Research on Protection Circuit of Printer Core
胡利国(福建联迪商用设备有限公司，福建福州350001)
Hu Li-guo(Fujian LANDI Commercial Equipment Co.,Ltd,Fujian Fuzhou350001)
摘要：目前的票据打印主要有针式打印和热敏打印两种，这两种打印方式虽然原理不同，但在打印过程中都需要提供大功率驱动打印头。打印头只能持续工作毫秒时间以内，超时必须关闭，否则会因发热过大而烧毁打印头。一张完整的票样是分成若干次打印的，只是这个切换过程可以做到很平顺，让人感觉是连续进行的。因此必须在打印机芯外围加入超时关断机制，防止因软件跑飞等故障引起异常持续工作而烧毁打印头。该文介绍几种验证可靠的超时关断机制。
关键词：打印；机芯；死机；跑飞；过热；烧毁；超时关断
中图分类号：TP334.8文献标识码：A文章编号：1003-0107(2021)04-0021-05 Abstract:At present,there are mainly two kinds of bill printing:needle printing and thermal printing.Although the principles of these two printing methods are different,they need to provide high-power driving print head in the printing process.The print head can only work within millisecond,and it must be turned off,otherwise it will burn
down.A complete sample is printed several times,but the switching process can be very smooth, making people feel that it is continuous.Therefore,it is necessary to add a timeout shutdown mechanism to the periphery of the printer core to prevent the printer head from burning due to abnormal continuous work caused by software running and other failures.This paper introduces several reliable timeout shutdown mechanisms. Key words:printing;core;crash;movement;overheat;burn;Timeout shutdown
CLC number:TP334.8Document code:A Article ID：1003-0107(2021)04-0021-05
0引言
目前的票据打印主要有针式打印和热敏打印两种。热敏打印有噪音低、速度快、字迹清晰的优点，但是热敏票据保存时间短；针式打印票据保存时间久，但是打印速度慢、噪音大、图像分辨率低。前者一般用于快递、超市、餐饮等场景，后者一般用于金融发票。
针式打印的基本工作原理是利用机械和电路驱动，使打印针撞击带和打印介质，进而打印出点阵，再由点阵组成字符或图形来完成打印任务的，针式打印的工作过程中，打印头短时功率可达60W。热敏式打印的基本工作原理是利用热敏机芯排列的数百个电阻阵列通电流瞬间形成的高温，加热热敏纸上的显化学成分，进而在热敏纸上显示出字符或图形来完成打印任务的，热敏打印的工作过程中，
打印头短时功率可达25W。
如果持续25W以上功率工作，打印机芯温度会过热烧毁设备机壳，进而引起安全隐患。为了防止因软件死机等故障导致持续工作而烧毁打印头，必须在打印机芯外围加入超时关断机制。
1机制1：利用RC延时，超时关断机芯使能口线如图1所示，利用RC延时，超时关断机芯使能口线。该方案工作原理为：主控芯片的IO口线，经过电阻、 作者简介院胡利国(1985-)，男，工程师，从事金融支付终端开发。
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2021年第04期(总第409期)
干旱区资源与环境电容组成的"硬件超时关断电路"处理后，转换为"机芯使能口线"连接到打印机芯。拉高主控芯片口线，打印头开始工作，一段时长后应主动拉低该口线，防止打印机芯过热。假设主控芯片因软件死机而一直拉高该口线，那么由于RC 延时的作用，在τ=R*C 时间长度后，"机芯使能口线"也会因RC 放电而自动变低，打印头停止工作。
图1中的D 1二极管，起到补充电荷的作用，当"主控芯片口线"拉低后，电荷经过D 1快速补充到电容。
图1中的D 2二极管，起到隔离作用，若无该二极管，当"主控芯片口线"拉低后，因电容两端电压不能突变，"机芯使能口线"会变成负电压。
图1利用RC 延时，超时关断口线电路
该机制的优点为：电路简单、实现成本低。该机制的缺点为：由于电容容值误差普遍在10%以上，τ=R*C 延时时间精度不高，
偏差较大。2机制2：RC 延时，超时关断机芯供电电源 如图2所示，利用RC 延时，超时关断打印机芯供电电源。该方案工作原理为：主控芯片的IO 口线，经过电阻、电容组成的"硬件超时关断电路"处理后，连接到三极管Q 4的基极。三极管Q 4的集电极经过电阻R 3后接入开关功率管Q 3的栅极。拉高"主控芯片口线"，Q 4的基极电压被拉高，发射极与集电极导通，集电极电压被拉低，
进而Q 3的栅极电压被拉低，于是开关功率管Q 3导通，
主板电源对打印头供电，打印头开始工作。一段时长后应主动拉低"主控芯片口线"，关断打印头供电，
防止打印机芯过热。假设主控芯片因软件死机而一直拉高该口线，那么由于RC 延时的作用，在τ=R*C 时间长度后，开关功率管Q 3也会自动关断，打印
头断电。
图2利用RC 延时，超时关断电源电路
该机制的优点为：关断打印头供电，比关断打印头使能口线，更加彻底更加可靠。
该机制的缺点为：
一方面τ=R*C 精度不高；另一方面，电路元器件比较多，
增加硬件成本。3机制3：使用主控芯片的ONE-SHOT 口线特性做超时关断
如图3所示，使用主控芯片的ONE-SHOT(或称之为SINGLE-SHOT，不同芯片厂家或有不同叫法，下同)口线特性做超时关断，该方案工作原理为："主控芯片
口线"具有ONE-SHOT(一次性有效)特性。该口线连接到三极管Q 4，三极管Q 4的集电极经过电阻R 3后接入开关功率管Q 3的栅极。同图2，拉高该"主控芯片口线"，开关功率管Q 3导通，主板电源对打印头供电，打印头开始工作。在打印过程中，主控芯片需要在上一个ONE-SHOT 周期结束前重新配置下一个ONE-SHOT，保持开关功率管持续打开，
给打印机芯供电。如果主控芯片因软件死机，那么主控芯片ONE-SHOT 寄存器得不到重新配置，该口线在本周期结束后就会失效，关闭开关功率管，打印机芯断电，避免打印机芯持续打印。图4所示为主控芯片规格书中关于ONE-SHOT 特性说明。pce
图3利用ONE-SHOT 特性,
超时关断口线电路雷切尔薇姿
图4主控芯片规格书中关于ONE-SHOT 特性说明
该机制的优点为：控制时间精准，精度可达微秒级。该机制的缺点为：只有部分主控芯片具有ONE-SHOT 功能，对于不具备该功能的主控芯片方案，无法避免打印机芯因软件死机等故障导致过热烧毁。正畸矫正
4机制4：使用主控芯片的PWM 口线特性做超时
香山商业文化博物馆关断
实现，可通过主控芯片的寄存器设置"周期"与"占空比"，该"周期"与"占空比"在软件死机的情况下也不会改变。
如图5所示，分配具有PWM 功能的"主控芯片口线"，拉高该口线，开关功率管Q 3导通，主板电源对
打印头供电，打印头开始工作。拉低该口线，则开关功率管Q 3关断，
打印头断电。
图5利用PWM 特性，超时关断口线电路
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如图6所示，将"主控芯片口线"配置为PWM 属性后，将按照设置"周期"与"占空比"交替打开供电-关闭供电。
通过设置较小的"占空比"使得"打开供电"相比"关闭供电"的时间长度足够短(比如打开供电时长10ms，关闭供电时长1s)，那么即使打印机芯在打开供电时间段持续工作，也不足以烧毁机芯，而在关闭供电时间段足够把热量散发，不会累计到下一个周期。
正常打印过程中，
在每次"打开供电"时间段即将结束前重新配置PWM，即可进入下一个PWM 周期，即通过每周期重置PWM 可使得图6所示波形演变为图7所示波形，也就可以持续性维持在"打开供电"时间段。假设在第N 个周期即"打开供电N "时间段，软件死机，那么由于软件死机后无法对主控芯片内部硬件PWM 模块重置，使得"打开供电N "时间段结束之后，PWM 恢复到图6的时序，即进入时间占比较大的"关闭供电"时间段，关闭打印电源，保护打印机芯不会过
热烧毁。
图6口线配置PWM
属性后的时序
图7每周期重新配置PWM 属性后的时序
该机制的优点为：
控制时间精准，且PWM 功能为主控芯片通用功能，绝大部分主控芯片都具备，性能可靠，硬件成本低。
该机制的缺点为：需要每个周期重新配置PWM，占用软件资源。
静压测试5实施案例
以超时关断机制4为例
图8所示为热敏打印过程的供电控制口线与加热控制口线的工作波形。
图9所示为热敏打印过程软件死机后的波形。对比图8、图9可以发现，软件死机后PWM 恢复到初始状态："打开供电"相比"关闭供电"的时间长度足够短，此机制可确保打印机芯不会持续工
作而过热烧毁。
图8正常打印时序
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进行1分钟的倒计数，倒计时为零时，再对循环计数减1，重新进行上一个循环；当电压值小于3.3V 时，充电控制模块6吸合继电器二13接通被测锂电池10进行充电操作，充电过程中测压模块5检测到的电压低于4.1V 时继续充电，大于等于4.1V 时，充电控制模块6断开继电器二13，此时处理器2再次通过循环控制模块8吸合继电器一12，进行被测锂电池10短路操作；如此循环直到设定的循环次数为零自动终止试验结束。PLC 控制器采用三菱FX2N 多路输入带12位A/D 转换模块9可编程器，外接7英寸触摸屏进行参数设置和参数监控，具有操作方便，安全可靠。
测试装置还包括与处理器2通讯连接的储存模块14，储存模块14用于储存包括参数设置模块3设置的电压阈值和循环次数，以及处理器2转换出的电压值。通过储存模块14对参数设置模块3设定的电压阈值和循环次数，以及检测过程中每次循环中检测的电压值、
剩余的循环次数进行实时记录，供检测人员通过显示屏7进行提取查看，实现无人值守。
4结语
通过测压模块测量接入锂电池检测装置的被测锂电池的电压数据，
经A/D 转换模块将电压数据转换后传递至处理器；处理器通过循环控制模块、充电控制模块对被测锂电池进行短路或充电的循环操作操作，直至循环测试结束，短路循环测试过程可以完全满足标准要求，简单可靠，且可以实现无人值守等优点。
参考文献：
[1]GB 31241-2014.便携式电子产品用锂离子电池和电池组
安全要求[S].2014.
图9软件跑飞后的超时保护时序
6结束语
除了本文介绍的4种超时关断机制外，
还有其它几种方案，如硬件门电路超时关断电路、硬件定时器超时关断电路，这些电路硬件成本高，目前已基本不再使用。本文所介绍的4种超时关断机制可有效防止因软件死
机等故障引起异常持续工作而烧毁打印头，这4种机制各有优缺点，可根据具体情况选用。
另外，本文介绍的超时关断机制不局限于打印机芯的保护，也可用于其它高功率/高发热模块的保护，如马达电机、加热器、
点火设备等等。
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