第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
随着计算机技术的高速发展，控制系统集成度越来越高，办公设备不断更新换代并逐渐趋于智能化，办公设备间的数据传输和控制方式也日趋多元化。其中，随着单片机技术和打印机技术完美结合，打印机控制技术得到了广泛的研究和应用。然而，在世界范围内打印机市场的发展并不平衡，相比于欧美、日本等发达国家，HP、Epson 及 Canon 等热门品牌在打印机市场的占有率大约有 70%的份额。国外打印机市场近乎垄断的发展现状，使的国内打印机品牌的发展面临巨大的压力[1]。在国内，与打印机相关的诸多关键技术仍无法到达国外水平，例如喷墨头、激光引擎及耗材等。面对打印机市场垄断压力，唯拥有完全独立的核心技术的突破才能在打印机市场占有更高的份额。
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1.2 打印系统的发展状况
近年，开发者对打印机打印系统的研究层出不穷，从广义层次来说，打印系统是客户端和设备端间数据处理传输和控制系统，从狭义层次来说，打印系统是实现打印机打印文件的控制过程。打印机是计算机系统输出文字和图形的重要设备，使用打印机可以将需要的文字和图形从计算机中输出，显示在各种纸样上[5]。打印机的应用普及，伴随着打印机技术日新月异，向着轻、小、低功耗、高速度和智能化方向发展。打印机在诸多领域发挥作用，从原来只打印字符和简单图形发展到可以打印多功能彩色图形，例如图像打印、文件输出、工业绘图等。
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第二章 打印系统研究与设计
2.1 打印系统研究
打印机系统是能够按照用户需求创建并执行打印任务，依据系统设定自动完成打印文件数据的处理和转化，最终输出打印信息的机器系统。打印机系统由两部分组成：软件（子）系统和硬件（子）系统，其中软件子系统由各种打印打印相关的程序及程序所处理的数据组成，该部分包括客户端驱动软件数据转化程序和打印端数据解析软件控制程序，这些程序最终主要作用都是用于协调各硬件部分，使得整个打印系统能够按照指定的要求进行打印工作。其中硬件子系统是系统赖以工作的实体，它是有关的各种物理部件的有机的结合，包括对数据的传输、指令的解析和机械的运动等方面[13]。
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2.2 基于单片机的打印系统的整体方案
通过上一节对 Windows 系统下打印机打印过程及驱动功能的分析，在进行设计基于单片机的打印机控制系统时应具备和计算机端相同的打印功能：1) 完成对存储器文件的预览和读取。根据不同的文件类型进行解压并解析，获取与打印相关的数据信息；2) 模拟打印驱动程序完成对打印文件转化。通过分析打印驱动对打印文件的处理过程，结合光栅打印指令手册，完成数据转换；3) 实现对光栅数据的高速缓存和访问。该过程模拟打印假脱机系统过程，实现对打印文件处理后数据的存储；4) 实现单片机与 USB 设备间的通讯。在单片机主机模式下，完成对 U 盘文件访问和 USB 接口打印机的打印数据传输。
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第三章 PC 端 USB 总线监测及解析...............15
3.1 USB 总线规范...............15
3.2 总线数据采集与分析...............17
第四章 打印数据转换研究................24
4.1 常见位图文件解析.................24
4.2 光栅打印.................27
第五章 打印机控制系统设计...................36
5.1 系统整体方案.................36
5.2 硬件设计................37
第六章 模拟打印系统测试
6.1 在线打印测试
本文 4.3 节对 L-M-A 上位机进行了设计，Matlab 完成对打印文件的提取和处理，并将数据按照指定格式存储到数据库中，Labview 通过 Visa 配置与下位机的高速串口模块进行通讯。下位机在 USB 打印机插入时将自动完成对打印机的初值化设置，等待打印数据发送[49]。在程序中的数据转化部分改用串口接收上位机的数据，并对串口接收到是数据进行格式转换，最终将数据发送给打印机。下图6-1 所示为在线测试平台的框架图。
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6.2 打印试验平台
如下图所示搭建出基于单片机的打印机控制系统，该系统有两个 HS_USB 接口，使用其中一个完成对 U 盘的读取，并将 U 盘的目录及 U 盘的相关信息通过LCD 显示屏进行显示，根据触摸进行打印文件的预览，测试环节选取的 BMP 格式的文件进行测试，根据打印需要选择打印因文件确认进行图片数据的转换。单片机内部首先完成的是对 U 盘磁盘数据为读取，然后进行数据转换，最后将数据转换后的光栅数据保存到 Flash 存储器中待用，等待确定打印信息的命令。待打印机接口插入到另一个 HS_USB 接口后，单片机通过对其进行枚举初始化，配置打印机相关信息并确定数据端口号。待一切就绪后，将之前缓存至 Flash 中的数据发送给打印机，实现打印机。同时，在打印机 IN 端口实时读入打印机的状态信息，会与单片机预存库的中故障代码进行比对，若出现故障信息和库中数据匹配这则单片机会将故障信息通过显示屏幕报告给操作者；若读回状态信息并无在库中，我们默认打印机运行正常，可以正常进行操作在光栅转化部分程序是“移植”于上一章节测试系统中 Matlab 的光栅转化程序，因 Matlab 编程环境和单片机存在差别，故在代码移植的主要是其编程思路。经测试“移植”后的程序能和测试平台下达到相同的效果。
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结论
本文通过对现有 Windows 环境下打印机控制系统的研究和解析，以 USB 接口喷墨打印机（采用 PCL 指令集）为研究对象进行展开研究，对 USB 通讯规范、USB 主机模式和打印机数据传输方式进行深入的研究学习，搭建测试平台采集大量的打印数据进行分析比对，从打印数据方面研究打印系统的内在数据转换过程，最终设计并实现了基于单片机控制的打印机控制系统该系统。从控制打印机指令底层控制代码开始研究到对整个控制系统调试运行打印。归纳整个研究和设计过程，本课题可以总结以下几个方面：（1）本课题深入研究了 Windows 环境下打印机打印系统的工作流程及打印驱动组成和功能，并拟定基于单片机控制的打印系统的研究方案。（2）本课题对 USB 规范进行深入学习，掌握了 USB 作主机模式下通讯规则和工作机制，提出并设计出单片机和 USB 设备间的通信方案，是本课题设计的技术重点。
参考文献（略）
