Fachartikel "TAKE IT EASY!"

 

Andockbarer Handhelddrucker Autor: Dipl. Physiker Gert Breidenbach

 

Anforderungen des Markt:es
Handheldcomputer müssen tragbar sein. Wird zusätzlich im System ein Drucker erforderlich, werden schnelles Drucken, gute Druckqualität und möglichst angenehmes und störungsfreies Handling gewünscht. Dem stand früher zum einen der dafür relativ hohe Energiebedarf entgegen. Das wird heute durch wesentlich effizientere Druckköpfe, die aus leistungsfähigeren und leichteren Akkus betrieben werden können, verbessert. Zum anderen hatte man immer mit dem umständlichen, zeitraubenden Papierwechseln zu kämpfen und versuchte dieses mit größeren, damit aber auch schwereren Papierrollen, bei denen das Papierwechseln seltener erforderlich ist, auszugleichen. Kleine Papierrollen sind nur dann akzeptabel, wenn der Papierwechsel leicht und schnell durchführbar ist. Und das wird mit der jetzt auch bei Kleindruckern populären Easyloadtechnik erreicht. Der Autor beschreibt ein kleines Easyload-Thermodruckermodul, das sich durch sein ausgefeiltes Powermanagement und die verwendete neue Druckkopftechnologie mit Easyloadmechanismus unter den oben genannten Aspekten besonders für den Einbau in tragbare Geräte eignet. Anhand eines speziell entwickelten Gehäuses für einen an den Handheldcomputer PSION Workabout andockbaren Thermodrucker wird gezeigt, wie sich dieser Anbau auch schon bei kleinen und mittleren Serien relativ kostengünstig durchführen lässt.
Bild 1 zeigt das Easyload Drucker-Einbaumodul GPT-4352 (Werkbild GeBE)
Mechanisches Andocken des Kleindruckers - Anpassung auch bei kleinen Serien machbar:
Mit dem Easyload-Minidrucker GPT-4352 von GeBE Elektronik und Feinwerktechnik wird dem Markt ein voll funktionstüchtiges Einbaumodul zur Verfügung gestellt, das sich problemlos und leicht in bestehende Gehäuse verschiedenster Formen integrieren lässt. Die in Kunststoffspritzgusstechnik realisierte Druckermulde (Bild 1) erspart dem Geräteentwickler eine Menge Schwierigkeiten, die mit der mechanischen und elektronischen Entwicklung eines so kleinen Einbaudrucksystems verbunden sind. Alles, was einen tragbaren kleinen Einbaudrucker funktionstüchtig macht, ist in diesem Modul bereits fertig enthalten. In manchen Applikationen, insbesondere wenn es sich um den ergänzenden Anbau an ein bereits bestehendes Handheldgerät wie z.B. einen PDA oder einen Handheld-PC handelt, muss lediglich ein einfach andockbares Gehäuse mit dem eingepassten Kleindrucker gestaltet werden. Dabei hat GeBE bei seiner neuesten Kreation, nämlich den Anbau seines kleinen Druckers an einen PSION Workabout Handheldcomputer, bei der verwendeten Gehäusetechnik einen neuen Weg beschritten. Mit einem Stoßschutz aus Gummi bewehrte Geräte haben auch haptische Vorteile beim Handling. Daher werden tragbare Geräte wie z.B. elektrische Vielfachmessgeräte oft in aus Gummi gefertigte sogenannte Holster eingebettet. Fertigungstechnisch bedeutet dies, dass neben dem meist sehr teueren Kunststoffspritzgusswerkzeug für das Gerätegehäuse auch noch ein zusätzliches, allerdings meist etwas einfacheres und damit billigeres Werkzeug zum Gießen des Gummiholsters erstellt werden muss. Da das Einbaumodul von GeBE bereits alle wesentlichen mechanischen Funktionen des Druckers beinhaltet, kann das Anbaugehäuse einfach gestaltet werden. Daher liegt es nahe, als Gehäusematerial direkt den stoßabsorbierenden Gummi zu verwenden. Allerdings kann das Gummigehäuse alleine keine tragende Funktion ausüben, weshalb zur Stabilisierung ein einfaches Blechbiegeteil in die Gussform eingelegt und mit Gummi umspritzt wird. Dieses Metallteil ist zunächst natürlich teurer als ein Spritzgussteil. Beachtet man aber, dass es sich bei diesen meist projektbezogenen Applikationen um kleine oder mittlerer Serien handelt - oft im Bereich unter 1.000 Stück - so lässt sich mit dieser Konstruktion das kostspielige Werkzeug für ein tragendes Spritzgussgehäuse einsparen. Das Druckereinbaumodul wird bei geöffnetem Papierdeckel von außen mit zwei Schrauben servicefreundlich an zwei Laschen aus Metall in das einfache Gummigehäuse montiert. Durch den Austausch der über der Bedienkonsole angebrachten Designfolie ist kostengünstig "Private Labeling" möglich, und bei Serien ab 200 Stück können auch Farbwünsche berücksichtigt werden.
Nachladen der Drucker-Akkus aus dem PSION Workabout:
Das metallene Innengerüst des Gummigehäuses ermöglicht das tragende Andocken des Druckers an die frontseitigen Schnittstellenstecker des PSION Workabout. Dabei wird neben der datentechnischen Verbindung des Druckers zum Handheldrechner auch die Ladestromzuführung hergestellt. Während die Akkus des PSION Workabouts nachgeladen werden, können nämlich bei 5V ca. 200 mA zum Laden der Drucker-Akkus abgezweigt werden. Das reicht allerdings - von der Ladespannung her gesehen - nicht für das Laden der Drucker-Akkus aus. Über eine regelbare Ladepumpe wird deshalb im Drucker aus den zugeführten 5 V ein konstanter Ladestrom von ca. 100 mA generiert, der die Akkus des Druckers in 14 h, z.B. über Nacht, wieder aufläd. Sollte einmal eine schnellere Ladung erforderlich sein, so kann dies über eine Ladebuchse am Drucker mit ca. 500 mA aus einem einfachen, ungeregelten Steckernetztgerät erfolgen. Das zur Ladung erforderliche Lademanagement wird durch den µ-Prozessor durchgeführt, der auch den Drucker steuert. Das Nachladen funktioniert übrigens auch, wenn der Drucker gleichzeitig in Betrieb ist, eine Eigenschaft, die zwar selbstverständlich erscheint aber keinesfalls bei allen Handheldgeräten auch störungsfrei funktioniert. Der Controller überwacht mit Hilfe seines A/D-Wandlers die Akku-Spannung und Zellentemperatur. Über eine in der Software realisierte Zeitmessung wird die maximale Ladezeit begrenzt. Die Power-On-RESET-Schaltung überwacht den unteren Wert der zur Verfügung stehenden Akku-Spannung, so dass bei tiefentladenen Akkus zunächst nur eine Formatierungsladung mit kleinem Strom erfolgt, um die Akkus zu schonen. Aber das vom µ-Prozessor durchgeführt Powermanagement geht noch weiter. Es sorgt vor allem für stromsparenden Betrieb des Druckers. So wird der Druckercontroller in einen stromsparenden Stand-By-Mode geschaltet, wenn er gerade keine Daten verarbeiten oder drucken muss. Außerdem kann eingestellt werden, dass sich der Drucker nach Ablauf einer gewissen Zeit total abschaltet. In diesem Power-Off-Mode verbraucht die Schaltung erheblich weniger Energie als der Selsbentladungsprozess der Akkus. Aus diesem Power-Off-Mode muss der Drucker allerdings über gesendete Dummizeichen erst aufgeweckt werden, bevor er dann nach einer kurzen Initialisierungszeit (<100 ms) über seine serielle RS232 Schnittstelle wieder Daten vom PSION Workabout annehmen kann.
Bild 2 zeigt PSION Workabout mit angedocktem Drucker (Werkbild WAROK) WAROK ist OEM-Kunde bei GeBE und PSION Partner in Deutschland.
Geringes Gewicht macht den Handheldcomputer "tragbar"
Natürlich kann das Druckermodul auch an andere Handheldgeräte angepasst und z.B. über eine bidirektional arbeitende Infrarotschnitttselle betrieben werden. Der Drucker wird von 4 kleinen NiMH MINON Zellen mit einer Kapazität von 1.200 mAh betrieben. Er kann dabei Textprotokolle bis zu 60 m Länge ausdrucken ohne nachgeladen zu werden . Das wird durch ein Thermodruckkopf der neuesten Generation ermöglicht, dessen Energiebedarf durch wesentliche Effizienzsteigerung erheblich verringert ist. So wird der Einsatz kleinerer und damit leichterer Akkus ermöglicht. Beim Papierwechsel wird der kleine Easyload-Drucker an der Papiertransportwalze total geöffnet und die Papierrolle einfach in die Vorratasmulde gelegt, so dass das lästige Papiereinfädeln entfällt. Das Gerät ist nach dem Schließen des Deckels sofort druckbereit. Die Verwendung kleinerer Vorratsrollen ist also möglich. Das bedeutet eine erhebliche Gewichtsersparnis, die sich beim oft erforderlichen mehrstündigen Tragen in der Hand wohltuend bemerkbar macht. Außerdem wird dadurch das Modul mit einer Einbautiefe von nur 28 mm extrem kompakt (78 x 77x39 mm) .
Klein - aber oho!
Der Drucker ist mit einer feststehenden Thermodruckzeile ausgestattet. Die 384 Druckpunkte garantieren bei einer effektiven Druckbreite von 48 mm eine hohe Druckqualität bei Text-, Graphik-, und Barcodedruck. Die Papierbreite entspricht dem Standard von 58 mm. Das Papier hat normalerweise eine Dicke von 60 µm. Eine Rolle mit 31 mm Ø hat etwa 11 m Länge. Die Druckgeschwindigkeit passt sich automatisch an die Erfordernisse der auszudruckenden Graphik an und beträgt 30 - 50 mm/s, was einer Ausdruckgeschwindigkeit von stolzen 10 - 15 Zeilen/s entspricht. Das Druckwerk ist mit einem Papier-Ende-Sensor ausgestattet, der den Druck stoppt, wenn das Papierende erreicht wird. Der Controller setzt dann über die serielle Schnittstelle eine Meldung ab, die vom Host ausgewertet und in einen Alarm umgesetzt werden kann. Daneben überwacht der Controller die Akku-Spannung, die Druckkopftemperatur und die Umgebungstemperatur. Werden vorgegebene Extremwerte über- oder unterschritten, so wird der Druck unterbrochen und eine entsprechende Fehlermeldung an den Host gesendet. Wie alle Drucker verfügt das kleine Druckermodul auch über einen Druckpuffer. Um den Druckfortschritt trotzdem genau überwachen zu können, z.B. um weitere Aktionen auszulösen oder Meldungen auf dem Display des Handheldrechners ablaufgerecht zu generieren, können Rückmeldebefehle in den Druckdatenstrom eingeschleust werden. Der Druckerstatus ist ebenfalls per Befehl abrufbar. Standardmäßig verfügt der Drucker über mehrere verschieden große Zeichensätze (ähnlich IBM II nach Codetabelle 850) mit jeweils 256 einzelnen Zeichen. Optional sind auch andere Zeichensätze möglich, so z.B. Kyrillisch. In der Grundstellung sind 24 Zeichen/Zeile ausdruckbar. Per Befehl kann aber auf 32 und 42 oder sogar 54 Zeichen/Zeile umgeschaltet und die Zeichen können zudem in doppelter Breite und verschiedenen Höhen gestreckt -- bis zu 7fach -- ausgedruckt werden. Text kann grau oder schwarz, oder gar weiss in schwarz gestaltet werden. Außerdem sind beliebige Graphiken bis hin zu einer Breite von 384 Pixel möglich. Das erlaubt eine übersichtliche, graphische Gestaltung der Ausdrucke. Die graphische Gestaltung verschiedener Barcodes (EAN8, EAN13, CODE 39, 2 aus 5 interleaved) ist implementiert, so dass lediglich der Barcodetyp und der datentechnische Inhalt an den Drucker übergeben werden muss. Da GeBE die Drucker im eigenen Hause entwickelt und produziert, kann sehr flexibel auf spezielle Kundenwünsche reagiert werden. Kundenspezifische Zeichensätze ermöglichen z.B. die individuelle Anpassung an Projektaufgaben. Optional kann der Drucker auch mit einem zusätzlich wirkenden, seriellen EEPROM (bis zu 64 kByte) ausgestattet werden. In dieses EEPROM kann der Anwender z.B. Firmenlogos oder Textkonserven ablegen lassen, die dann gezielt im Datenstrom aufgerufen und ausgedruckt werden können. Möglich werden diese umfangreichen Aktivitäten des kleinen Druckers durch den leistungsfähigen Single-Chip-µ-Controller, der über 2 kByte RAM und 60 kByte Flash-Programmspeicher verfügt und auf geringen Stromverbrauch getrimmt ist. Die Betriebsicherheit wird durch eine Betriebsspannungsüberwachung und einen Watchdog erhöht. Auf der kleinen Konsole wird der Druckerzustand durch verschiedenen Blinkmodi einer LED angezeigt. Daneben befindet sich die FEED-Taste zum Papiertransport. Über diese Taste kann der Drucker auch jederzeit "aufgeweckt", d.h. eingeschaltet.werden. Das Ausschalten erfolgt automatisch nach einer gewissen "Time-Out-Zeit" oder unmittelbar per Befehl. Abschließend sei erwähnt, dass sowohl das Druckwerk als auch der Controller bis hinunter zu 3.3V Betriebsspannung betrieben werden können, was den effektiven Einsatz dieses modernen Systems an Handheldgeräten der neueren Generationt problemlos möglich macht.
Bild 3 zeigt Einbau des Minidruckers in diverse Standardgehäuse von KUNDISCH Mikrotech BOPLA, ROSE, OKW und MEHLO und APRANORM (Werkbild GeBE)
Zum Autor: Dipl. Physiker Gert Breidenbach ist Leiter Marketing und Entwicklung beim Kleindruckerhersteller GeBE Elektronik und Feinwerktechnik GmbH in Germering bei München

 

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