系統已準備完畢”的提示信息后，就可以進行圖片的傳輸。在上位機中載入符合條件的圖片，如果圖片不符合條件，則報錯“圖片不滿足傳輸條件”，載入成功后，點擊發送按鈕，傳輸完成后應用軟件給出“圖片發送完畢”的提示，如圖5所示。在多次實驗中，系統都能準確快速地傳送二維碼圖片。

圖5 測試界面圖Fig.5 Test interface

6 結束語

本文介紹的高解析噴碼機[7]中的USB數據[8]傳輸系統采用價格比較低廉的芯片，經過合理的硬件設計和軟件編寫，滿足了二維碼圖片的傳輸要求。該系統已用于某噴碼機的數據傳輸，應用結果表明該數據傳輸系統具有傳輸速度快，可靠穩定的特點，達到了設計的要求。

[1]胡曉軍，張愛成.USB接口開發技術[M].1版.西安:西安電子科技大學出版社，2005.

[2]周立功.PDIUSBD12USB固件編程與驅動開發[M].北京:北京航空航天大學出版社，2003.

[3]陳啟美，丁傳鎖.計算機USB接口技術[M].1版.南京:南京大學出版社，2003.

[4]肖踞雄，翁鐵成，宋中慶.USB技術及應用設計[M].北京：清華大學出版社，2003.

[5]楊金巖，鄭應強，張振仁.8051單片機數據傳輸接口擴展技術與應用實例[M].1版.北京:人民郵電出版社，2005.

[6]徐愛鈞，彭秀華.單片機高級語言C51應用程序設計[M].北京:電子工業出版社，2001.

[7]王宏文，黃金蘭，董苗.流水線上嵌入式噴碼機系統設計[J].現代電子技術，2014（9）：107-110.WANF Hong-wen，HUANG Jin-lan，DONG Miao.Design of embedded ink-jet printer system in production line[J].Modern Electronics Technique，2014（9）：107-110.

[8]孫學君，白譜偉.數字合成掃頻儀USB2.0接口設計[J].電子科技，2012（5）：73-75.SUN Xue-jun，BAI Pu-wei.Designs of the USB2.0 interface of the digital synthetic sweeper[J].Electronic Science and Technology，2012（5）：73-75.