Раздел3 «Устройства вывода информации на печать (принтеры)

СОДЕРЖАНИЕ КОНСПЕКТА

Раздел3 «Устройства вывода информации на печать (принтеры)110

1. Принципы построения печатающих устройств 111

2. Организация взаимодействия принтера с ПЭВМ 127

3. СПОСОБЫ ЗНАКОГЕНЕРАЦИИ В ЗНАКОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ПРИНТЕРАХ 140

4. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕЧАТЬЮ 1483

В виде печатного слова мысль стала долговечной

как никогда: она крылата, неуловима, неистребима.

В.Гюго “Собор Парижской Богоматери”

1. Принципы построения печатающих устройств

Разновидности печатающих устройств. Тип принтера (его наименование) определяется рядом классификационных признаков:

- принцип действия;

- способ формирования текста;

- способ формирования символов;

- способ печати;

- наличие (или отсутствие) цветности;

- формат носителя (бумаги);

- быстродействие (скорость печати).

Рассмотрим указанные выше признаки применительно к современным принтерам.

Принцип действия. Все современные принтеры по принципу действия можно разделить на две большие группы – ударные и безударные устройства.

Ударным принтером называют устройство, использующее механический удар при записи символов или элементов графики с помощью красящего элемента (ленты или копировальной бумаги). Образно говоря, ударные принтеры "вколачивают" текст или графику в поверхность носителя. В процессе печати ударные элементы (иглы, сегменты или молоточки) или литероноситель (шрифтоноситель) механически перемещаются. Литероносителем или шрифтоносителем называют механизм, в том или ином виде содержащий алфавит принтера.

В ударных принтерах шрифтоносители оформляются конструктивно по-разному, что определяет технологию печати, скорость работы принтера, его стоимость. В зависимости от конструктивного оформления шрифтоносителя принтеры получают свое название или тип. Так среди ударных принтеров принято различать следующие основные типы:

- барабанные алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ);

- цепочные печатающие устройства;

- лепестковые или воланные принтеры;

- шаровые или цилиндрические принтеры.

В таких устройствах алфавит принтера фиксирован с помощью шрифтоносителя и может быть заменен лишь путем смены последнего, что не всегда возможно.

К достоинствам таких устройств можно отнести:

- возможность получения одновременно с оригиналом нескольких копий;

- использование обычных сортов бумаги (в том числе низкосортную бумагу);

- умеренную стоимость устройства;

- высокую скорость печати некоторых устройств (барабанные, цепочные).

В качестве недостатков этих устройств можно отметить:

• сложность изготовления механических и электромеханических деталей и узлов этих устройств;

- повышенный уровень шума при их работе;

- относительно невысокую надежность вследствие значительного количества движущихся деталей и механизмов.

Упомянутые выше типы ударных принтеров в настоящее время практически не используются, так как они вытеснены новыми устройствами, имеющими более высокие технические показатели.

Особое место среди принтеров ударного типа занимают знакосинтезирующие или матричные принтеры, которые используются и в настоящее время.

Знакосинтезирующие принтеры не имеют шрифтоносителя как такового. Контур символа формируется каждый раз в момент печати. Печатающий механизм (печатающая головка) представляет собой набор стержней (иголок), конструктивно объединенных в так называемую матрицу. Изображение символа формируется путем выдвижения стержней, входящих в контур символа, под воздействием индивидуальных приводов стержней (электромагнитов) и осуществлении удара стержнями по бумаге через красящую ленту. Все поле печатаемого символа (знакоместо) разбивается на отдельные элементы, составляющие матрицу, которая называется матрицей разложения символа. Более подробно принципы работа матричных принтеров и их разновидности рассматриваются ниже.

Безударные принтеры появились как своего рода альтернатива ударным, что позволило резко снизить уровень шума при работе принтера и существенно повысить скорость печати. Кроме того, безударные принтеры (некоторые их разновидности) позволили ввести в печать цветовую гамму.

В отличие от ударных в безударных принтерах (БП) используются, как правило, бесконтактные способы печати или такие способы, при которых контакт головки с бумагой минимален и не снижает скорости печати.

Основными недостатками БП являются:

- необходимость использования специальную бумагу или бумагу очень высокого качества;

- необходимость иметь специальный красконоситель (тонер-порошок или специальные чернила);

- невозможность одновременного получения нескольких копий документа.

В БП знаки на носителе формируются за счет изменения свойств вещества носителя или за счет нанесения красящего вещества на поверхность носителя. В первом случае используются термические, термохимические, термоэлектрические или электромагнитные процессы печати, во втором световые процессы и процессы напыления красящего вещества на поверхность носителя.

Так же как и в ударных устройствах, тип безударного принтера (его название) образуется по названию технологического процесса, используемого при печати: термические, электростатические, лазерные, струйные принтеры и т.п.

Способ формирования текста. С точки зрения способов формирования текста различают:

- последовательные (посимвольные) принтеры;

- параллельные (построчные) принтеры;

- постраничные принтеры.

Последовательными принтерами называют устройства, в которых печатающая головка (ПГ) перемещается вдоль выводимой строки текста и последовательно (символ за символом) печатает строку. Время печати символа в таких устройствах является циклом печати.

Параллельными принтерами называют устройства, в которых при выводе текста все символы, входящие в состав строки, печатаются за один цикл печати (одновременно).

Постраничные принтеры выводят на печать за один цикл текст размером в одну страницу.

Способ формирования символа. По этому признаку принтеры делятся на знакопечатающие и знакосинтезирующие устройства.

Знакопечатающие устройства осуществляют печать символа методом оттиска готовой литеры через красящую ленту или копировальную бумагу. Для таких принтеров характерен постоянный (несменяемый) набор литер (пишущая машинка, барабанный АЦПУ, цепочный принтер).

Знакосинтезирующие принтеры характеризуются тем, что контур знака создается в поле матрицы разложения в момент печати (см. выше). Поскольку в таких принтерах отсутствует шрифтоноситель, функции его перекладываются на знакогенератор.

По способу печати различают статические и динамические принтеры.

В статических принтерах шрифтоноситель вне момента печати находится в покое, и его элемент начинает перемещаться к месту знака в строке по получении команды – пространственный принцип выбора нужного символа (лепестковые, шаровые и др. принтеры).

В динамических принтерах используется временной принцип выбора литеры. Это означает, что шрифтоноситель находится в движении всегда (вне момента и в момент печати), а символ печатается тогда, когда литера занимает нужное место в строке (барабанные и цепочные принтеры).

Следует отметить, что отмеченное выше относится к ударным принтерам и не может быть распространено на безударные.

По формату бумаги принтеры подразделяются на узкоформатные, малоформатные и широкоформатные. Формат бумаги определяет количество символов в текстовой строке. Это количество колеблется в широких пределах (от 5 до 160 и более) при шаге печати 2,54 мм (дюйм).

По цветности принтеры могут быть одноцветными и многоцветными. Следует отметить, что далеко не все типы принтеров обладают возможностью печатать многоцветный текст или графику. Наиболее просто и естественно многоцветная печать реализуется в струйных принтерах.

По быстродействию принтеры могут быть разделены на три категории: низко- средне- и высокоскоростные. Следует отметить относительность этого деления, т.к. скорость прямым образом зависит от принципа печати, реализуемого в конкретном принтере.

Знакосинтезирующие печатающие устройства или матричные принтеры (МП) являются ударными устройствами. Их отличительной особенностью является то, что в них отсутствует шрифтоноситель как таковой. Контур знака синтезируется на матрице разложения в момент печати. Устройства этого типа ввиду их больших возможностей стали явными лидерами среди устройств ударного типа.

Изображение символа в МП синтезируется путем сочетания его отдельных элементов (точек, отрезков линий и т.п.). Наибольшее распространение в настоящее время получили принтеры, в которых используется разложение контура знака на отдельные точки. При этом матрица разложения может иметь различную размерность: M х N = 3х5; 5х7; 7х9; 9х12 и т.д. точек (рис.1.1).

Печатающая головка МП представляет собой механизм, состоящий из M х N выдвигающихся стержней (игл), управление которыми (выдвижение) осуществляется индивидуально с помощью электроприводов.

Использование такого принципа печати произвело в принтерах настоящую революцию, так как матричный способ печати позволил реализовать большие возможности, главными из которых являются:

- лёгкое изменение типа шрифта без смены печатающей головки;

- возможность печатать элементы графики;

- реализация различных режимов печати (Draft, NLQ, LQ);

- многопроходная печать в том числе со смещением бумаги на интервал значительно меньший шага печатной строки;

- вариация скорости перемещения печатающей головки вдоль строки;

- программное управление печатью.

При этом удалось существенно снизить габариты и вес устройства и уменьшить его энергопотребление.

При очевидных преимуществах устройств этого типа перед другими ударными принтерами они не лишены недостатков:

- достаточно высок уровень шума при печати;

- качество печати зависит от количества элементов разложения (размерности матрицы разложения);

- сравнительно невысока скорость печати как в текстовом, так и, в особенности, в графическом режиме;

- высоки стоимость и сложность изготовления полноматричной печатающей головки.

Скорость печати в текстовых режимах составляет от 50 до 600 знаков в секунду в зависимости от режима печати, разрешающая способность достигает величины 360 х 360 точек на дюйм (около 14 х 14 точек на миллиметр).

Ввиду высокой сложности и стоимости изготовления полноматричной печатающей головки современные МП имеют головку более простой конструкции, в которой печатающие стержни расположены в одном вертикальном ряду или в один ряд вдоль

строки текста по ширине формата бумаги. В первом случае принтер является посимвольным (последовательным), во втором - построчным (параллельным).

Печать текста такой головкой осуществляется либо в однопроходном, либо в многопроходном режимах со смещением бумаги на 0,3 - 0,5 шага между печатающими стержнями. При этом в зависимости от скорости перемещения печатающей головки вдоль строки, что определяет плотность печати, а также от величины шага перемещения бумаги в направлении перпендикулярном строке и количества стержней в ряду, возможны следующие варианты матриц разложения символов:

- 9 х 7, 9 х 9, 11 х 9 точек - печать низкого и среднего качества (Fast Draft и Draft);

18 х 18 точек - печать повышенного качества (Near Letter Quality - NLQ);

24 х 24, 35 х 16 точек и более - печать высокого (типографского) качества (Letter Quality - LQ);

24 х 24, 35 х 16 точек и более – печать очень высокого (типографского) качества (Letter Quality - LQ).

Ввиду того, что шрифтоносители в матричных ударных принтерах отсутствуют как таковые, их функции выполняет генераторы символов. Количество и номенклатура печатаемых символов (алфавит) определяется емкостью генератора. Количество типов шрифтов определяется также емкостью генератора символов.

Безударные печатающие устройства появились как альтернатива ударным принтерам по трем основным причинам:

- необходимость существенно увеличить скорость вывода на печать;

- уменьшить уровень шума от работающего принтера;

- ввести цветовую гамму в печатающийся текст.

В безударных принтерах используется бесконтактный способ печати или способы, при которых контакт регистрирующего органа (печатающей головки или устройства, ее заменяющего) и бумаги отсутствует или незначителен, что не снижает скорости печати.

Символы в безударных принтерах формируются за счет изменения свойств вещества, нанесенного на поверхность бумаги, или за счет нанесения (напыления) регистрирующего вещества (красителя или тонера) на поверхность носителя. В силу этого в большинстве типов безударных принтеров используется либо специальная бумага, либо бумага очень высокого качества. Кроме того, вещества, наносимые на поверхность носителя, также должны удовлетворять специальным требованиям. Это относится как к порошковым тонерам, так и к чернилам (жидким красителям) струйных принтеров.

В технологических процессах печати в безударных принтерах используются различные физико-химические процессы: термические, химические, электростатические, электромагнитные, оптические. В струйных принтерах используются процессы нанесения красителя на поверхность бумаги.

На рис.1.2 приведена классификационная схема, иллюстрирующая варианты построения безударных принтеров.

Следует отметить, что не все типы принтеров, приведенных на рис.1.2, нашли одинаково широкое применение в ЭВМ в силу сложности и дороговизны устройств.

Наиболее широкое применение в современных ЭВМ (в том числе и в ПЭВМ) находят безударные принтеры трех типов: лазерные, струйные и термические.

В основу лазерного принтера положен технологический процесс сухой фотографии или Xerox-процесс. Этот процесс использует явление местного разрушения электростатического заряда, созданного в слое полупроводникового материала, под действием света (луча лазера). Суть этого явления поясняет рис. 1.3.

На рисунке 1.3,а приведен участок металлической пластинки, покрытой полупроводниковым материалом (селеном), на который нанесен электростатический заряд (сенсибилизация – «очувствление» полупроводника). На рисунке 1.3,б потоком света (лазерным лучом) обработаны участки поверхности полупроводника. В результате такой обработки фрагменты поверхности полупроводника потеряли заряд - на поверхности образуется скрытое (невидимое) изображение. Если затем напылить на обработанную таким образом поверхность полупроводника частички красителя (тонера) с противоположным электрическим зарядом, то на поверхности полупроводника образуется изображение (символы или графика) - проявление скрытого изображения (рис. 1.3,в).

С учетом рассмотренной выше сущности Xerox-процесса технологическая схема работы лазерного принтера может быть, в частности, такой, как показано на рис. 1.4. на примере лазерного принтера, выводящего текст на отдельные страницы бумаги (Возможен вариант печати на рулонную бумагу).

Структурная схема принтера содержит следующие основные узлы:

1. Лист бумаги, подающийся на печать;

2. Модулятор, изменяющий интенсивность лазерного луча;

3. Отражающее зеркало;

4. Селеновый барабан;

5. Контейнер с тонер-порошком (картридж);

6. Лист бумаги с нанесённым текстом (графикой);

7. Транспортный валик;

8. Транспортный валик с подогревом;

9. Отпечатанный лист бумаги с закреплённым текстом;

10. Блок сенсибилизации барабана (получение скрытого изображения);

11. Блок механической и электрической очистки барабана;

12. Преобразователь двоичной информации в интенсивность лазерного луча;

Технологический процесс печати состоит из 7 этапов:

1.Механическая очистка поверхности барабана;

2.Электрическая нейтрализация поверхности барабана;

3.Сенсибилизация (очуствление) поверхности барабана;

4.Экспонирование барабана;

5.Проявление скрытого изображения на поверхности барабана;

6.Перенос изображения на носитель;

7.Закрепление изображение на носителе.

Следует отметить, что описанный выше технологический процесс печати может быть реализован только в том случае, когда этапы 3 – 6 осуществляются в полной темноте, то есть без доступа постороннего света на поверхность барабана.

Возможны различные модификации приведенной на рис.1.4 технологической схемы печати.

Кроме того, в современных лазерных принтерах сложная и ненадёжная система зеркал, оптических устройств и газовых лазеров заменена лазерными точечными диодами, что значительно повысило надёжность принтера и удешевило устройство.

Лазерные принтеры различных модификаций обеспечивают высокое разрешение (до 600 х 600 точек на дюйм или около 23,6 х 23,6 точек на миллиметр) и скорость печати от 3-10 листов формата А4 до 18000 строк в минуту на бумажную ленту. Лазерные принтеры ввиду их высокой разрешающей способности обеспечивают печать графических изображений [5].

Струйные принтеры используют в качестве материала, окрашивающего носитель, жидкий краситель, который выбрасывается в виде струи из одного или нескольких сопел - тонких цилиндрических каналов - под воздействием импульсного или статического избыточного давления. Возможны две разновидности струйного способа печати – непрерывный и дискретный.

Непрерывный способ струйной печати в силу дороговизны реализации процесса печати, а также сложности процесса эксплуатации устройства в настоящее время не используется. При необходимости познакомиться с устройствами этого типа следует обратиться к [4].

При дискретном способе струйной печати (рис.1.5) выброс струи красящего вещества (специальных чернил) производится только в тот момент, когда сопло 2 направлено в нужную точку изображения на носителе 5. Перемещение сопла или наличие нескольких индивидуально управляемых сопел позволяют синтезировать контур символа или элемент графики в виде мозаики отдельных точек. Наличие нескольких сопел создает, кроме того, предпосылку для получения многоцветного изображения.

Импульсное давление в сопле создается пьезоэлектрическим элементом 1. Подвод красителя к соплу осуществляется из резервуара (чернильницы) 4 посредством насоса 3. Возбуждение пьезоэлектрических элементов осуществляется электрическими сигналами импульсной формы 6.

Такая разновидность струйного печатающего устройства обеспечивает высокое качество печати и возможность создания устройств последовательной печати с быстродействием в несколько сот символов в секунду.

Рассмотренный выше дискретный способ струйной печати в своей основе содержит механизм выброса струи красящего вещества (последовательности микрокапель), реализованный на использовании обратного пьезоэффекта. Его суть заключается в следующем (рис.1.6).

При невозбужденном пьезокристалле, а точнее после снятия с него возбуждения, в камере создается зона разрежения, и чернила поступают в камеру как из резервуара, так и из сопла справа (рис.1.6,а). При подаче сигнала возбуждения пьезокристалл деформируется и сжимает верхнюю стенку камеры – в камере создается область сжатия, и капля чернил вылетает из сопла в направлении бумаги (рис.1.6,б). Частота возбуждения пьезокристалла достигает 100 кГц.

После снятия возбуждения пьезокристалл восстанавливает свои геометрические параметры, и в камере снова возникает зона разрежения.

Так называемые Bubble-Jet-принтеры используют другую технологию образования капель. Эта технология основана на быстром разогреве красящего вещества. На рис.1.7 приведены 5 стадий этого технологического процесса [5].

Нагревательный элемент, конструктивно соединенный с соплом, представляет собой тонкопленочный резистор, который при пропускании через него импульса электрического тока разогревается до 500 градусов по Цельсию за 7 – 10 микросекунд и остывает при снятии импульса тока за такое же время. При быстром разогревании нагревательного элемента последний отдает тепло непосредственно соприкасающимся с ним чернилам. Сначала образуются отдельные пузырьки пара (рис.1.7,а), затем они сливаются в единый паровой пузырек (рис.1.7,б), который, увеличиваясь в размере, создает зону давления. Достигая размеров, равных диаметру сопла, пузырёк выталкивает каплю

чернил из сопла (рис.1.7,в), а затем, лопаясь, обеспечивает вылет капли чернил из сопла (рис.1.7,г) и поступление новой порции чернил в зону нагревательного элемента (рис.1.7д). В момент вылета капли из сопла нагревательный элемент остывает и готов к новому циклу образования капли.

Основным недостатком струйных принтеров является подверженность сопел загрязнению чернилами. Для предотвращения загрязнения используют специальную жидкость, подаваемую в сопло отдельной системой очистки после окончания цикла печати.

Термографические принтеры создают изображение на бумаге путем сконцентрированного в нужном месте локального нагрева. Бумага, при этом, должна иметь очень тонкое термочувствительное покрытие с двумя раздельными бесцветными компонентами (рис.1.8).

При локальном нагревании цветоформирователь (1-й компонент), смешиваясь с предварительно обесцвеченным красителем (2-й компонент), образует на бумажном слое видимое пятно.

В данном случае возможна печать различными цветами, но чаще всего используется только голубой и черный. Как правило, бумага, дающая при печати изображение черного цвета, требует более высоких температур и давления печатающей

головки на бумагу. Однако на бумаге, дающей голубое изображение, хотя и обеспечиваются более высокие скорости печати, полученное изображение со временем бледнеет и становится непригодным для практического использования.

Регистрирующим органом в термопринтере (ТП) является термопечатающая головка (ТПГ), состоящая из стеклянной подложки с нанесенными на нее методами полупроводниковой или тонкопленочной технологии терморезисторами (нагревательными элементами). Эти терморезисторы (ТР) расположены аналогично печатающим стержням в матричных принтерах: в два ряда друг над другом. Наиболее часто ТПГ ис-

пользуют два ряда немного смещенных друг относительно друга нагревательных элементов по 12 элементов в ряду. ТПГ скользит вдоль строки, и матрица формирует мозаичные символы за счет нагрева ТР. Поскольку ТР очень небольшого размера, то при пропускании через них импульса тока они быстро нагреваются и также быстро остыва-

ют при отключении тока. Габариты головки небольшие - толщина несколько миллиметров, а высота H и ширина L соответствуют размеру символа. Сохраняется тот же принцип перемещения головки вдоль строки и бумаги, что и в "игольчатых" принтерах.

В 1982 году появились ТП, способные печатать на обычной бумаге. Такие устройства называют термопринтерами с термопереносом или принтерами с подачей красящего вещества. Принцип действия подобных принтеров приведен на рис.1.9. Как и у обычного ТП имеется термоголовка с термоэлементами 1. Термопластичное красящее вещество 2, нанесенное на тонкую подложку 3 попадает на бумагу 4 именно в том месте, где элементами ПГ обеспечивается должный нагрев. Далее, при перемещении бумаги с помощью транспортного валика 5 разогретый элемент красящего вещества "прилипает" к бумаге и, таким образом, переносит элемент изображения на носитель.

Существуют также принтеры, использующие при печати явление термосублимации. Под сублимацией понимают переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя стадию жидкости. Иначе этот процесс называют возгонкой (кристаллы йода, например, сублимируют при нагревании). В таких принтерах имеется возможность точного определения необходимого количества красителя, переносимого на бумагу. Это удается только благодаря электронному управлению процессом испарения красящего вещества. Комбинацией цветов красителей можно подобрать практически любую цветовую палитру. Принтеры с термосублимацией используются только как цветные устройства, поскольку ни один тип печатающих устройств не обеспечивает лучшей цветопередачи. На рис.1.10 приведена схема, поясняющая принцип термосублимации. Печатающая термоголовка (4) разогревает ленту с красителем (2) и обеспечивает перенос красящего вещества на носитель (1). Красящая лента подаётся с катушек (3,5).

Принтеры с термопереносом и термосублимацией относятся к группе матричных (знакосинтезирующих) безударных печатающих устройств. Поэтому практически все преимущества матричных принтеров автоматически распространяются и на эти типы принтеров. Их разрешающая способность составляет 300 точек/дюйм (11,8 точек/мм), что позволяет им поспорить с хорошими лазерными принтерами. По скорости печати принтеры с термопереносом, как правило, уступают современным моделям струйных устройств. Ограничения по скорости обусловлены, в основном, задержкой нагрева термоэлементов.