Продаются процессоры Штрих-ФР-К под ЕГАИС

Принцип работы термопечатающей головки.

ТПГ ТД4032А
ТПГ ТД4032А

Принцип работы термопечатающей головки.

Термопечатающая головка (ТПГ) - помимо этого термина встречается и другие, например Термоголовка, Thermal head, Thermal printhead.

1. Немного теории.

Принцип термопечати.

Рассматриваться будет только прямая термопечать, то есть используется специальная термочувствительная бумага, которая изменяет свой цвет под действием тепла. Изображение на такой бумаге формируется нагревательными элементами термопечатающей головки, которые воздействует на бумагу в процессе движения.

Принцип термопечати

Рис. Принцип термопечати.

Из рисунка не видно, что самый сложный элемент термопринтера - это термопечатающая головка. Но даже самая простая термопечатающая головка имеет более сотни нагревательных элементов, а значит это довольно сложной прибор.

Устройство термопечатающей головки.

Рассмотрим простую термопечатающую головку.

Эквивалентная схема термопечатающей головки

Рис. 1 Эквивалентная схема термопечатающей головки.

На рис. 1
Ucc – напряжение питания интегральных схем управления;
GND Ucc – общая шина интегральных схем;
GND UR – общая шина;
NC – свободные контакты;
UR – напряжение питания резисторов;
STB – разрешение печати;
LATCH – запись в регистр сохранения;
IN – вход данных;
CLK – запись в сдвиговый регистр;
OUT – выход данных;
Л.Э. – логический элемент.

Термопечатающая головка имеет внутренний регистр памяти и регистр сдвига. Регистр сдвига управляет термопечатающими элементами. При появлении разрешающего сигнала печати STB происходит подача напряжения на выбранные логические элементы и осуществляется прожиг на термобумаге.
 

Временные диаграммы работы термопечатающей головки

Рис. 2 Временные диаграммы работы термопечатающей головки.

На рис. 2 видно регистр сдвига заполняется данными последовательно через IN (вход данных), запись бита данных идет по спаду сигнала CLK (запись в сдвиговый регистр). Как только эта операция повторится 128 раз, регистр сдвига заполнится данными, и сигналом LATH (запись в регистр сохранения), все 128 бит параллельно оправляются в регистр памяти.  Для включения логических элементов, которые управляют нагревательными элементами, нужен сигнал STB (разрешения печати). Изменяя длительность сигнала STB, можно изменять температуру нагревательных элементов, то есть фактически яркость печати.  К сигналу STB предъявляются очень жесткие требования, слишком большая длительность сигнала STB может привести к перегреву нагревательных элементов и последующей поломке всего устройства.
Сигнал OUT (выход данных), несмотря на то, что сигнал не участвует в работе термопечатающей головки, по этому сигналу можно косвенно судить об исправности всего устройства. Фактически, если сверять данные отправленные на вход (IN) и полученные на выходе(OUT) через один такт LATH, то можно судить об исправности термопечатающей головки.

Осциллограмма снятая с реальной термопечатающей головки при печати строки

Рис. 3 Осциллограмма снятая с реальной термопечатающей головки при печати строки.

Рис. 3 показывает, как происходит печать одной строки. Из рисунка видно, что на простеньком однолучевом и низкой полосой пропускания осциллографе, невозможно отличить сигнал IN от CLK, как впрочем сложно увидеть сигнал LATH. Из всех сигналов легко можно отследить только сигнал STB. Рис. 3 имеет только практическое значение, с его помощью можно определить сигналы на разъеме термопечатающей головки, для которой нет официальной документации

Рассмотренная на рис. 1 термопечатающая головка обладает одним серьезным недостатком  - самопроизвольное и неконтролируемое изменение яркости печати на термоленте при увеличении:

  • Числа нагревательных элементов
  • Скорости печати
  • Плотности печати
  • Времени печати более 2-3 мин

Для устранения этого недостатка в термопечатающую головку устанавливается датчик температуры, как правило обыкновенный терморезистор, для определения температуры радиатора охлаждения. В зависимости от показаний терморезистора изменяется длительность импульса STB. Для уменьшения нагрева без потери скорости печати, логические элементы управляющие нагревательными элементами, разделяют на несколько независимых групп.

Рассмотрим принцип работы термопечатающей головки фирмы "ROHM" KF2002-GF45B, использующаяся в термопечатающем механизме «МЕРКУРИЙ ТПМ-021». С полным вариантом документации можно ознакомится на сайте incotexkkm.ru/production/device/mechanisms.html или скачать с этого сервера (скачать).

Эквивалентная схема термопечатающей головки фирмы "ROHM" KF2002-GF45B

Рис. 4 Эквивалентная схема термопечатающей головки фирмы "ROHM" KF2002-GF45B.

На рис. 4

Vdd - напряжение питания интегральных схем управления;
L-GND - общая шина интегральных схем;
p-GND - общая шина;
NC - свободные контакты;
VH - напряжение питания резисторов;
STB1-STB6 - разрешение печати;
LAT - Cигнал перезаписи в вых. регистр
LAT - запись в регистр сохранения;
DI - вход данных;
CLK - запись в сдвиговый регистр (cигнал синхронизации);
DO - выход данных;
TM - терморезистор

Схема несколько отличается от рассмотренного ранее варианта ТПГ. Сигнал разрешения печати (STB) разделен на 6 различных сигналов, которые управляют группой нагревательных элементов по 64 точки. Наличие терморезистора позволяет получать стабильное качество печати вне зависимости от теплового состояния охлаждающего радиатора.

Временные диаграммы работы термопечатающей головки фирмы "ROHM" KF2002-GF45B

Рис. 5 Временные диаграммы работы термопечатающей головки фирмы "ROHM" KF2002-GF45B.

2. Практические схемы подключения термопечатающей головки.

Пример подключения термопечатающей головки для ККМ Феликс-РК.

Рассмотрим включение термопечатающей головки на примере фискального регистратора Феликс РК, описание работы взятое из ремонтной документации выделено курсивом.  С полным вариантом ремонтной документации можно ознакомится на сайте atol.ru/link/file/183 или скачать с этого сервера (скачать).

В основе принципа управления печатающим устройством лежит загрузка в последовательном коде полной строки печатаемых точек в сдвиговый регистр термоголовки, запись печатаемой строки в выходной регистр термоголовки, выдача импульсов печати и перемещение бумаги на один шаг для печати следующей строки точек. Загрузка строки печати в термоголовку производится по шине "PDAT", "PCLK" тактирует сдвиг битов из шины "PDAT" в сдвиговый регистр ТПГ и сигнал "PLAT" задвигает содержимое сдвигового регистра  в параллельный регистр ТПГ.

хема управления термопечатающей головки фискального регистратора Феликс РК

Рис. 6 Схема управления термопечатающей головки фискального регистратора Феликс РК. (прим.: на рисунке умышленно не отмечена цепь датчика температуры ТПГ, эту цепь рассмотрим отдельно).

Фактически данная схема включения является классической для большинства термопринтеров. Сигналы LATH, IN, CLK идут на термопечатающую головку непосредственно с процессора.  На практике приходилось сталкиваться со случаями, когда сигнал LATH идет через буфер, но это скорее исключение, чем правило.

Сигнал разрешения печати STB.

Как уже ранее отмечалась к длительности этого сигнала предъявляются жесткие требования.

Схема ограничения длительности импульса печати “PSTB” термоголовки выполнена на одновибраторе DD6:A и элементе DD2:A. Запуск одновибратора осуществляется передним (положительным) фронтом сигнала "STB", а максимальная длительность его выходного сигнала определяется элементами R1, C3 и равна 6 – 14 мс. Длительность сигнала “PSTB” может автоматически программно изменяться  сигналом "STB" с целью изменения яркости печати в зависимости от ручной установки режима печати.

Схема ограничения длительности импульса печати PSTB термопечатающей головки

Рис. 7 Схема ограничения длительности импульса печати PSTB термопечатающей головки.

Классическая схема ограничения длительности импульса сигнала STB на триггере имеет ряд преимуществ перед другими вариантами исполнения. Помимо ограничения длительности сигнала STB, добавляется блокировка этого сигнала по сигналу RES, что гарантирует отсутствие сигналов разрешения печати при включении выключении фискального регистратора.

Сигнал датчика температуры ТМ.

В зависимости от температуры ТПГ, формируется сигнал “ADC” на микросхеме DD1.

Схема формирования сигнала датчика температуры термопечатающей головки

Рис. 8 Схема формирования сигнала датчика температуры термопечатающей головки.

Если с сигналами управления печати термопечатающей головки все просто, достаточно ограничить ширину строба STB, то с датчиком температуры все обстоит намного сложнее. Данные с датчика температуры является  аналоговыми, поэтому требуется преобразование в цифру.
Почему хотелось бы обратить внимание на эту цепочку отдельно. Во первых, неисправность в этой цепи блокирует работу термопечатающей головки. Во вторых, неисправный датчик температуры, это единственная деталь, которую можно заменить на термопечатающей головке.

Схема формирования сигнала температуры термопечатающей головки

Рис. 9 Схема формирования сигнала температуры термопечатающей головки.

Из схемы (Рис. 8, рис. 9) видно, сигнал с датчика температуры может принимать два уровня, допустимая температура и недопустимая температура. Уровень допустимой температуры на термопечатающей головке задается делителем  R33R34. В схему управления введен сигнал опроса PIC, который разрешает выдавать сигналу ADC формировать сигнал прерывания на процессор, если конечно все условия для прерывания соблюдены.

Схема включения и блокировки напряжения питания термопечатающей головки.

Схема включения и блокировки напряжения питания ТПГ выполнена на одновибраторе DD6:B. Разрешение работы одновибратора производится высоким уровнем напряжения линии ~RES, запуск одновибратора осуществляется сигналом "ONV", а длительность его выходного сигнала "ONVH" определяется элементами R2, C4 и равна 50–300мс. Сигнал "ONVH" открывает транзисторный ключ на элементах VT1 – VT3, пропускающий напряжение "VH" (+24  В) на термоголовку и  схему управления двигателем. После  однократной  отработки  импульса "ONVH"  одновибратор DD6:B блокирует напряжение питания до прихода следующего импульса запуска "ONV". Сигнал ~RES блокирует напряжение "VH" при переходных процессах при включении и выключении питания машины.

Схема включения и блокировки напряжения питания термопечатающей головки

Рис. 10 Схема включения и блокировки напряжения питания термопечатающей головки.

Данный вариант защиты термопечатающей головки применяется нечасто, но является довольно эффективным, при незначительном усложнении схемотехники. Сигнал ONVC является информационным и служит для контроля наличия напряжения VH на термопечатающей головке.

3. Датчик температуры, практические схемы.

Использование широтной импульсной модуляции.

Данный вариант используется на ККМ FPrint-03K. С полным вариантом ремонтной документации можно ознакомится на сайте atol.ru/link/file/127/ или скачать с этого сервера (скачать).

Схема формирования сигнала температуры термопечатающей головки, широтно импульсная модуляция

Рис. 11 Схема формирования сигнала температуры термопечатающей головки, широтно импульсная модуляция.

Вторая секция одновибратора D11:B задействована в схеме измерения температуры ТПГ. При изменении температуры терморезистора, встроенного в ТПГ, изменяются параметры элементов, задающих время обвязки одновибратора, и, как следствие, изменяется длительность формируемого строба «TEMP». Микроконтроллер отслеживает длительность строба и корректирует время включения стробов STB_PRT1 и STB_PRT2.

Использование АЦП ADC0804LCN.

Цепь датчика температуры термопечатающей головки при использовании АЦП

Рис. 12 Цепь датчика температуры термопечатающей головки при использовании АЦП.

Сигнал с 6 pin JP6 (Рис. 12) поступает на АЦП U6 (ADC0804LCN) в аналоговом виде, напряжение от 0 до 5в (замер для новой ТПГ: 3,3-3,4в), далее преобразовывается в восьмибитовое представление и на шину данных передается через регистр защелку с тремя состояниями на выходе U2 (74HC373), которые в свою очередь забираются по прерыванию INTR идущему с 5 pin АЦП U6 (ADC0804LCN) на 9 pin процессора U1 (SM5964).

4. Сигнал STB, практические схемы.

Разделением STB на два сигнала.

Для уменьшение нагрева термопечатающей головки используется схема с раздельным управлением сигнала STB на два раздельных сигнала. Таким образом, добиваются допустимого температурного режима термопечатающей головки, без уменьшения скорости печати, и отсутствием необходимости обработки датчика температуры.

Такой вариант используется в схеме управления термопечатающей головки для весов DIGI SM300. Сигнал STB разделен  на STB1 и STB2 с раздельными цепями ограничения длительности сигнала на железном уровне для каждого сигнала в отдельности. 

Схема подключения термопечатающей головки для весов DIGI SM300

Рис. 13 Схема подключения термопечатающей головки для весов DIGI SM300.

Цепь ограничения сигнала  STB1 формируется на двух логических элементах - 2ИЛИ (U7 HC32) и триггере Шмитта (U3 HC14). Логический элемент   2ИЛИ (U7 74HC32) в данном случае используется в режиме отрицательной логики 2И, так как активный уровень сигнала STB (для конкретной схемы исполнения) – отрицательный. Элемент триггер Шмитта (U3 HC14) вкупе с R80C35 цепью интегрирующего типа (t=RC) служит для ограничения длительности импульса STB.  Диод D23  - довольно высокочастотный диод, элементы R80C35 критичны к номиналу.
Активный сигнал (низкий уровень) поступает на 9pin (U7 HC32) и одновременно он поступает на инвертор-триггер Шмитта (U3 HC14) и с небольшой задержкой, задержка формируется элементами R80C35, поступает на 10pin (U7 HC32), тем самым закрывая выход  элемента 2ИЛИ (U7 HC32). На случай отказа процессора U1, сигнал STB_in и STB_out  подтянуты к высокому уровню (R78, R79 соответственно)

Схема ограничения импульса STB для термопечатающей головки весов DIGI SM300

Рис. 14 Схема ограничения импульса STB для термопечатающей головки весов DIGI SM300.

Вторая цепь сигнала STB, для другой половины ТПГ ограничивается по такому же принципу.

5. Дополнительные материалы.

  • Описание термопринтера Seiko Instruments LTP3445 на английском (Скачать). Материал хорош тем, что в нем хорошо рассмотрена таблица характеристик для АЦП, датчика температуры термопечатающей головки.
  • Описание головки термопечатающей ТД4032А, ТД4032А-01 на русском  (Скачать).
  • Описание ремонта термопечатающего принтера на английском и русском (Скачать).