基于嵌入式Linux的打印控制系統的設計

1． 引言

當前，大多數打印機都是由桌面機及相應軟件來驅動的，但是許多情況下，希望打印機能脫離機算計而獨立工作。基于這種考慮,本文提出一種基于嵌入式Linux的打印控制設備,它自帶液晶顯示屏，可以外接U盤,移動硬盤,可以預覽存儲設備上的文本和圖像文件并進行簡單的圖像編輯, 還可以根據需要更改打印參數.

2．打印控制系統硬件結構

硬件結構原理圖如圖1所示：

圖1硬件結構原理圖^[1]

各主要模塊基本組成描述如下：

（1） 微處理器MPU^[2]：本系統采用的嵌入式微處理器是Samsung公司S3C2410。這塊處理器是一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器,采用五級流水線和哈佛結構，提供1.1MIPS/MHz的性能,主要面向手持設備以及高性價比,低功耗的應用.

（2） Flash存儲器: 采用Samsung公司K9F1208U0M Nand Flash存儲器,存儲容量為64MB,用于存放嵌入式操作系統和應用程序,剩余空間用于暫存文件和用戶自由存儲使用.

（3） SDRAM存儲器: 采用HY57V561620CT,大小為32MB.

（4） USB集線器芯片: 采用ALCOR MICRO公司AU9254A21型號的USB集線器芯片,可將系統擴展為4個USB外部接口,用于連接打印機,U盤,鼠標,鍵盤等外部設備.

（5） 觸摸屏:采用Sharp公司的3.5寸LCD液晶屏, 320240的分辨率,自帶觸摸功能.

3. 打印控制系統的軟件設計

3.1 linux操作系統簡介

目前國際上有兩百多種嵌入式操作系統,比較有影響力的幾種是:VxWorks, uC/OS, Windows CE, Linux, QNX, Palm OS.這其中,Linux以其諸多的優點,發展最快,應用最廣.

Linux操作系統有如下幾個特點:

（1） 免費使用,節省了大量的開發費用.

（2） 開放源代碼,可以根據需要隨意定制內核.也正是由于其開源性,使得Linux成為自由軟件世界的一面旗幟,也使得我們能夠從廣袤的網絡世界中獲取大量的免費資源.

（3） 可移植性,能夠應用于多種硬件平臺.原形可以在標準平臺上開發,然后移植到具體硬件上,加快了開發過程.

（4） 高度的模塊化使添加部件非常容易.

本文所述系統采用經過裁減(依據外圍硬件和所需服務)的linux操作系統.

3.2 linux操作系統下的打印控制系統

根據打印機的命令方式，可以將其分成文本打印機、PostScript打印機和其它種類。所謂文本打印機，就是那些比較古老的針式打印機，我們不需要驅動程序,就可以直接用cat命令驅動打印機打印文字，但只能打印英文,這種打印機現在已經很少使用了。PostScript(簡稱PS)是一種繪圖能力很強的解釋性腳本語言,1985年由Adobe公司制定。由于它占用計算機系統資源少,處理過程標準化而且與設備無關,所以被廣泛的應用于打印系統.現在,能夠直接支持PostScript的打印機，通常都是非常高級的辦公打印機,對于這種打印機來說,PS語言是它們和計算機之間溝通的最簡便的方式,應用程序可以將生成的PS文檔直接發給打印機打印.但大多數情況下,我們使用的是各種比較低檔的,不能直接支持PostScript的噴墨或者激光打印機,這一種類的打印機只能識別各廠家自己的指令集.

接下來，我們根據圖2所示框圖，介紹一下打印控制系統中的幾個主要問題:

（1）格式轉化程序Netpbm:

一組轉換圖形格式的程序集,可以將png和jpg等格式的圖像經中間格式PNM,最終轉換成通用的PostScript格式.其中包括了pngtopnm,pnmtops等一系列獨立的小程序,將它們搭配使用,可以對圖像進行諸如縮放,旋轉等各種處理.

（2） GhostScript程序：

對于支持PostScript的打印機而言，要在Linux下使用是比較容易的，但對于那些不支持PostScript的打印機而言，就必須要把PostScript格式轉換成打印機能夠識別的命令格式,而GhostScript就是用來完成這個工作的.Ghostscript是PostScript打印機模擬程序，通過軟件模擬PostScript打印機，它的具體工作是將PostScript頁面描述語言，轉譯成各種打印機專用的低階打印指令，并發送給打印機執行。因此,Ghostscript需要知道各種打印機的指令語言,這就是的打印機驅動程序。Ghostscript軟件中有很多隨附的驅動程序,除此之外,還可以在www.LinuxPrinting.org的打印機資料庫中尋找.

（3）打印機驅動程序^[3]：

打印機驅動程序是應用軟件與打印機之間交流的橋梁，它可以將轉化好的打印文件，按照各種打印機不同的格式發送給打印機，因此不同的打印機都有自己特有的打印驅動程序。另外，隨驅動程序一起發布的還有PPD文檔，PPD(PostScript Printer Description)是用來描述打印機功能的文件，里面包含了字體，打印頁面等的一些描述。要使用一款打印機之前，必須找到其相應的PPD文件，并正確地安裝到打印管理器程序上。

（4）打印管理程序：

作為一個多用戶多任務的操作系統，Linux上的所有程序都是基于多任務、多用戶而設計的，打印也不例外。為了讓不同的用戶、不同的任務在打印的時候不會產生沖突，就需要一個打印管理程序,我們通常稱其為spooler。這類管理程序很多，從傳統的LPD，到時下非常流行的CUPS,它們功能各異，但有一點不變的就是都是用來協調打印任務的。CUPS的工作方式如下：通過命令行接收要打印的文件；通過文件的類型判斷是否需要將其轉換為PostScript，如果需要，則調用相應的應用程序進行轉換；通過PPD文件來判斷GhostScript應使用何種驅動處理此PostScript文件；把GhostScript處理的結果輸出到打印設備上。

（5）用戶統一界面Foomatic^[4]：

由于打印領域標準問題長時間不統一，誕生了各種打印管理程序，而要學會為每一個打印管理程序安裝驅動程序，是一件非常復雜的事情;如果用戶需要更換打印機,也必須更改復雜的設置。為了改善這種狀況，就出現了Foomatic應用程序，它的作用是通過一種方式管理所有的打印機，把PPD文檔和打印管理程序的配置屏蔽掉，給用戶一個友好的統一的界面。

在嵌入式系統設計中,因為其系統資源有限,合理分配資源和保證處理速度是我們首先要考慮的問題.一臺不支持PostScript格式的打印機工作時會占用大量的CPU處理時間和內存空間,只是在PC上工作時,由于CPU處理速度快,內存空間大,所以用戶感覺不到罷了.基于以上考慮,本文所設計的嵌入式打印系統,在保留上述打印機系統結構的情況下,以簡單的shell腳本程序代替CUPS等龐大的打印管理程序,以自行開發的圖形用戶界面代替Foomatic應用程序.另外,由于惠普公司的打印機驅動程序具有良好的通用性和可移植性,因此我們選擇HP Deskjet系列噴墨打印機,同時使用這一系列的通用驅動程序hpijs(含多種打印機型號的PPD文檔),源代碼由惠普公司官方網站提供.Ghostscript選用GNU Ghostscript 7.05版本,具有較好的可移植性.

3.3軟件設計中的關鍵問題:

（1）交叉編譯:

嵌入式項目的開發中,有一個重要的環節就是構建交叉編譯工具鏈.所有的軟件源程序,必須經過這個工具鏈的編譯,鏈接后才能生成可以在嵌入式系統上運行的代碼.在過去,編譯一套工具鏈要花費開發人員不少的時間,但現在在網上很容易就可以下載一套已經做好的工具鏈.本文所述打印系統中的netpbm程序集,GhostScript程序,hpijs打印機驅動程序都是通過交叉編譯以后才被裝入嵌入式系統使用的.

（2）打印任務管理程序:

沒有使用CUPS打印管理程序,是因為它會耗費大量的系統資源,這對于嵌入式系統來說無疑是致命的.但節約資源的同時,我們也要花費時間去設計一個適和于目標系統的程序,來管理打印任務.目前，我們實現的系統不作為打印服務器使用，因此沒有多用戶并發的情況。我們完全用SHELL腳本實現了簡單的打印任務管理功能,程序流程圖如下所示:

3.4 用戶圖形界面設計

Foomatic應用程序本身并不大,但它是一個Perl腳本程序,所以如果要使用它,我們還得額外移植一套龐大的Perl腳本解釋器,這對系統會有十幾兆的開銷.因此,我們選擇用Qt/Embedded工具包開發了一套簡單的用戶界面.其主要功能是讓用戶可以看到存儲設備(flash存儲器或外接usb存儲設備)上的文件,以便選擇打印,其中jpg和png格式的圖像還可以顯示出來,供用戶做簡單編輯后再打印;另外,可以讓用戶看到驅動程序所支持的幾十種打印機型號,用戶更換打印機后,只要更改相應的型號,程序就會自動調整打印命令,方便了用戶的管理和使用.

4.結束語

本文設計了一種基于嵌入式Linux的打印控制設備,在一般打印機上實現了脫離PC預覽，編輯，控制，打印的功能。這一設備具有很大的靈活性，只要移植相應的驅動程序，我們可以將其應用于所有打印機，這樣既獲得了優越的性能又節省了開支，具有較高的實用價值。

參考文獻：

[1] 江俊輝，基于ARM的嵌入式系統硬件設計，微計算機信息，2005年第7-2期
[2] 孫天澤等著，嵌入式設計及Linux驅動開發指南D基于ARM9處理器，電子工業出版社
[3] Alessandro Rubini等著，魏永明等譯，Linux設備驅動程序（第二版），中國電力出版社
[4] LinuxPrinting.org: Foomatic, http://www.linuxprinting.org /foomatic.html