1、本科毕业论文（20 届）大幅面 CIS 扫描仪硬件模块化设计所在学院 专业班级 光电工程与光通信 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要I摘要II摘要扫描仪是计算机最重要的外设之一，在人们的日常生活中发挥着重要的作用。随着技术的进步，大幅面扫描仪作为扫描仪一个重要的分支，在越来越多领域里开始扮演着不可或缺的角色。随着嵌入式科技的发展，大幅面扫描仪向着更大幅面、更快的扫描速度、更高的图像质量的方向快速发展着。本文在分析了大幅面的发展历史、研究现状和发展趋势的基础上，创新的提出并验证了一种将图像采集和数据处理传输分离的模块化设计方法，通过缩短模拟信号传输路径的长度以提升图像质量，通
2、过低压差分串行高速收发器来应对大幅面扫描仪数据传输速率的挑战，采用 DDR2 SDRAM 应对大幅面扫描仪的大数据量挑战。本文设计并测试了大幅面 CIS 扫描仪图像采集板电路与图像处理传输板电路，并编写硬件系统的 FPGA 驱动程序，完成了大幅面 CIS 扫描仪模块化硬件系统调试。在设计过程中解决了 LVDS 高速串行收发器的设计难点问题，DDR2 SDRAM 的电路设计、 FPGA 驱动程序设计难点问题。关键词： 大幅面扫描仪 CIS 低压差分信号 串行收发器 DDR2摘要IIABSTRACTScanner is one of the most important computer peri
3、pherals, and plays an important role in peoples daily life. As technology advances, large format scanner, which is an important branch of scanner， begins to play an integral role in more and more areas. With the development of embedded technology, large format scanners develop rapidly toward the dir
4、ection with larger scanning format, faster scanning speed and higher image quality.Based on understanding large format scanners development history, research status and development trend, a novel method was proposed and verified which separated image acquisition and data processing and transmission
5、to meet the challenge.This method improved the image quality by shortening the length of the analog signal transmission paths. Through high-speed low-voltage differential serial transceiver technology to address the large format scanner data transfer rate challenge. DDR2 SDRAM was applied to meet th
6、e large amount of data challenge.This paper designed and tested CIS scanners large format image acquisition circuit and data transmission and processing circuit. Programmed and debugged the FPGA drivers, completed the CIS large-format scanner modulated hardware system. In the design process, the LVD
7、S high-speed serial transceiver design difficulties and DDR2 SDRAM circuit design and FPGA driver design difficulties were solved.Keywords: large format scanner, CIS, low-voltage differential signaling, serial transceiver , DDR2摘要III目录第一章 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本文主要工作 .31.4 本论文结构安排 .4第二
8、章大幅面 CIS 扫描仪模块化设计原理与方案 .52.1 接触式图像传感器（CIS） .52.2 LVDS 技术 .62.3 系统结构设计 .82.4 本设计的重点难点 .102.5 本章小结 .10第三章 大幅面 CIS 扫描仪模块化电路设计 .113.1 模拟前端电路设计 .113.1.1 CIS 驱动设计 .113.1.2 A/D 驱动设计 .133.1.3 CIS 曝光控制器设计 .153.1.4 图像采集原理图设计 .163.2 LVDS 串行收发器设计 .163.2.1 Altera LVDS 方案 .16摘要IV3.2.2 LVDS 信号完整性设计 .183.3DDR2 SDRA
9、M 设计 .193.3.1 DDR2 技术简介 .193.3.2 DDR2 SDRAM 设计要点难点 .203.3.3 DDR2 SDRAM 设计 .223.4 USB2.0 高速外设设计 .243.5 电源设计 .253.6 PCB 设计 .273.7 本章小结 .28第四章 大幅面 CIS 扫描仪模块化 FPGA 驱动设计 .294.1 FPGA 驱动程序设计语言和开发环境简介 .294.2 FPGA 驱动程序模块规划 .304.3 CIS 控制器设计 .314.4 AD 控制器设计 .314.5 曝光控制器设计 .324.6 图像数据打包 .334.7 LVDS 高速串行收发器 .344
10、.7.1 LVDS 串行发送器 .344.7.2 LVDS 串行接收器 .364.8 彩色图像重构 .374.9 DDR2 SDRAM 驱动设计 .38摘要V4.10 USB2.0 高速外设驱动 .424.11 本章小结 .43第五章 大幅面 CIS 扫描仪系统测试与结果分析 .445.1 眼图法 LVDS 信号测试 .445.2 采集板信号测试 .465.3 大幅面 CIS 模块化扫描系统测试 .475.4 本章小结 .48第六章 总结与展望 .496.1 总结 .496.2 展望 .50致谢 .51参考文献 .52第一章 绪论1第一章 绪论1.1 课题研究背景扫描仪是一种计算机外部仪器设备
11、，通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字化输入设备。在日常的工作和生活中用到的扫描仪一般是小幅面的，扫描对象的尺寸一般较小，多为 A4 幅面。在工业检测、建筑制图、地形测绘等领域，普通的扫描仪不论是在扫描尺寸、扫描速度、扫描精度，还是在图像质量上都无法满足需求。基于扫描幅面、扫描速度、扫描精度和图像质量等方面的更高的要求，人们发明了大幅面扫描仪。 大幅面扫描仪是一种计算机外围输入设备，与我们普通家用（商用）扫描仪最大的区别是扫描幅面的宽度、长度及精度、影像质量方面不同。通常我们将扫描幅面大于 A3 幅面的(29.7CMx42CM ）的扫描仪统称为大幅面扫描仪。大幅面扫描
12、仪因为其扫描幅面大，扫描速度快，扫描精度高，图像质量好等独特的优点，主要应用于工业检测、地形测绘、建筑工程、机械设计、艺术品复制、广告设计等领域。从结构上讲，大幅面扫描仪包括光学系统、机械系统、控制系统、光电数据采集系统等 1-3。光学系统包括光源、透光玻璃、反射镜、聚光板、镜头等。工作流程是光源发射的高频可见光经过聚光板增强后，通过透光玻璃照射到待扫描的物体表面，物体表面的漫反射光通过透光玻璃打到反射镜上，反射光经过设定好的光路通过镜头照射到光学传感器上，传感器上的感光单元通过曝光获取物体表面信息，从而实现将物体表面特征从光信号到电信号的转换。机械系统主要包括步进电机、皮带、齿轮、传动轴、外
13、壳等。工作流程是步进电机驱动器接收到开始扫描的信号后，驱动步进电机转动，带动传动系统运动，从而带动待扫描物体做匀速运动。步进电机驱动器收到停止运动的命令后，停止运动，完成或中断扫描。第一章 绪论2控制系统包括电机控制电路板、步进电机驱动器、光源控制器等。工作流程是扫描仪上电后光源控制器点亮光源，控制系统接收到上位机软件的开始扫描命令后，向步进电机驱动器发送 PWM 波和方向脉冲信号，驱动器驱动步进电机匀速转动，带动走纸系统运动，实现待扫描物体的匀速运动。光电数据采集系统包括光学传感器模块、A/D 转换器模块、数据存储模块、控制模块以及电源模块等。工作流程为采集系统控制模块接收到上位机软件发送的
14、启动扫描信号后，开始发送时序脉冲驱动光学传感器开始采集物体表面信息，光学传感器通过电荷存储、电荷耦合与转移、电荷的输出等操作后输出电信号，完成了物体表面光学信号到电信号的转换输出。光学传感器输出的模拟信号通过 A/D 转换器转换为数字信号，再经过采样，数据缓存等处理，然后发送给上位机，从而实现对物体的扫描和数据的传输。目前可以用于图像扫描的传感器包括两种：一种是基于电荷耦合器件(CCD)的传感器，它的光源、成像系统和感光器件是分离的，需要光学暗室，体积较大；另一种是接触式图像传感器(CIS)，它的光源、透镜、感光芯片和控制电路都被集成在一起，体积非常小 4。由于 CIS 具有体积小，重量轻，抗
15、震动，安装方便等特点，CIS 被广泛应用于扫描系统中 5-10。1.2 国内外研究现状目前市售的 CIS 传感器产品的有效扫描宽度都不能满足大幅面图像扫描所要求的幅宽，所以要将多条 CIS 拼接在一起。拼接技术是大幅面图像扫描系统的关键技术，决定了 CIS 在大幅面图像扫描系统中的物理安装位置，因而也决定扫描图像数据的传输方式，以及扫描图像的空间重构技术。目前市售的大幅面扫描系统大多采用的是将 CIS 前后交错拼接、各个CIS 分布于两条直线上的拼接方案 5。其工作原理大体为：主控系统对每个CIS 进行控制以输出模拟信号，将模拟信号通过 AD 转化为数字信号，然后利用主控系统中的微控制器将扫描
16、所得图像数据进行一定的预处理，再发送到计算机上完成最后的图像重构等过程。这种方案对于 CIS 数量较少，图像质量要求不高，扫描速度不快的情况下可以满足需求。随着近年来计算机的处理速度越来越快，嵌入式技术越发普及，大幅面第一章 绪论3扫描仪向着幅面更大，扫描速度更快，图像质量更高的趋势发展。而以往传统的数据采集传输方式不能满足这些要求。而且以往一体式的设计有着升级困难、升级成本高、图像信号易受干扰的缺点。为了实现幅面扩展、图像提升，将图像采集和数据处理传输独立开来以实现并行处理的模块化设计是大幅面 CIS 扫描仪的发展趋势。图像采集独立以后，CIS 输出的模拟小信号很快被转换成数字信号进行传输，
17、可以很大程度减少其他信号对模拟信号的干扰，从而增强图像质量。而且采用模块化设计，可以将图像采集和数据处理、数据传输分离开，这样在升级维护过程中可以只升级对应模块，减少升级难度和成本。因此，使用模块化的设计有很高的实用价值和良好的市场前景。1.3 本文主要工作本文提出了一种将图像数据采集和数据处理传输分离开来、采用独立的采集板和数据图像传输板、利用低压差分信号（LVDS）传输图像信号、DDR2 SDRAM 缓存图像数据的模块化的设计方案。本文在模块化设计过程中主要解决了以下关键问题：1) 扫描仪模拟前端电路设计及 FPGA 驱动程序设计与验证：CIS 传感器输出弱模拟信号，对噪声敏感，通过合理设计模拟前端电路，使得图像信号失真尽可能小。使用 Verilog HDL 编写 FPGA 驱动程序，完成图像信号采集并转换为数字信号。2) 高速 LVDS 数据传输电路设计及 PCB 设计与测试：设计了基于 FPGA 的 LVDS 接口的高速串行收发器电路，通过软件计算仿真 PCB 设计、加工参数，完成 PCB 制作、调试。经测试，本文中 LVDS串行收发器数据速率可以稳定运行在 400Mbps，数据处理传输板可以同时接收 10 路改速率下的 LVDS 信号，从而使系统实现 4Gbps 的数据收发能力。3) DDR2 SDRAM 电路设计、 PCB 设计及 FPGA 驱动程序设计与测试：
