Особенности построения электронных схем управления лазерных принтеров, копиров, МФУ

Особенности построения электронных схем управления лазерных принтеров, копиров, МФУ

          Современный лазерный принтер, цифровой копир, многофункциональное устройство имеют, как правило двухуровневую систему управления состоящую из платы форматера и одной или нескольких плат второго уровня. Для проведения ремонтных работ плат управления принтеров, МФУ, цифровых копировальных аппаратов необходимо знание основ построения этих сложных компонентов в объеме, примерно таком же, как и для ремонта системных плат персональных компьютеров.

Платы форматеров

Скорость работы лазерного принтера и его производительность во многом зависят от блока обработки изображения (форматера данных), который предназначен для обработки цифрового изображения, принятого в его оперативную память. Обработка принятого из компьютера изображения может быть очень сложной, например, в лазерных принтерах и цифровых копирах часто используются сложные алгоритмы обработки, обеспечивающие повышенное качество печати за счет сглаживания зубчатых и неровных краев при печати шрифтов, слежения за обеспечением высокой четкости печати векторных элементов; выполняется интел­лектуальный анализ типа линий, автоматически разли­чаются фотографии, текст и рисунки в пределах одной страницы; в зависимости от характера задания использу­ются разные алгоритмы печати; осуществляется управление размером точки для обеспечения разрешения класса 2400 dpi из реальных 600 dpi путем пошагового (1-16 стадий) горизонтального контроля размера каждой точки и т. д.

Плата форматера (рис. 1) по своему составу аналогична системной плате персонального компьютера (но ее стоимость гораздо выше системной платы: $700-800 и более, поэтому ее ремонт дает значительную экономию средств). На ней находится достаточно мощный быстродействующий универсальный 32-х или 64-х разрядный микропроцессор с тактовой частотой примерно 200-800 МГц. Микросхема используемая на форматере обычно является заказной, в качестве ее ядра используется достаточно мощный процессор, например,аналогичный Intel 960, или Power PC 405CR и др., кроме того в микросхеме имеется ряд специализированных портов ввода/вывода.

 Рис. 1.

 Этот микропроцессор и элементы, обеспечивающих его работу, являются основой платы форматера. На плате обычно размещают микросхемы DRAM, ПЗУ с «прошитой» в ней управляющей программой и программой обработки страниц, принятых из компьютера для печати.  В памяти форматера хранятся и различные используемые при печати шрифты, стандартные формы, которые необходимо часто печатать. Как правило, форматере имеется возможность расширять объем памяти и поэтому на плате  обычно имеются специальные разъемы, в которые и устанавливаются модули расширенной памяти. Результаты «интеллектуальной обработки» в форматере изображения страницы (точечный растр) должны быть преобразованы в аналоговый вид, пригодный для управления включением луча лазера. Это преобразование выполняет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) блока обработки изображения, который осуществляет управле­ние лазером и преобразует цифро­вой сигнал изображения в одноканальный ана­логовый сигнал управления яркостью свечения лазера на этапе формирования «скрытого изображения».

Современный лазерный принтер, копир, МФУ немыслим без возможности сохранения его настроек, таких как размер бумаги, выбранный шрифт, качество печати и ряда других. Поэтому на плате форматера, как правило, должна быть микросхема энергонезависимой памяти, которая и предназначена для хранения всех этих установок. В современной микроэлектронной технике в качестве энергонезависимой памяти применяются микросхемы электрически-перепрограммируемого ПЗУ, которые получили название флэш-памяти (Flash).

Для работы любой микропроцессорной системы естественно имеется кварцевый синхрогенератор, который формирует тактовые импульсы, в соответствии с которыми осуществляются все циклы работы микропроцессора (в большинстве случаев синхрогенератор является встроенным в корпус микросхемы микропроцессора).

Для связи с компьютером, платами второго уровня управления, дополнительными устройствами (например HDD), плата форматера имеет схемы подключения к одному или нескольким стандартным интерфейсам (например, PCI, SPI, I²C и т. п.)

Наличие жесткого диска в многофункциональном аппарате позволяет существенно сократить длительность подготовительного этапа печати. Обычно диск устанавливается там, где его применение оправдано. Как правило, в сетевых принтерах используют встроенный жесткий диск, хотя возможно и внешнее подключение. На жестких дисках обычно хранится системная информация, графические файлы, растрированные изображения для печати копий. Применение диска позволяет снизить трафик при больших объемах печати. Обработка данных осуществляется лишь после того, как весь файл поступает на диск. Кроме того, жесткий диск часто применяется для хранения электронных форм.

Эффективность сетевой работы может быть существенно повышена благодаря реализации с помощью жесткого диска таких функций, как конфиденциальная печать (конфиденциальная печать осуществляется после введения смарт-карты в специальное устройство  набора кода), печать контрольного экземпляра, резервирование и повторная печать. Конфиденциальная печать задания, находящегося па жестком диске, производится только после того, как владелец пароля наберет персональный идентификационный код на панели принтера. Если жесткий диск отсутствует, задание помещается в оперативную память, но оно может храниться там только до первого сброса принтера, к тому же объема оперативной памяти может не хватить для хранения всего файла.                                           

Для заполнения электронных форм на жесткий диск загружают уже обработанную для печати форму, фактически несколько текстовых полей, причем ее структура может быть очень сложной. Форма хранится на жестком диске в растрированном виде, а контекст передается по сети, в результате печать идет практически со скоростью поступления информации. Это удобная функция для печати накладных. В компании Xerox такая технология называется VIPP-печать переменных данных, a хранилищем электронных форм служит жесткий диск объемом до нескольких гигабайт.

Тиражирование файлов также требует установки жесткого диска. В сетевых принтерах Epson (как правило, они комплектуются жесткими дисками) применяется технология тиражирования RIP Once Print Many (ROPM). Если на печать отправляется несколько копий документа, то чтобы не загружать локальную сеть, документ один раз посылается на принтер (в оперативную память или на жесткий диск), и там же обрабатывается. С помощью утилиты администрирования и управления жестким диском с компьютера, можно непосредственно из браузера, набрав IР-адрес принтера и введя пароль, посмотреть все содержимое жесткого диска, все защищенные файлы в режиме Preview, получить доступ к истории печати документа, узнать, когда, кем и сколько раз он был отпечатан. Утилита предоставляет практически все возможности, которые имеет пользователь при работе с файлом в среде Windows, вплоть до его удаления.

Жесткий диск эффективно применяется и в многофункциональных цветных копировальных аппаратах. На диск помещается растрированное задание и только потом печатается необходимое количество копий. Жесткий диск имеет свой особый мини-контроллер, который вставляется в свободный слот и после автоматической инициализации он готов к работе.

В ряде многофункциональных аппаратов предусматривается использование в качестве факса и сетевого принтера. Для сетевого принтера определяющими являются такие параметры, как наличие сетевого адреса и скорость печати, чтобы он был в состоянии обслуживать ту рабочую группу, для которой установлен. Сетевым принтером может быть устройство уровня небольших офисов, или самые мощные аппараты, оснащенные одним или несколькими слотами для встроенного принт-сервера в виде сетевой карты с поддержкой сетевых протоколов. Как правило, в них тоже используется лазерная или светодиодная технология с высоким разрешением. Современные сетевые принтеры  -  это информационные устройства, которые способны преобразовывать и передавать информацию. Они в состоянии не только распечатать жесткую копию файла, но также принять и разослать ее по множеству адресов. Компьютерный мир меняется быстро, и название «периферия» по отношению к сетевым принтерам представляется уже не совсем точным. В сетевой среде современный принтер является вполне автономным устройством, которое имеет те же компоненты, что и компьютер. В нем устанавливают системные платы со все более быстрым процессором, оперативную память, жесткий диск, сетевую карту, возможно подключение внешнего жесткого диска, есть вход для монитора. Поэтому справедливо эти устройства рассматривают в качестве компьютерных узлов в локальной, или глобальной сети.

Многие производители комплектуют свои устройства флэш-памятью в виде дополнительной микросхемы, благодаря которой можно сэкономить время на подготовку документа к печати. Она представляет собой энергонезависимое запоминающее устройство (флэш-модуль объемом до 2 Мбайт) и обеспечивает многократную «прошивку» микрокоманд. Обычно в ней хранятся расширенные версии шрифтов, макеты заголовков, стандартные таблицы, настройки принтера и многое другое. С помощью соответствующего программного сервиса, по желанию администратора, можно автоматически обновлять, например, записанный в такую память интерпретатор языков и даже менять язык сообщений меню.

Кроме всего этого аппарат должен иметь панель управления (дисплей), обеспечивающую связь блока обработки изображения (микропроцессора) с пользователем. Через панель управления пользователь осуществляет выбор режимов работы и установок принтера, осуществляет действия по преобразованию формата изображения, а также получает информацию о текущем состоянии устройства, о выбранных режимах работы и т. п.

Как и персональные компьютеры лазерные принтеры, копиры, МФУ обычно оснащены встроенной системой самодиагностики, определяющей причину отказа. Эта система призвана облегчить работу сервисного инженера по диагностике неисправностей устройства (аналог POST-теста в ПК). После прохождения начального тестирования, из ПЗУ форматера считываются и выполняются команды управляющей программы реализующей обработку и выдачу цифрового изображения, связь с интерфейсом компьютера и микропроцессорами второго уровня управления.

Платы управления второго уровня

Лазерные принтеры, цифровые копиры, МФУ являясь сложными элект­ромеханическими устройствами, снабжены набором ме­ханических и электронных узлов, датчиков, переключателей, сенсоров, соленоидов, которые управляют и обеспечивают контроль процесса работы аппарата, сообщают микроконтроллеру второго уровня о состоянии отдельных его узлов. Управляют всеми процессами в аппарате электронные компо­ненты, которые располагаются на печатных платах. Назначение печатных плат типового копировального аппарата  указано в табл.1.

Основой для построения главных плат управления второго уровня являются специализированные микро-ЭВМ называемые микроконтроллерами. Микроконтроллеры являются основой схем управления многих современных промышленных уст­ройств и приборов. Самой главной особенно­стью микроконтроллеров, с точки зрения конструктора-проектиров­щика, является то, что с их помощью легче и зачастую гораздо де­шевле реализовать различные схемы управления различных устройств и аппаратов, в том  числе лазерных принтеров, МФУ и копировальных. На рис. 2  изображена структурная схема типичного современ­ного микроконтроллера.

   Таблица 1

 Рис. 2. Структурная схема микроконтроллера

 Микроконтроллер (рис. 2) может управлять раз­личными устройствами, узлами, механизмами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число периферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление энергии от источника питания. Для сравнения: при использовании традиционных микропроцес­соров приходится все необходимые схемы сопряжения с другими устройствами реализовывать на дополнительных компонентах, что увеличивает массу, размеры и потребление электроэнергии. Типичные схемы, присутствующие в микро­контроллерах перечислены ниже.

 Центральное процессорное устройство (ЦПУ) является основой любого микроконтроллера. Оно принимает из памяти программ коды команд управляющей программы из ПЗУ, декодирует их и выполняет. ЦПУ состоит из регистров, арифмети­ко-логического устройства (АЛУ) и цепей управления.

 Память управляющих программ (ПЗУ). Здесь хранятся коды команд управляющей программы, последователь­ность которых формирует программу для микроконтроллера, реализующую алгоритм работы аппарата на втором уровне управления.

 Оперативная память. Здесь хранятся переменные управляющей про­граммы (константы, определяющие предельные значения температуры, временных интервалов; фиксируются состояния датчиков, переключателей, клавиш пульта управления аппарата и буферизируется информация для вывода на индикаторы пульта (дисплей); результаты вычислений и у большинства микроконтроллеров здесь расположен стек.

 Тактовый генератор. Формирует тактовые импульсы для системы, генератор определяет скорость рабо­ты микроконтроллера.

 Цепь сброса. Осуществляет начальный «сброс» системы. Эта цепь служит для правильного запуска микроконтроллера.

 Последовательный порт – последовательный интерфейс микрокон­троллера, который позволяет обмениваться данными с внешними устройствами (и форматером) при малом количестве проводов (возможны и другие интерфейсы SPI, I²C и др.).

 Цифровые порты ввода/вывода. С помощью этих портов микроконтроллер принимает сигналы с цифровых датчиков (типа «включен/выключен») и выдает управляющие сигналы на исполнительные механизмы аппарата (см. рис. 3).

 Рис. 3. Управление трактом перемещения бумаги (второй уровень управления).

 Таймер. Используется для отсчета временных интервалов.

 Сторожевой таймер. Это специальный таймер, предназначен­ный для предотвращения сбоев программы. Процессор с определенным интервалом записывает в сторожевой таймер константу и таймер начинает отсчет заданного временного ин­тервала. Если программа не перезапишет в него константу до истечения определенного ин­тервала времени, сторожевой таймер досчитает до нуля и выдаст сигнал в цепь сброса, которая осуществляет начальный «сброс» системы перезапустит микроконтроллер. Таким образом, программа должна давать сторожевому таймеру сигнал — все в порядке. Если она этого не сделала, значит, по ка­кой-либо причине произошел сбой.

Аналоговые порты ввода/вывода. Обеспечивают прием аналоговых сигналов с датчиков (температуры и датчиков количества тонера и др.) и вывод аналоговых сигналов, определяющих, например, изменение смещения на узле проявки.                                                                                       

 Запуск и управление источниками питания блока HVT тоже осуществляется сигналами от микропроцессора, находящегося на плате контроллера постоянного тока (DC Controller).

 Рис. 4. Запуск и управление источниками питания блока HVT (второй уровень управления).

Рис. 5. Пример блок-схемы микроконтроллера (второго уровня управления)

Рис. 6. Контур регулировки температуры нагревательного элемента узла закрепления (второй уровень управления)

 Микроконтроллер (микропроцессор) в момент инициализации аппарата, непосредственно перед началом печати или уже во время печати опрашивает состояния датчиков в соответствии с управляющей программой. Если состояния датчиков не соответствуют тому, что записано в программе, то возникает состояние ошибки. Микропроцессор, определив какой из датчиков выдает неверную информацию, указывает причину или неисправный блок.

Коды ошибок как правило выводятся на световом дисплее, находящемся на панели управления копира. Коды ошибок могут сообщать о следующих отказах:

- неисправность при работе главного электродвигателя,

- неисправность в работе охлаждающего вентилятора печки,

- неисправность источника высоких напряжений,

- неисправность блока фиксации (печки) – ошибка при прогреве,

- неисправность блока фиксации (печки) – ненормально низкая температура,

- неисправность блока фиксации (печки) – ненормально высокая температура,

- неисправность системной памяти, установленной на плате процессора,

- неисправна или недоступна энергонезависимая память EEPROM,

- произошла ошибка связи между основной платой и опциональными устройствами,

- замятие бумаги,

- мало тонера и т. п.

Кроме того, в современных аппаратах предусмотрены технологические режимы работы, которые задаются с пульта сервисным инженером и позволяют удобно (по техническому руководству) выполнять регулировки и поиск неисправности.

Микроконтроллер второго уровня по окончании начального «сброса» после включения электропитания аппарата начинает выполнение своей управляющей программы, которая определяет циклы работы аппарата по изготовлению печатных листов. Программа постоянно выполняется по циклу, микропроцессор выполняя действия предусмотренные управляющей программой включает исполнительные устройства (двигатели, соленоиды, муфты, нагревательные элементы), постоянно опрашивает состояния цифровых датчиков и запоминает их состояния в фиксированных ячейках DRAM; опрашивает состояния клавиш пульта и запоминает их состояния в ячейках DRAM, принимает аналоговые сигналы с датчиков температуры, преобразует их в цифровые эквиваленты и тоже запоминает в соответствующих ячейках DRAM. С помощью таймеров контролирует временные интервалы. Управляющая программа в каждом цикле исполнения анализирует  содержащуюся в ячейках DRAM информацию с датчиков на соответствие эталонным значениям и формирует через цифровые порты вывода управляющие воздействия на исполнительные узлы. Читает состояния клавиш пульта и записывает в ячейки DRAM коды для отображения нажатых клавиш на индикаторах пульта управления. При обнаружении ситуаций требующих вмешательства оператора заносит в ячейки DRAM коды сообщения. В определенный момент управляющая программа через цифровые порты вывода выдаст коды сообщения на индикаторы пульта, среагирует выдачей управления если с клавиатуры пульта были даны команды для исполнения и. т. д. При «зависании» микропроцессора срабатывает сторожевой таймер и схема формирования начального сброса приводит микроконтроллер в исходное состояние, и он по окончании сигнала «начального сброса» переходит на начало управляющей программы (второго уровня управления), она проводит начальную диагностику и может быть выдаст код ошибки (в этом случае возможно использование технологических режимов работы, которые задаются с пульта сервисным инженером и позволяют удобно (по техническому руководству) выполнять регулировки и поиск неисправности.