基于嵌入式Linux的打印控制系统的设计

1． 引言

当前，大多数打印机都是由桌面机及相应软件来驱动的，但是许多情况下，希望打印机能脱离机算计而独立工作。基于这种考虑,本文提出一种基于嵌入式Linux的打印控制设备,它自带液晶显示屏，可以外接U盘,移动硬盘,可以预览存储设备上的文本和图像文件并进行简单的图像编辑, 还可以根据需要更改打印参数.

2．打印控制系统硬件结构

硬件结构原理图如图1所示：

图1硬件结构原理图^[1]

各主要模块基本组成描述如下：

（1） 微处理器MPU^[2]：本系统采用的嵌入式微处理器是Samsung公司S3C2410。这块处理器是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器,采用五级流水线和哈佛结构，提供1.1MIPS/MHz的性能,主要面向手持设备以及高性价比,低功耗的应用.

（2） Flash存储器: 采用Samsung公司K9F1208U0M Nand Flash存储器,存储容量为64MB,用于存放嵌入式操作系统和应用程序,剩余空间用于暂存文件和用户自由存储使用.

（3） SDRAM存储器: 采用HY57V561620CT,大小为32MB.

（4） USB集线器芯片: 采用ALCOR MICRO公司AU9254A21型号的USB集线器芯片,可将系统扩展为4个USB外部接口,用于连接打印机,U盘,鼠标,键盘等外部设备.

（5） 触摸屏:采用Sharp公司的3.5寸LCD液晶屏, 320240的分辨率,自带触摸功能.

3. 打印控制系统的软件设计

3.1 linux操作系统简介

目前国际上有两百多种嵌入式操作系统,比较有影响力的几种是:VxWorks, uC/OS, Windows CE, Linux, QNX, Palm OS.这其中,Linux以其诸多的优点,发展最快,应用最广.

Linux操作系统有如下几个特点:

（1） 免费使用,节省了大量的开发费用.

（2） 开放源代码,可以根据需要随意定制内核.也正是由于其开源性,使得Linux成为自由软件世界的一面旗帜,也使得我们能够从广袤的网络世界中获取大量的免费资源.

（3） 可移植性,能够应用于多种硬件平台.原形可以在标准平台上开发,然后移植到具体硬件上,加快了开发过程.

（4） 高度的模块化使添加部件非常容易.

本文所述系统采用经过裁减(依据外围硬件和所需服务)的linux操作系统.

3.2 linux操作系统下的打印控制系统

根据打印机的命令方式，可以将其分成文本打印机、PostScript打印机和其它种类。所谓文本打印机，就是那些比较古老的针式打印机，我们不需要驱动程序,就可以直接用cat命令驱动打印机打印文字，但只能打印英文,这种打印机现在已经很少使用了。PostScript(简称PS)是一种绘图能力很强的解释性脚本语言,1985年由Adobe公司制定。由于它占用计算机系统资源少,处理过程标准化而且与设备无关,所以被广泛的应用于打印系统.现在,能够直接支持PostScript的打印机，通常都是非常高级的办公打印机,对于这种打印机来说,PS语言是它们和计算机之间沟通的最简便的方式,应用程序可以将生成的PS文档直接发给打印机打印.但大多数情况下,我们使用的是各种比较低档的,不能直接支持PostScript的喷墨或者激光打印机,这一种类的打印机只能识别各厂家自己的指令集.

接下来，我们根据图2所示框图，介绍一下打印控制系统中的几个主要问题:

（1）格式转化程序Netpbm:

一组转换图形格式的程序集,可以将png和jpg等格式的图像经中间格式PNM,最终转换成通用的PostScript格式.其中包括了pngtopnm,pnmtops等一系列独立的小程序,将它们搭配使用,可以对图像进行诸如缩放,旋转等各种处理.

（2） GhostScript程序：

对于支持PostScript的打印机而言，要在Linux下使用是比较容易的，但对于那些不支持PostScript的打印机而言，就必须要把PostScript格式转换成打印机能够识别的命令格式,而GhostScript就是用来完成这个工作的.Ghostscript是PostScript打印机模拟程序，通过软件模拟PostScript打印机，它的具体工作是将PostScript页面描述语言，转译成各种打印机专用的低阶打印指令，并发送给打印机执行。因此,Ghostscript需要知道各种打印机的指令语言,这就是的打印机驱动程序。Ghostscript软件中有很多随附的驱动程序,除此之外,还可以在www.LinuxPrinting.org的打印机资料库中寻找.

（3）打印机驱动程序^[3]：

打印机驱动程序是应用软件与打印机之间交流的桥梁，它可以将转化好的打印文件，按照各种打印机不同的格式发送给打印机，因此不同的打印机都有自己特有的打印驱动程序。另外，随驱动程序一起发布的还有PPD文档，PPD(PostScript Printer Description)是用来描述打印机功能的文件，里面包含了字体，打印页面等的一些描述。要使用一款打印机之前，必须找到其相应的PPD文件，并正确地安装到打印管理器程序上。

（4）打印管理程序：

作为一个多用户多任务的操作系统，Linux上的所有程序都是基于多任务、多用户而设计的，打印也不例外。为了让不同的用户、不同的任务在打印的时候不会产生冲突，就需要一个打印管理程序,我们通常称其为spooler。这类管理程序很多，从传统的LPD，到时下非常流行的CUPS,它们功能各异，但有一点不变的就是都是用来协调打印任务的。CUPS的工作方式如下：通过命令行接收要打印的文件；通过文件的类型判断是否需要将其转换为PostScript，如果需要，则调用相应的应用程序进行转换；通过PPD文件来判断GhostScript应使用何种驱动处理此PostScript文件；把GhostScript处理的结果输出到打印设备上。

（5）用户统一界面Foomatic^[4]：

由于打印领域标准问题长时间不统一，诞生了各种打印管理程序，而要学会为每一个打印管理程序安装驱动程序，是一件非常复杂的事情;如果用户需要更换打印机,也必须更改复杂的设置。为了改善这种状况，就出现了Foomatic应用程序，它的作用是通过一种方式管理所有的打印机，把PPD文档和打印管理程序的配置屏蔽掉，给用户一个友好的统一的界面。

在嵌入式系统设计中,因为其系统资源有限,合理分配资源和保证处理速度是我们首先要考虑的问题.一台不支持PostScript格式的打印机工作时会占用大量的CPU处理时间和内存空间,只是在PC上工作时,由于CPU处理速度快,内存空间大,所以用户感觉不到罢了.基于以上考虑,本文所设计的嵌入式打印系统,在保留上述打印机系统结构的情况下,以简单的shell脚本程序代替CUPS等庞大的打印管理程序,以自行开发的图形用户界面代替Foomatic应用程序.另外,由于惠普公司的打印机驱动程序具有良好的通用性和可移植性,因此我们选择HP Deskjet系列喷墨打印机,同时使用这一系列的通用驱动程序hpijs(含多种打印机型号的PPD文档),源代码由惠普公司官方网站提供.Ghostscript选用GNU Ghostscript 7.05版本,具有较好的可移植性.

3.3软件设计中的关键问题:

（1）交叉编译:

嵌入式项目的开发中,有一个重要的环节就是构建交叉编译工具链.所有的软件源程序,必须经过这个工具链的编译,链接后才能生成可以在嵌入式系统上运行的代码.在过去,编译一套工具链要花费开发人员不少的时间,但现在在网上很容易就可以下载一套已经做好的工具链.本文所述打印系统中的netpbm程序集,GhostScript程序,hpijs打印机驱动程序都是通过交叉编译以后才被装入嵌入式系统使用的.

（2）打印任务管理程序:

没有使用CUPS打印管理程序,是因为它会耗费大量的系统资源,这对于嵌入式系统来说无疑是致命的.但节约资源的同时,我们也要花费时间去设计一个适和于目标系统的程序,来管理打印任务.目前，我们实现的系统不作为打印服务器使用，因此没有多用户并发的情况。我们完全用SHELL脚本实现了简单的打印任务管理功能,程序流程图如下所示:

3.4 用户图形界面设计

Foomatic应用程序本身并不大,但它是一个Perl脚本程序,所以如果要使用它,我们还得额外移植一套庞大的Perl脚本解释器,这对系统会有十几兆的开销.因此,我们选择用Qt/Embedded工具包开发了一套简单的用户界面.其主要功能是让用户可以看到存储设备(flash存储器或外接usb存储设备)上的文件,以便选择打印,其中jpg和png格式的图像还可以显示出来,供用户做简单编辑后再打印;另外,可以让用户看到驱动程序所支持的几十种打印机型号,用户更换打印机后,只要更改相应的型号,程序就会自动调整打印命令,方便了用户的管理和使用.

4.结束语

本文设计了一种基于嵌入式Linux的打印控制设备,在一般打印机上实现了脱离PC预览，编辑，控制，打印的功能。这一设备具有很大的灵活性，只要移植相应的驱动程序，我们可以将其应用于所有打印机，这样既获得了优越的性能又节省了开支，具有较高的实用价值。

参考文献：

[1] 江俊辉，基于ARM的嵌入式系统硬件设计，微计算机信息，2005年第7-2期
[2] 孙天泽等著，嵌入式设计及Linux驱动开发指南D基于ARM9处理器，电子工业出版社
[3] Alessandro Rubini等著，魏永明等译，Linux设备驱动程序（第二版），中国电力出版社
[4] LinuxPrinting.org: Foomatic, http://www.linuxprinting.org /foomatic.html