Устройства графического ввода информации

Назначение и классификация устройств графического ввода информации. Устройства ввода графической информации характеризуются скоростью и точностью. Скорость определяется временем считывания и преобразования информации, а точность - способами отсчета текущих координат графического элемента и их реализацией.

Процесс ввода графической информации состоит из двух этапов: считывания и кодирования. Считывание графической информации сводится к определению координат графических элементов /точек, прямых, графических элементов/ в заданной системе координат. Кодирование считанной информации заключается в ее преобразовании в двоичный код по заранее установленным правилам с целью последующей обработки.

По степени автоматизации этапы считывания УВв графической информации (УВвГИ) делятся на автоматические, полуавтоматические и ручные.

Этап кодирования реализуется координатным, рецепторным и поэлементным методами кодирования.

Координатный метод заключается в том, что каждая точка графического примитива привязана к координатной сетке. После считывания он представляется массивом точек с координатами X и Y.

Рецепторный метод заключается в представлении графической информации в дискретном поле рецепторов в двоичном коде. Поле рецепторов - прямоугольная матрица размером m x n элементов, на которую проектируется графическое изображение. Элементы матрицы, на которое попало изображение, принимают значение кода "1", остальные - "0". Считанное с рецепторной матрицы графическое изображение передается в память ПЭВМ и используется для визуализации без преобразований на экране растрового графического дисплея. Метод поэлементного кодирования предполагает наличие описаний графических примитивов с помощью специальных графических языков. Эти описания хранятся в памяти в виде библиотек. Информация о чертеже /рисунке/ задается последовательностью наименований графических примитивов с указанием их координат и размеров.

Методы автоматического ввода графической информации. Автоматические УВвГИ строятся на оптических принципах считывания. Процесс считывания заключается в разбиении изображения на элементы, степень зачерненности которых измеряется и кодируется.

Считывание элемента изображения включает в себя установку луча в заданную позицию, преобразование отраженного от элемента светового потока в электрический сигнал, преобразование электрического сигнала в цифровой код, перемещение луча в следующую позицию. В автоматических УВвГИ применяется матричный, следящий и сканирующий методы считывания.

При матричном методе изображение равномерно освещается и отраженный световой поток попадает на матрицу фотоприемников, представляющих собой рецепторное поле. Каждый фотоприемник формирует на выходе электрический сигнал, пропорциональный принятому световому потоку от соответствующего элемента. Выходы матрицы последовательно опрашиваются с помощью двух счетчиков /для Х и У/. Каждому состоянию счетчика Х и У соответствует определенный фотоприемник. Сигнал с его выхода с помощью АЦП преобразуется в двоичный код. Этот код совместно с номером фотоприемника передается в ОЗУ /или на носитель/ ПЭВМ.

Следящий метод заключается в перемещении светового пятна по контуру линии графического изображения, которое обеспечивается следящей системой. На ее входе находится фотоэлектронный умножитель, воспринимающий отраженный от носителя световой поток, создаваемый световым пятном. Документ, расположенный на планшете, перемещается по координате Х, а каретка с источником света и фотоэлектронным умножителем по координате Y.

Сканирующий метод заключается в последовательном осмотре и считывании элементов изображения и имеет несколько вариантов: сканирование изображения световым пятном по строкам /или столбцам/, сканирование линейной апертурой всего или части документа.

Сканирование изображения световым пятном наиболее распространено ввиду простоты его реализации. Световое пятно, формируемое ЭЛТ или лазером с помощью системы зеркал или электронным способом, сканирует построчно поле документа. Отраженный световой поток воспринимается фотоприемником, преобразуется в электрический сигнал, а затем с помощью АЦП - в двоичный код.

Сканирование линейной апертурой, реализованной с помощью линейки фотоприемников, заключается в параллельном считывании элементов n строк. При равенстве линейки и вертикального размера документа его считывание осуществляется за один интервал сканирования по горизонтали. Недостатком данного сканирования является его невысокая разрешающая способность, определяемая шагом между фотоприемниками, и необходимостью механического перемещения линейки [8].

Методы полуавтоматического ввода графической информации.

Полуавтоматические УВвГИ получили наибольшее распространение в системах автоматизации проектирования вследствии высокой разрешающей способности. Данные устройства реализуются на электромеханическом, акустическом, электрическом принципах.

Измерение координат в УВвГИ электромеханического типа (рисунок 6.28) осуществляется с помощью преобразователей угловых или линейных перемещений /каретками Кх и Ку/, перемещающимися по координатам Х и У в поле документа. Документ располагается на планшете, в плоскости которого перемещается визир /В/, закрепленный на каретке Ку. Каждая каретка имеет одну степень свободы и перемещается по направляющей. С помощью визира осуществляется выбор считываемого элемента изображения. Для определения координат положения визира каретка через зубчатую пару связана с АЦП угла поворота вала в цифровой код. Диск этого АЦП поворачивается на угол, пропорциональный линейному перемещению каретки.

Акустический принцип ввода использует генерацию звуковых или ультразвуковых колебаний и изменение времени их распространения. В состав УВвГИ акустического типа входят (рисунок 6.29) съемник информации, содержащий искровой генератор /ИГ/ и служащий для указания элемента изображения, полосковые микрофоны, расположенные по взаимно перпендикулярным сторонам планшета с документами. Микрофоны служат для приема звуковых колебаний, создаваемых искровым генератором съемника. Измерение координат осуществляется следующим образом. В начале измерения счетчики Х и У находятся в нулевом состоянии. При указании съемником выбранной точки генерируется искровой разряд и звуковая волна распространяется со скоростью V в направлении микрофонов. Время ее перемещения определяется расстоянием до микрофонов. Следовательно, значение координат определяется как X=V*Tx и Y=V*Ty.

В акустических УВвГИ ультразвукового типа принцип измерения координат аналогичный, но реализуется иными средствами. По краям планшета, выполненного из материала, передающего ультразвуковые колебания, располагаются пьезопреобразователи, которые генерируют ультразвук. Указатель является пассивным элементом, поочередно воспринимающим колебания от пьезопреобразователей, расположенных по горизонтальной или вертикальной сторонам планшета. Электронная схема обеспечивает измерение времени прохождения сигнала от источника к приемнику и преобразует его в код. Ультразвуковой принцип позволяет добиться большей защищенности от внешних помех.

Электрические принципы построения УВвГИ подразделяются на контактные, емкостные и индуктивные. В их основу положено определение координат элемента изображения по координатной сетке или по величине потенциала электрического поля в точке измерения. В контактных электрических УВвГИ в конструкцию планшета входит система ортогональных координатных шин, разделенных тонким слоем диэлектрика, с отверстием в узлах их пересечения. На планшете помещается носитель с графической информацией. Считывание осуществляется путем нажатия карандашом на выбранный элемент изображения, расположенный в узле матрицы шин. Считывание осуществляется путем нажатия карандашом на выбранный элемент изображения, расположенный в узле матрицы шин. Верхний лист планшета деформируется и происходит замыкание шины У на шину Х. Шины Х последовательно возбуждаются от дешифратора У. Сигнал с шины Х преобразуется шифратором в двоичный код. Одновременно осуществляется считывание кода координаты У со счетчика. Разрешающая способность таких планшетов зависит от шага координатной сетки.

Электрический принцип считывания может быть реализован с помощью планшета, поверхность которого покрыта полупроводниковым слоем. На его поверхности создается распределенное электрическое поле так, что каждой точке планшета соответствует свой потенциал. Съемник считывает этот потенциал, который в дальнейшем преобразуется в коды координат элемента изображения.

Планшеты индуктивных и емкостных УВвГИ также имеют матричную структуру, при этом считывание информации осуществляется только в узлах матрицы.

Работа устройства графического ввода. Устройство графического ввода предназначено для преобразования положения указателя /курсора/ в цифровой код и передачи его для последующей обработки на базе персональных ЭВМ.

Устройство состоит из следующих блоков:

- устройства планшетного, включающего в себя рабочее поле и блок управления;

- курсора;

- блока питания;

- алфавитно-цифровая индикация.

Источником тока является курсор, приемником - шины рабочего поля.

Управление и индикация.

Курсор. На курсоре расположены 5 клавиш:

- D - клавиша цифрового кодирования;

- U - переключение непрерывного цифрового кодирования в точечное цифровое кодирование и наоборот;

- A - вывод соответствующих записей данных в набор данных;

- P - индикация позиции курсора;

- L - конец линии.

Карандаш цифрового кодирования. Карандаш цифрового кодирования имеет переключатель. Нажатием на его стержень переключатель срабатывает и запускает процесс цифрового кодирования.

Светодиоды планшета. Красный - включено: работает внутренний микротест устройства, выключено: внутренний микротест закончен. Зеленый - включено: рабочее напряжение - устройство готово к работе.

Акустический сигнал. Короткий высокий звук - выполнено цифровое кодирование точки. Длинный низкий звук - непрерывное цифровое кодирование или цифровое кодирование с помощью клавиши Р курсора. Короткий низкий звук - окончание непрерывного цифрового кодирования, возникновение ошибки оператора или устройства. Длинный переменный звук - сообщение об ошибке во время работы внутреннего микротеста.

Рабочее поле. Основными составными частями поля являются: - корпус поля (планшета) - плата сотовой конструкции с фиксированной ортогональной сетью проводов, точной и грубой решетками в направлениях Х и У.

На планшете определено рабочее поле нанесенными маркировками (площадь цифрового кодирования).

Алфавитно-цифровая индикация. 16-разрядная индикация состоит из четырех последовательно присоединенных индикаторов.

Шаблон поля меню. Шаблон поля меню представлен в виде печатного шаблона и может располагаться на любом месте площади цифрового кодирования.

Поле меню подразделяются на три комплекса:

- поле с алфавитно-цифровыми символами;

- поле для стандартных функций устройства;

- поле со специфическими прикладными функциями.

Маркировка Т1 и Т2 на шаблоне поля меню служат для позиционирования шаблона на рабочем поле планшета.

Подготовка устройства к работе. Устройство включается с помощью сетевого выключателя. Загораются оба светодиода. Зеленый светодиод светит все время, когда устройство находится во включенном состоянии. Красный светодиод гаснет после 10 секунд, если внутренний микротест устройства обработан успешно. При неправильной обработке программы микротеста раздается непрерывный переменный звук. В этом случае необходимо повторно включить устройство. Во время прохождения микротеста нельзя активизировать регистраторы измеряемых величин (световое перо).

Правильная работа функции устройства "Цифровое кодирование" достигается в диалоге с базовой ЭВМ.

Принцип работы устройства и его составных частей. С генератора с частотой f=9 MHz сигнал поступает на счетчик (рисунок 1.32) CTI. Счетчик CTI управляет аналоговыми коммутаторами координаты X MXI и координаты Y MX2. Также сигнал со счетчика CTI поступает на интегратор А5, затем на курсор. Аналоговые коммутаторы переключают шины синхронно с частотой в курсоре. Далее сигнал поступает на устройство выборки-хранения - УВХ - А2. УВХ А2 стробируется для запоминания аналогового сигнала со счетчика СТ1.

Далее сигнал поступает на фильтр верхних частот - ФВ4 (А3). Здесь с помощью фильтрующего каскада фильтруется огибающая из аналогового сигнала и подается после этого на двухпороговый компаратор, состоящий из элементов А4 и RS триггера Т. Верхнее плечо компаратора срабатывает по уровню сигнала, превышающее значение Uкомп, нижнее плечо компаратора срабатывает при значении сигнала U=0; таким образом RS триггер сбрасывается сигналом верхнего плеча компаратора А4 и устанавливается сигналом нижнего плеча компаратора А4. Передний фронт выходного сигнала триггера Т является сигналом записи текущего состояния счетчика СТI в регистр RGI.

Микропроцессор Р обрабатывает данные координат Х и У, полученные из регистра RGI и выдает их в нужном формате на стык С2 в ЭВМ. Интерфейсом между Р и ЭВМ служит IOS типа КР580ВВ51А. ПЗУ является памятью программ и констант Р, ОЗУ нужно для хранения промежуточных данных, при обработке координат Х и У.

IOP является параллельным интерфейсом между З и переключателями режимов работы устройства. PIC -программируемый контроллер прерываний необходим для мгновенной обработки прерываний, возникающих при переназначении режимов работы устройства от ЭВМ.

Таймер СТ2 задает:

- скорость передачи по стыку С2 - bit/s;

- скорость выдачи координат - pps/s;

- длительность звучания звонка ЗП.

Соединение устройства цифрового кодирования с ЭВМ осуществляется через системную шину в устройстве с помощью подключения интерфейсного кабеля.

Рисунок 1.32 – Схема устройства графического ввода информации

Вопросы.

1. Как классифицируются УГВИ?

2. Из скольки этапов состоит процесс ввода графической информации?

3. Как делятся УГВИ по степени автоматизации?

4. Какими методами реализуется этап кодирования и в чем они заключаются?

5. На чем основаны методы автоматического и полуавтоматического ввода графической информации?

6. Что представляют собой матричный, следящий и сканирующий методы считывания информации?

7. Что представляет собой метод сканирования сканирование линейной апертурой?

8. Что представляют собой электромеханический, акустический и электрический принципы ввода информации?

9. Что представляют собой планшеты индуктивных и емкостных УВГИ?

10. Из каких основных функциональных блоков состоит схема устройства графического ввода?

Принтеры

Классификация. Устройства, выполняющие функции вывода графической информации на бумажный и некоторые другие носителей, называются принтерами. Классификация принтеров показана на рисунке 1.33.

Рисунок 1.33 - Классификация принтеров

Игольчатые принтеры. Достоинства этих принтеров - способность работы с любой бумагой, низкая стоимость печати и возможностью одновременной печати нескольких копий (рисунок 1.34).

Рисунок 1.34 - Устройство головки матричного принтера и внешний вид

Принцип работы. В отличие от типового или "шароголовчатого" принтера, в котором устанавливаются различные типы (буквы, цифры и знаки препинания), игольчатый принтер формирует знаки несколькими иголками, расположенными в головке принтера.

Механика подачи бумаги - бумага втягивается с помощью вала, между бумагой и головкой принтера располагается красящая лента. При ударе иголки по этой ленте на бумаге остается закрашенный след - точка.

Иголки, расположенные внутри головки приводятся в действие электромагнитами. Головка перемещается по горизонтальным направляющим с помощью шагового двигателя.

В игольчатых принтерах в головке принтера используется 9, 18 и 24 иголок. Напечатанные знаки внешне представляют собой матрицу точек (отсюда название – матричный принтер).

В 24-игольчатых принтерах (сегодняшний стандарт матричных принтеров) используется технология последовательного расположения иголок в два ряда по 12 иголок. Вследствие того, что иголки в соседних рядах сдвинуты по вертикали, точки на распечатке перекрываются таким образом, что их невозможно различить.

Также имеется возможность прохода головки дважды для каждой строки, чтобы знаки пропечатались еще раз с небольшим смещением. Изображение буквы, возникающее таким образом, только при тщательном рассмотрении можно идентифицировать как "произведение" игольчатого принтера. Поэтому такое качество печати обозначают как L·, что является сокращением от Letter ·uality (высокое качество). Несколько худшую по качеству печать соответственно обозначают NL· (Near Letter ·uality).

При работе в режиме L· скорость печати уменьшается незначительно, так как головка печатает при движении в обоих направлениях: как слева направо, так и справа налево.

Строчный принтер. У строчного принтера головка отсутствует, но имеется печатающая планка, которая по всей длине снабжена иголками. Таким образом, при печати изображения матрица, соответствующая строке, полностью переносится на бумагу.

Так как головка принтера не должна двигаться слева направо или справа налево, а строка печатается целиком за один раз, то это дает преимущество в скорости печати. Такие принтеры выпускаются фирмами Genicom и Dataproducts. Скорость печати достигает 1500 строк в минуту (примерно 20 страниц формата А4 в минуту).

Скорость печати. Единицей измерения скорости печати обычно является число знаков, которое принтер переносит на бумагу за одну секунду, - cps.

Объем памяти. Игольчатые принтеры оборудованы внутренней памятью (буфером), в которой хранятся, данные, принятые от PC. Объем памяти игольчатых принтеров от 4 Кбайт и выше.

Шум. Работа игольчатого принтера всегда сопровождается шумом.

Разрешение. Так же как и у других устройств вывода, качество печати принтера сильно зависит от разрешения, т. е. от количества точек, которое печатается в одном дюйме. Для игольчатого принтера разрешение играет роль только тогда, когда он работает в графическом режиме, в котором должно точно рассчитываться положение каждой отдельной точки на бумаге. При печати обычных текстовых знаков для матричных принтеров большую роль играют точность позиционирования головки принтера, частота ударов иголок или качество красящей ленты.

Цветной игольчатый принтер. Небольшое число игольчатых принтеров обладает возможностью цветной печати.

Струйные принтеры. Качество печати струйного принтера немногим уступает качеству печати лазерных принтеров

Принцип работы струйных принтеров. В струйных принтерах для формирования изображения используются специальные сопла, через которые на бумагу подаются чернила. Сопла находятся на головке принтера, где установлен резервуар с жидкими чернилами, которые, как микрочастицы, переносятся через сопла на материал носителя. Число сопел зависит от модели принтера и его изготовителя. Обычно их бывает от 16 до 64. Некоторые последние модели имеют гораздо большее число сопел, например, головка принтера DeskJet 1600 имеет 300 сопел для черных чернил и 416 - для цветных.

Рисунок 1.35 – Устройство головки струйного принтера и внешний вид

Поскольку образ символа воспроизводится с использованием всех задействованных сопел одновременно, в качестве параметра, определяющего скорость печати, в струйных принтерах также принято считать количество символов в секунду (cps).

Хранение чернил осуществляется двумя методами:

- головка принтера является составной частью патрона с чернилами, замена патрона с чернилами одновременно связана с заменой головки;

- используется отдельный сменный резервуар, который через систему капилляров обеспечивает чернилами головку принтера.

Различные следующие способы нанесения чернил на бумагу:

- пьезоэлектрический метод;

- метод газовых пузырей;

- метод drop-on-demand.

Пьезоэлектрический метод. Для реализации этого метода в каждое сопло установлен плоский пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Под воздействием электрического поля происходит деформация пьезоэлемента. При печати находящийся в трубке пьезоэлемент, сжимая и разжимая трубку, наполняет капиллярную систему чернилами. Чернила, которые отжимаются назад, перетекают обратно в резервуар, а чернила, которые "выдавились" наружу, оставляют на бумаге точку. Подобные устройства выпускают компании Epson, Brother и другие.

Метод газовых пузырей. Второй способ базируется на термическом методе и больше известен под названием Bubblejet (инжектируемые пузырьки). При использовании этого метода каждое сопло оборудовано нагревательным элементом, который при пропускании через него тока за несколько микросекунд нагревается до температуры около 500°С. Возникающие при резком нагревании газовые пузыри (bubbles) стараются вытолкнуть через выходное отверстие сопла необходимую порцию (каплю) жидких чернил, которые переносятся на бумагу. При отключении тока нагревательный элемент остывает, паровой пузырь уменьшается и через входное отверстие поступает новая порция чернил. Подобную технологию использует фирма Canon.

Такие принтеры надежней в работе и срок их эксплуатации более продолжителен. Кроме того, использование этой технологии позволяет добиться высокой разрешающей способности принтеров. Недостаток при печати областей сплошного заполнения: они получаются несколько расплывчатыми. Применение метода газовых пузырей целесообразно при печати графиков, гистограмм и т. п., тогда как печать полутоновых графических изображений получается более качественной при использовании метода drop-on-demand.

Метод drop-on-demand. Третий метод, разработанный фирмой Hewlett-Packard, называется методом drop-on-demand. Так же как в методе газовых пузырей, здесь для подачи чернил из резервуара на бумагу используется нагревательный элемент.

Технология drop-on-demand обеспечивает наиболее быстрый впрыск чернил, что позволяет существенно повысить качество и скорость печати. Цветовое представление изображения в этом случае более контрастно.

Цветные струйные принтеры. Обычно цветное изображение формируется при печати наложением друг на друга изображений трех основных типографских цветов: голубого (cyan), пурпурного (magenta) и желтого (yellow). Хотя, теоретически, наложение этих трех цветов 100%-насыщенности должно в итоге давать черный цвет, на практике в большинстве случаев получается серый или коричневый. Потому в качестве четвертого основного цвета добавляют еще и черный (black).

По этой причине в новых моделях струйных принтеров применяется не три, а четыре цветных патрона для создания цвета (дополнительный патрон с чернилами черного цвета).

Особенности работы струйного принтера.

Скорость печати. Скорость печати струйного принтера, как и игольчатого, зависит от качества печати. При черновой печати (Draft Mode) по скорости струйный принтер значительно превосходит игольчатый. При печати с повышенным качеством (L·) скорость печати значительно уменьшается. При этом скорость печати струйного принтера в среднем составляет от 150 до 200 cps, что соответствует 3-4 страницам в минуту. Печать в цвете длится несколько дольше.

Шрифт и качество печати. Решающее преимущество струйного принтера, по сравнению с матричным заключается в изображении шрифта. Для моделей с большим числом сопел характерно достижение качества лазерного принтера. Большое значение имеют качество и толщина бумаги. Для получения высококачественного изображения рекомендуется использование специальной бумаги, обладающей быстрой впитываемостью чернил (extra-adsorbent paper).

Для снижения потери качества печати, связанного с растеканием чернил, для высыхания чернил иногда используется подогрев бумаги. Разрешение струйных принтеров при печати графики составляет от 300х300 до 600х600 dpi.

Обработка бумаги. Струйный принтер не может использовать бумагу в рулоне.

Головка принтера. Основным недостатком струйного принтера является относительно большая опасность засыхания чернил внутри сопла.

Некоторые типы принтеров нельзя выключать во время печати, так как в этом случае печатающая головка останется стоять в промежуточной позиции, что приведет к более быстрому высыханию чернил в соплах. Большинство принтеров имеют так называемый режим парковки, в котором печатающая головка возвращается в исходное положение внутри принтера, что предотвращает высыхание чернил. Некоторые струйные принтеры оборудованы функцией очистки сопел. Для того чтобы включить эту функцию, необходимо на панели принтера нажать соответствующую клавишу.

Твердочернильные принтеры. Принтеры на твердых красителях (твердочернильные) (solid ink printers) исходно разрабатывались как цветные устройства и представляют собой принтеры расплавляющие твердые чернила и выстреливающие их подобно струйным на барабан, переносящий их на бумагу (рисунок 1.36).

Рисунок 1.36 - Твердочернильный принтер

Преимуществами принтеров на твердых красителях являются простота смены красителей – стержни красителей добавляются по мере надобности, малое количество (две) типов расходуемых компонент, против 5-12 для цветных 103 лазерных принтеров и возможность работы с высоким качеством цветопередачи на самых различных носителях, в том числе и на обычных слайдах для слайд-проекторов. Недостатки – недолговечность головок, обходимость постоянного подогрева красителя.

Термические принтеры. Технология термических принтеров основана на использовании механизма печати факсимильных аппаратов. Фактически большинство термических принтеров работают как факсимильные аппараты. Печатающая головка термического принтера конструктивно похожа на аналогичный узел матричного принтера. Для таких принтеров необходима бумага со специальным термочувствительным покрытием. Управляемые электрическим током иголки нагревают бумагу, оставляя при этом отметки.

Сублимационные и термовосковые принтеры. Для получения цветного изображения с качеством, близким к фотографическому, или для изготовления допечатных цветных проб используют сублимационные и термовосковые принтеры, или, как их еще называют, цветные принтеры высокого класса. Имеются принтеры, которые совмещают в себе технологию сублимационной и термовосковой печати. Такие принтеры позволяют печатать на одном устройстве как черновые, так и чистовые оттиски.

Общим для сублимационной и термовосковой технологий является нагрев красителя и перенос его на бумагу (пленку) в жидкой или газообразной фазе. Многоцветный краситель, как правило, нанесен на тонкую лавсановую пленку толщиной 5 мкм. Пленка перемещается с помощью лентопротяжного механизма, который конструктивно похож на аналогичный узел игольчатого принтера. Матрица нагревательных элементов за 3 - 4 прохода формирует цветное изображение.

Отличие термовосковой печати от сублимационной заключается в том, что в первом случае пленка покрыта воскоподобной мастикой, а во втором - специальным красителем.

Термовосковые принтеры переносят краситель, растворенный в воске, на бумагу, нагревая ленту с цветным воском. Как правило, для подобных принтеров необходима бумага со специальным покрытием. Термовосковые принтеры обычно используются для красочной печати деловой графики.

При сублимационной печати осуществляется перевод красителя в газообразное состояние путем нагрева ленты. Этот газ затем поглощается полистирольным покрытием специальной бумаги. Диффузионный перенос красителя обеспечивает получение высококачественного цветного изображения без видимых тональных переходов.

Цветная сублимационная технология является средством получения фотографического качества изображения.

Лазерные принтеры. Доминирующими для лазерных принтеров являются электрофотографическая и светодиодная (LED, Light Emitting Diode) технологии. Электрофотографическая технология подобна используемой в копировальных аппаратах. В светодиодной технологии в качестве оптического устройства, формирующего изображение, используются светодиоды (исторически светодиодные принтеры относятся к классу лазерных). Светодиодная технология, как правило, находит применение в широкоформатных принтерах (до 36 дюймов). Электрофотографическая технология обычно используется в настольных и офисных лазерных принтерах.

Формирование изображения.

Лазерные принтеры формируют изображение путем позиционирования точек на бумаге (растровый метод). Первоначально страница формируется в памяти принтера и лишь затем передается в механизм печати. Растровое представление символов и графических образов производится под управлением контроллера принтера. Каждый образ формируется путем соответствующего расположения точек в ячейках сетки или матрицы, как на шахматной доске.

Растровая технология в значительной степени отличается от векторной, используемой в перьевых графопостроителях. При использовании векторной технологии изображение формируется путем построения линий из одной точки в другую.

Принцип действия. Лазерные принтеры, получившие наибольшее распространение, используют технологию фотокопирования, называемую еще электрофотографической, которая заключается в точном позиционировании точки на странице посредством изменения электрического заряда на специальной пленке из фотопроводящего полупроводника. Подобная технология печати применяется в ксероксах. Принтеры фирм HP и MS, например, используют механизм печати ксероксов фирмы Canon (рисунок 1.37).

Важнейшим конструктивным элементом лазерного принтера является вращающийся фотобарабан, с помощью которого производится перенос изображения на бумагу. Фотобарабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый тонкой пленкой из фотопроводящего полупроводника (обычно оксид цинка). По поверхности барабана равномерно распределяется статический заряд. С помощью тонкой проволоки или сетки, называемой коронирующим проводом. На этот провод подается высокое напряжение, вызывающее возникновение вокруг него светящейся ионизированной области, называемой короной [5, 8].

Рисунок 1.37 - Структурная схема лазерного принтера

Лазер, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч, отражающийся от вращающегося зеркала. Этот луч, попадая на фотобарабан, засвечивает на нем элементарные площадки (точки), и в результате фотоэлектрического эффекта в этих точках изменяется электрический заряд. Для некоторых типов принтеров потенциал поверхности барабана уменьшается от -900 до -200 В. Таким образом, на фотобарабане возникает копия изображения в виде потенциального рельефа.

На следующем рабочем шаге с помощью другого барабана, называемого девелопером (developer), на фотобарабан наносится тонер - мельчайшая красящая пыль. Под действием статического заряда мелкие частицы тонера легко притягиваются к поверхности барабана в точках, подвергшихся экспозиции, и формируют на нем изображение. Лист бумаги из подающего лотка с помощью системы валиков перемещается к барабану. Затем листу сообщается статический заряд, противоположный по знаку заряду засвеченных точек на барабане. При соприкосновении бумаги с барабаном частички тонера с барабана переносятся (притягиваются) на бумагу.

Для фиксации тонера на бумаге листу вновь сообщается заряд и он пропускается между двумя роликами, нагревающими его до температуры около 180 °С - 200 °С. После процесса печати барабан полностью разряжается, очищается от прилипших частиц тонера и готов для нового цикла печати. Описанная последовательность действий происходит очень быстро и обеспечивает высокое качество печати.

Цветная печать. При печати на цветном лазерном принтере используются две технологии.

В соответствии с первой на фотобарабане последовательно для каждого отдельного цвета (Cyan, Magenta, Yellow, Black) формировалось соответствующее изображение, и лист печатался за четыре прохода, что, естественно, сказывалось на скорости и качестве печати.

В современных моделях в результате 4х последовательных прогонов на фотобарабан наносится тонер каждого из 4х цветов. Затем при соприкосновении бумаги с барабаном на нее наносятся все 4 краски одновременно, образуя нужные цветовые сочетания на отпечатке. В результате достигается более ровная передача цветовых оттенков почти такая же как при печати на цветных принтерах с термопрессом красителя [2, 3, 8].

Светодиодные принтеры. В светодиодном принтере для засвечивания барабана вместо лазерного луча, управляемого с помощью системы зеркал, используется неподвижная светодиодная строка (линейка), состоящая из 2500 светодиодов, которой формируется не каждая точка изображения, а целая строка. На этом принципе, например, работают лазерные принтеры фирмы OKI.

Работа матричного принтера. Блок питания в принтерах представляют собой либо импульсные БП, либо БП с сетевым трансформатором. Блок питания принтера вырабатывает напряжение +5 В для запитки всех цифровых схем, +12 В для запитки интерфейсных схем при последовательном интерфейсе, +24 В или +36 В для запитки всех выходных усилителей мощности.

Все узлы и блоки принтера работают под управлением микро-ЭВМ, работающей под управлением программы, "зашитой" в ППЗУ принтера. Кроме управляющей программы в ППЗУ содержится тестовая программа и знакогенератор. Объем ППЗУ принтера может достигать от 10 до 96 Кбайт. ОЗУ принтера используется как буфер данных, для загружаемых знакогенераторов, хранения установки режимов принтера, для хранения промежуточных результатов и занимает объем от 2 Кбайт.

При включении питания микро-ЭВМ проверяет работоспособность своих основных узлов, перемещает каретку в лево и определяет левый край прогона каретки, считывает режимы, установленные DIP-переключателями, и положения клавиш, определяет наличие бумаги, состояние сигналов на интерфейсном разъеме. При поступлении данных от компьютера микро-ЭВМ заносит их в буфер данных / от 0,5 Кбайт/, после заполнения которого выставляет сигнал OFF LINE и распечатывает данные в соответствии с установленными режимами печати, после чего переходит в режим ON LINE, и процесс повторяется.

Связь между принтером и ПЭВМ осуществляется через порты ввода/вывода. Иногда в принтерах используется несколько однокристальных микроЭВМ, одна из которых является главной, а другие - подчиненными, на которые возложена часть функций по управлению исполнительными механизмами.

Часто в принтерах используется 40-выводная, однокристальная микро-ЭВМ Р8051 или Р8048 /Япония/ /аналог КМ1816ВЕ51 или КМ1816ВЕ48/ построенная по n-МОП технологии и запитанная напряжением +5В. Искра-ЭВМ имеет четыре программируемых порта ввода/вывода со стандартом ТТЛ и трехстабильными состояниями, ППЗУ на 4Кбайт, ОЗУ /RAM/, организацией 128Х8, АЛУ, блок прерываний, два счетчика-таймера.

Каждый порт содержит управляемый регистр-защелку, входной буфер и выходной драйвер. ППЗУ предназначена для хранения команд, констант, управляющих слов инициализации. ОЗУ используется для хранения переменных в процессе выполнения программы. ППЗУ и ОЗУ могут быть расширены до 64Кбайт путем подключения внешней памяти.

В качестве внешних портов ввода/вывода часто используется ОЗУ с портами ввода/вывода и таймером типа D8155 /Япония//аналог КР1821РУ55/. D8155 состоит из статического ОЗУ емкостью 2048 бит /256 Х 8/, двух 8-битовых портов, один 6-битовый порт и 14-битовый программируемый таймер. Во многих принтерах часть управляющих функций /обслуживание интерфейса, управление печатающей головкой/ возложена на вентильную матрицу /GATE ARRAY/. При этом электронная часть принтера упрощается.

В западных принтерах при построении электронной части часто используется микропроцессорный комплект ZILOG Z80, в который входит: центральный процессор /U880 D-CPU/; параллельный ввод/вывод /U855 D-PIO/; последовательный ввод/вывод /U856 D-SIO/; счетчик /U857D-CTC/.

Функции CPU -извлечение команд системной памяти и выполнение соответствующих операций /арифметико-логических, пересылки данных/. Набор команд CPU составляет 158 базовых команд длинной в 16, 8, 4 и 1 разряд. К CPU могут подключаться как статические, так и динамические ЗУ.

PIO (параллельный ввод/вывод) работает в 4 режимах: вывод байта /режим 0/, ввод байта /режим 1/, ввод/вывод байта /режим 2/, ввод/вывод бита /режим 3/. SIO (последова-тельный ввод/вывод) может работать в синхронном и асинхронном режимах и имеет 2 канала /А и В/, в каждом - передатчик и приемник. CTC - программируемая схема счетчика-таймера с 4 независимыми друг от друга каналами. Каждый канал может использоваться или как счетчик или как таймер. Канал 0 имеет высший приоритет, а канал 3 - наименьший. Вывод канала 3 не выведен и доступен только программно.

В качестве исполнительных устройств в матричном принтере используется:

- шаговый двигатель каретки;

- шаговый двигатель подачи бумаги;

- соленоиды печатающей головки /ПГ/;

- датчики левого края каретки, концевого контакта бумаги, рычага автозаправки бумаги;

- зуммер конца бумаги;

- клавиши, DIL-переключатели, индикаторы.

Для управления шаговыми двигателями и соленоидами используются транзисторные усилители мощности. Структурная схема матричного принтера представлена на рисунке 1.38.

Инициализация принтера. С приходом сигнала сброса принтер выполняет программу инициализации следующим образом:

- очищаются все выходные порты в CPU и вызывается программа начального адреса;

- очищаются порты при помощи аппаратного сброса в вентильной матрице /GATE ARRAY/, управляющие линии ПГ (печатающая головка) переходят в высокоомное состояние;

- установка портов ввода/вывода и инициализация ШД (шаговый двигатель);

- ШД переводится в режим удержания;

- очищается память;

- на ШД подаются сдвинутые по фазе сигналы и ШД перемещается в крайнюю левую позицию;

- инициализируется вентильная матрица;

- считывается состояние DIP переключателей, на интерфейсной плате (если такая плата есть);

- определяется наличие бумаги и результат анализа посылается в вентильную матрицу;

- переводит интерфейс в состояние ожидания (готовность к приему данных).

Управления шаговым двигателем. В принтерах часто используются четырехфазные ШД. При запитывании одной обмотки двигатель стоит и находится в состоянии удержания. При запитывании двух соседних обмоток ШД делает шаг. Таким образом, запитывая обмотки (+36В или +24В к одной обмотки и 0В к другой) в порядке W1+W2,W2+W3,W3+W4,W4+W1 и т.д. заставляем ШД вращаться в одном направлении, а запитывая их в обратном порядке - в другом направлении. Такой режим называется режимом полного шага. При запитывании обмоток в порядке CW1+W2,W2,W2+W3,W3... режим работы двигателя называется режимом полушага. Управляющие соленоиды ПГ запитываются так же, как и обмотки ШД. При запитывании соленоида ПГ выдвигается его сердечник и приводит в действие иглу. Количество усилителей мощности ПГ равно количеству игл. Ток в соленоидах может достигать 5-7А. При интенсивной работе ПГ соленоиды ПГ греются и от перегрева мо гут выйти из строя. Термистр является элементом, который преобразует температуру в напряжение. Напряжение на выходе термистора поступает на аналоговый вход микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ сравнивает это входное напряжение с опорным. Результат сравнения, зависящий от температуры соленоидов, приводит к одному из трех режимов работы принтера: двухсторонняя, односторонняя, остановка печати. В качестве датчиков принтера (левого края бумаги, концевого контакта бумаги, механизма автозаправки бумаги) обычно используют микровыключатели, либо оптопары, либо герконы. Микровыключатели реагируют на механическое замыкание и размыкание контактов. Оптопары отслеживают пересечение их светового потока непрозрачным предметом. Герконы замыкают внутренние контакты при приближении к ним магнита.

Принцип работы матричного принтера. После прохождения инициализации CPU переходит в состояние ожидания данных. Когда данные поступают на интерфейс, CPU начинает считывать данные находящиеся в GATE ARRAY (вентильная матрица) и записывает данные во входной буфер. CPU анализирует каждый байт данных и определяет, что он из себя представляет - управляющий код или данные до тех пор, пока буфер данных не станет полным или не придет команда печати. Если CPU определил команду печати или буфер заполнился, то CPU пересылает коды символов из буфера в знакогенераторе пересылает матричный образ данных в область скопированных данных в знакогенераторе. Далее данные передаются в буфер матричных образов. CPU записывает вертикальные столбцы точек из буфера образов в порт GATE ARRAY. Через некоторое время CPU проверяет содержимое строки буфера и посылает сигнал в буфер образов (GATE ARRAY). Подается напряжение на ШД каретки, подачи бумаги и подаются сигналы на печатающую головку.

Рисунок 1.38 - Структурная схема матричного принтера