基于FPGA與VHDL的微型打印機的驅動(dòng)設計

　　引 言

　　FPGA 即現場(chǎng)可編程邏輯陣列。是在CPLD 的基礎上發(fā)展起來(lái)的新型高性能可編程邏輯器件。FPGA的集成度很高，其器件密度從數萬(wàn)門(mén)到數千萬(wàn)門(mén)不等，可以完成極其復雜的時(shí)序與組合邏輯電路功能,適用于高速、高密度的高端數字邏輯電路設計領(lǐng)域。新一代的FPGA 甚至集成了中央處理器( CPU ) 或數字處理器( DSP) 內核，在一片FPGA 上進(jìn)行軟硬件協(xié)同設計，為實(shí)現片上可編程系統( SOPC) 提供了強大的硬件支持。對微型打印機的驅動(dòng)，傳統方法是使用單片機是實(shí)現對其的時(shí)序控制。隨著(zhù)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(shí)現FPGA 對微型打印機的時(shí)序控制。

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

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

　　1 微型打印機簡(jiǎn)介

　　RD DH 型微型打印機采用熱敏加熱點(diǎn)陣打印方式，是一款體積小，打印速度快的打印輸出設備。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(diǎn)/ mm，384 點(diǎn)/ 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(gè)。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(xiàn)雙排插座引腳序號如圖1 所示。此26 個(gè)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

　　對打印機的驅動(dòng)主要是對其工作時(shí)序進(jìn)行正確的控制，RD DH 型并行接口定時(shí)圖如圖2 所示。

　　圖2 并行接口定時(shí)圖

　　2 總體系統設計

　　使用Altera 公司的Cyclon ?系列的FPGA 芯片EP3C25Q240C8N 實(shí)現對RD DH 型微型打印機的硬件電路控制，使用Quar tus 開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)VHDL 語(yǔ)言實(shí)現對微型打印機的軟件功能實(shí)現。

　　2. 1 硬件電路設計

　　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(gè)數據位，他們的邏輯“1”表示高電平，邏輯“0”表示低電平; STB 為數據選通觸發(fā)脈沖，下降沿時(shí)讀入數據; ACK 為回答脈沖，低電平表示數據已被接受; BUSY 為高電平時(shí)表示打印機正忙，此時(shí)不接收數據。

　　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(gè)信號作為FPGA 的輸入信號時(shí)，要進(jìn)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 軟件設計

　　軟件平臺采用Altera 公司的FPGA 開(kāi)發(fā)平臺Quartus 。

　　Quartus 提供了一種與器件結構無(wú)關(guān)的設計環(huán)境，設計者不需要精通器件的內部結構，只需要運用自己熟悉的輸入工具( 如原理圖輸入或數字電路描述語(yǔ)言輸入) 進(jìn)行設計，利用Quar tus 可以將這些設計轉換為最終結構所需要的格式。有關(guān)結構的詳細知識已寫(xiě)入開(kāi)發(fā)工具軟件，設計人員無(wú)需手工優(yōu)化自己的設計。軟件的開(kāi)發(fā)流程如圖4 所示。

　　圖4 軟件開(kāi)發(fā)流程圖

　　使用VHDL 硬件描述語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行軟件設計。

　　對微型打印機的驅動(dòng)主要是對其工作時(shí)序進(jìn)行正確的控制，利用VHDL 常見(jiàn)的狀態(tài)機來(lái)實(shí)現對打印機的工作時(shí)序的控制，根據時(shí)序圖1 所示的時(shí)序，狀態(tài)機使用4 個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)轉換圖如圖5 所示。

　　初始狀態(tài)STA TE0 時(shí)，數據選通觸發(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”) ，轉入下一狀態(tài)STAT E1,否則( busy = “1 ” ) 繼續執行ST AT E0; 在狀態(tài)STAT E1，將數據寫(xiě)入打印機，直接轉入下一狀態(tài); 在狀態(tài)STAT E2，將數據選通觸發(fā)脈沖信號STB 置“0” ，打印機讀數據，轉入下一狀態(tài); 在狀態(tài)ST ATE3，檢測數據是否已經(jīng)被接受，若數據已被接受( ACK = “0” ) ，打印機轉入初始狀態(tài)ST AT E0，等待接受新數據，若數據未被接受( ACK = “1” ) ，繼續執行STAT E3 直到數據被接受。

　　圖5 狀態(tài)轉換圖

　　3 結 語(yǔ)

　　使用FPGA 與V HDL 硬件描述語(yǔ)言設計的微型打印機驅動(dòng)，通過(guò)系統調試能夠完成對打印機的時(shí)序控制，目前已經(jīng)在某型測試儀中正常使用。該設計系統控制簡(jiǎn)單，抗干擾性強，可靠性高，移植性較好，能夠用于任何使用FPGA 芯片的系統中，具有一定的應用前景。