基于FPGA與VHDL的微型打印機的驅(qū)動設(shè)計

　　引 言

　　FPGA 即現(xiàn)場可編程邏輯陣列。是在CPLD 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型高性能可編程邏輯器件。FPGA的集成度很高，其器件密度從數(shù)萬門到數(shù)千萬門不等，可以完成極其復(fù)雜的時序與組合邏輯電路功能,適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計領(lǐng)域。新一代的FPGA 甚至集成了中央處理器( CPU ) 或數(shù)字處理器( DSP) 內(nèi)核，在一片F(xiàn)PGA 上進行軟硬件協(xié)同設(shè)計，為實現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)( SOPC) 提供了強大的硬件支持。對微型打印機的驅(qū)動，傳統(tǒng)方法是使用單片機是實現(xiàn)對其的時序控制。隨著FPGA 在各領(lǐng)域的普及使用，以及對微型打印機的需要，因此要實現(xiàn)FPGA 對微型打印機的時序控制。

　　當前各ASIC 芯片制造商都相繼開發(fā)了用于各自目的的HDL 語言，但是大多數(shù)都為標準化和通用化。惟一被公認的是美國國防部開發(fā)的VHDL 語言，它已成為IEEE ST D_1076 標準。另外從近期HDL語言發(fā)展的動態(tài)來看，許多公司研制的硬件電路設(shè)計工具業(yè)都逐漸向VHDL 語言靠攏，使得他們的硬件電路設(shè)計工具也能支持VHDL 語言。

　　VHDL 語言可以支持自上而下和基于庫的設(shè)計方法，而且還支持FPGA 的設(shè)計。

　　1 微型打印機簡介

　　RD DH 型微型打印機采用熱敏加熱點陣打印方式，是一款體積小，打印速度快的打印輸出設(shè)備。該型打印機可采用標準并行接口，RS 232 串行接口，T TL電平串口，485 接口，USB 接口，打印速度達到50 m/ s,分辨率為8 點/ mm，384 點/ 行，打印紙張采用57 mm熱敏紙?？纱蛴鴺艘?、二級漢字庫中全部漢字和西文字、圖標共8 178 個。微型打印機并行接口與CENTRONICS標準接口兼容，可直接由微機并口或單片機控制。其26 線雙排插座引腳序號如圖1 所示。此26 個并口各引腳信號定義如表1 所示。

　　圖1 雙排插座引腳序號

　　表1 微型打印機26 并口各引腳定義

　　對打印機的驅(qū)動主要是對其工作時序進行正確的控制，RD DH 型并行接口定時圖如圖2 所示。

　　圖2 并行接口定時圖

　　2 總體系統(tǒng)設(shè)計

　　使用Altera 公司的Cyclon ?系列的FPGA 芯片EP3C25Q240C8N 實現(xiàn)對RD DH 型微型打印機的硬件電路控制，使用Quar tus 開發(fā)工具，通過VHDL 語言實現(xiàn)對微型打印機的軟件功能實現(xiàn)。

　　2. 1 硬件電路設(shè)計

　　如圖3 所示為打印機與FPGA 的連接示意圖。

　　DATA 1~ DATA8 表示打印機的8 個數(shù)據(jù)位，他們的邏輯“1”表示高電平，邏輯“0”表示低電平; STB 為數(shù)據(jù)選通觸發(fā)脈沖，下降沿時讀入數(shù)據(jù); ACK 為回答脈沖，低電平表示數(shù)據(jù)已被接受; BUSY 為高電平時表示打印機正忙，此時不接收數(shù)據(jù)。

　　由于 ACK 和BUSY 輸出的是5 V 的TT L 電平，而FPGA 的I/ O 口標準為3. 3 V LVCMOS 電平，因此這兩個信號作為FPGA 的輸入信號時，要進行分壓，保證電路正常運行。

　　圖3 FPGA 與打印機連接示意圖

　　2. 2 軟件設(shè)計

　　軟件平臺采用Altera 公司的FPGA 開發(fā)平臺Quartus 。

　　Quartus 提供了一種與器件結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計環(huán)境，設(shè)計者不需要精通器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需要運用自己熟悉的輸入工具( 如原理圖輸入或數(shù)字電路描述語言輸入) 進行設(shè)計，利用Quar tus 可以將這些設(shè)計轉(zhuǎn)換為最終結(jié)構(gòu)所需要的格式。有關(guān)結(jié)構(gòu)的詳細知識已寫入開發(fā)工具軟件，設(shè)計人員無需手工優(yōu)化自己的設(shè)計。軟件的開發(fā)流程如圖4 所示。

　　圖4 軟件開發(fā)流程圖

　　使用VHDL 硬件描述語言來進行軟件設(shè)計。

　　對微型打印機的驅(qū)動主要是對其工作時序進行正確的控制，利用VHDL 常見的狀態(tài)機來實現(xiàn)對打印機的工作時序的控制，根據(jù)時序圖1 所示的時序，狀態(tài)機使用4 個狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5 所示。

　　初始狀態(tài)STA TE0 時，數(shù)據(jù)選通觸發(fā)脈沖信號STB 置“1” ( 高電平) ，檢測打印機是否正忙，如果打印機為空閑狀態(tài)( busy= “0”) ，轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)STAT E1,否則( busy = “1 ” ) 繼續(xù)執(zhí)行ST AT E0; 在狀態(tài)STAT E1，將數(shù)據(jù)寫入打印機，直接轉(zhuǎn)入下一狀態(tài); 在狀態(tài)STAT E2，將數(shù)據(jù)選通觸發(fā)脈沖信號STB 置“0” ，打印機讀數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入下一狀態(tài); 在狀態(tài)ST ATE3，檢測數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被接受，若數(shù)據(jù)已被接受( ACK = “0” ) ，打印機轉(zhuǎn)入初始狀態(tài)ST AT E0，等待接受新數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)未被接受( ACK = “1” ) ，繼續(xù)執(zhí)行STAT E3 直到數(shù)據(jù)被接受。

　　圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　3 結(jié) 語

　　使用FPGA 與V HDL 硬件描述語言設(shè)計的微型打印機驅(qū)動，通過系統(tǒng)調(diào)試能夠完成對打印機的時序控制，目前已經(jīng)在某型測試儀中正常使用。該設(shè)計系統(tǒng)控制簡單，抗干擾性強，可靠性高，移植性較好，能夠用于任何使用FPGA 芯片的系統(tǒng)中，具有一定的應(yīng)用前景。