1、硬件设计1、基本原理1、扫描仪工作原理平板式扫描仪的基本原理是利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号，然后将电信号通过 A/D 转换器转换成数字信号，再传输给计算机，经软件处理后生成扫描文件并再现到计算机屏幕上。光学成像部分俗称扫描头（含灯管、反光镜、透镜及 CCD） ，它是扫描仪的核心部件，其精度直接影响扫描图像的逼真程度。平板式扫描仪的工作原理如图 1.1 所示。扫描头在步进电动机驱动下从原稿的下面移动，不断读取原稿的信息。扫描仪光源照射到原稿上的光线经反射后形成沿 X 轴方向的光带，依次经过反射镜、棱镜、滤色镜和聚焦透镜，将红（R） 、绿（G） 、蓝（B）三条彩色光带分别照到各自的 C
2、CD 上，由 CCD 转换为模拟信号，再经过 A/D 转换器转换成数字信号。扫描仪每扫描一行，就得到原稿该行的图像信息。扫描头不断地沿 Y 轴方向移动，直到将原稿全部扫描完,所得到的图像数据首先暂存在缓冲器中，然后通过 USB 等接口按一定顺序把图像数据传输到计算机中并存储下来，最终获得一幅完整的图像。扫描流程如图 1.2 所示。图 1.1扫描仪的扫描流程 如图 1.2 所示图 1.2扫描仪的机械传动部分主要包括步进电动机、驱动皮带、滑动导轨和齿轮组。步进电动机是用脉冲信号来精确控制扫描头移动的，传统的步进电机依靠齿轮传动来运动，但齿轮之间的间隙会使扫描精度降低。目前普遍采用微步进电机技术来减
3、小电机拖动的运动步幅，使之达到传统步进电动机步幅的1/31/4， ，甚至更低，从而大大减小了由齿轮间隙所带来的噪声干扰及色彩失真，使扫描速度加快，图像质量也得到进一步提高。扫描装置在驱动皮带的驱动下沿滑动导轨滑动，即可实现线性扫描。2、步进电机细分控制原理图 1.3 步进电机细分原理图 为了提高步进电机的性能，细分驱动器已经广泛应用。细分驱动器的原理是通过改变 A、B 相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角细分为多步。细分数越高，电流越平滑，电机转动就越平稳。驱动器一般都具有细分功能，常见的细分倍数有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64，1/256；或：1/5
4、，1/10，1/20。细分后步进电机的步距角=电机固有步距角 / 细分数例如：一台 1.8电机设定为 4 细分，其步距角为 1.8/ 4 = 0.4。当细分等级大于1/4 后，电机的定位精度并不能提高，只是电机转动更平稳。 2、方案比较扫描仪所用的传感器大致分为以下三种（1）光电耦合器(CCD)电荷耦合器件(CCD)在单硅片上集成了几千到几万只光敏三极管，这些光敏三极管分成三列，分别用红、绿、蓝色的滤色镜罩住，从而实现了彩色扫描。光敏三极管受到光线照射时可产生电流再经放大后输出。使用 CCD 作为感光元件的扫描仪，需要通过由一系列透镜、反射镜等组成的光学系统将图像传送到 CCD 芯片上，所以体
5、积一般较大。CCD 的优势在于，经它扫描的图像质量较高，具有一定的景深，能扫描凹凸不平的物体，对隆起的书脊甚至实物都可得到清晰的扫描效果，CCD 的温度系数较低，对于一般的工作，周围环境温度的变化可以忽略不计。CCD 型传感器的缺点：由于组成 CCD 的数千个光电三极管的距离很近（微米级） ，在各光电三极管之间存在着明显的漏电现象，各感光单元的信号产生的干扰降低了扫描仪的实际清晰度；需要一整套光学系统，包括照明冷光源和多个反光镜和光学镜头，通过复杂的光路在 CCD 传感器件表面成像,故扫描仪体积难以做得很小；它的组成部件较为复杂，成本相对较高，扫描后对图像数据的处理也相对复杂。一般使用冷阴极管
6、做光源，需要预热 1 分钟左右才能稳定发光。除此之外，由于 CCD 需要通过一系列透镜、反射镜成像，因此，会产生色彩偏差和光学像差，一般需要通过扫描软件进行色彩校正。 （2）接触式图像传感器（CIS）CIS(Contact Image Sensor)是接触式图像传感器的英文缩写。CIS 以发光二极管(LED)阵列作为光源，扫描光线不经过反射镜，而是直接被光耦合器接收。CIS 器件一般采用制造光敏电阻的硫化镉做感光材料。CIS 型传感器的优点：采用模块化结构，集扫描光源、传感器和放大器为一体，结构、原理和光路都极为简单，没有附加的光学部件、不需要预热、功耗低、价格便宜、便于更换；由于传感器直接从
7、稿件表面获取图像，理论上不会产生像差和色偏，因此能获得最接近原稿的图像效果；能够降低设计制造成本，而且产品的体积可以设计得更薄、更小；没有明显的等待时间。CIS 型传感器的缺点：不能做成高分辨率的扫描仪，扫描速度也比较慢。 扫描精度较低、景深小(约为 03mm，只有 CCD 景深的 110)、不能扫描实物、只适合扫描文稿；它的光源只能用 LED 发光二极管，这种光源无论在光色以及均匀度上都比较差，色域较 CCD 窄，获得的色彩不如 CCD 的丰富，色彩还原能力远不如 CCD，而且光源的寿命比较短。此外，它不能使用镜头，只能压近原稿扫描。（3）光电倍增管（PMT）光电倍增管实际是一种电子管，其感
8、光材料主要是由金属铯的氧化物及其他一些活性金属(一般是镧系金属)的氧化物共同构成，这些感光材料在光线的照射下能够发射电子，经栅极加速后冲击阳电极，最后形成电流，再经过扫描仪的控制芯片进行转换，就生成了物体的图像。在所有的感光器件中，光电倍增管是性能最为优秀的一种，其灵敏度、噪声系数、动态密度范围等关键性指标远远超过了 CCD 及 CIS 等感光器件。同时，这种感光材料几乎不受温度的影响，可以在任何环境中工作。但是这种扫描仪的成本极高，一般只用在最专业的滚筒式扫描仪上。扫描仪常用传感器的性能一览表见表 2.1表 2.1 扫描仪常用传感器性能一览表 综上所述，我们得知 CIS 型传感器虽结构简单、
9、成本较低、体积小，但是其分辨率和景深方面远不如 CCD 型传感器，扫描层次也有些不足，尤其是遇到扫描摆放不平的文稿和图片时就显得力不从心了，而且 CIS 发光元件寿命较短，色彩还原能力远不如 CCD,因此其综合性能要低于 CCD 型传感器，光电倍增管虽在关键指标上远远超过了 CCD 及 CIS 等感光器件，但是其成本过高，不适合绝大多数普通扫描仪使用，因此，我们最终选择 CCD 型传感器作为彩色扫描仪的传感器。3、方案结构本系统选用的是单芯片实现方式，采用由美国国家半导体公司（NS）专为图像采集系统设计生产的单芯片 LM9832 为核心处理器，芯片实现原来由 A/D 转换模块、同步及时序模块、
10、数字处理模块、接口模块所实现的所有功能。本系统由 LM9832 控制芯片、CCD 传感器、步进电机及其驱动管、通信接口电路以及缓存等部分组成，其硬件结构框图如图 3.1 所示图 3.1各组成部分所实现的功能及特点如下：1、主控芯片模块： 主控芯片 LM9832 是一个带 USB 接口的单片图像扫描芯片，可提供构成一台高性能彩色扫描仪所必需的全部功能，包括图像传感器控制，照度控制，模拟输入通道，图像数据缓存器DRAM 控制器，微步进电机控制器和 USB 接口。允许设计成 USB 总线供电的扫描仪。在装有 USB 接口的计算机上可以即插即用。计算机通过与硬件采集系统相连的 USB 接口获取图像信息
11、，并最后在应用程序中还原所采集图像。2、CCD 模块：该模块主要工作是从芯片 LM9832 接收驱动时序，从而驱动线阵 CCD 器件工作，然后将器件的输出信号，高保真地传送给核心芯片进行处理，但由于从芯片输出的驱动时序信号的伏数不能达到 CCD 器件要求，需加驱动芯片将驱动时序信号提升到 CCD 所要求的 5 伏，这里我们选用 74AC04 作为系统 CCD 时序信号驱动芯片，对于 CCD 输出信号部分，系统采用电流放大电路保证信号高品质的传送给核心处理芯片。3、步进电机模块：它是扫描仪机械传动部分的核心，是驱动扫描装置的动力源。步进电机其实就是用脉冲信号精确控制移动的一种电机，扫描仪的噪音和
12、速度在一定程度上就是由它决定的。在扫描仪扫描图像的过程中，扫描头要依靠步进电机来拖动。4、USB 接口模块：本模块负责将从主控芯片处理后传出的信号传送到计算机中，由于主控芯片内部已经集成了 USB 控制芯片，这里只需要对 D+和 D-进行连接，数据通过D+和 D-引脚接收和发送。如图 3.2 所示图 3.25、外部 DRAM：外部 DRAM 中有少部分空间用于存储用于校正的偏移系数和增益系数，除此之外的大部分空间是用来暂存图像数据的。如果把图像数据直接传输到计算机里，那么就会发生数据丢失和影像失真等现象，如果先把图像数据暂存在数据缓存里，然后再传输到计算机，就减少了上述情况发生的可能性。四、传
13、感器及其它器件选型1、CCD传感器选型考虑到 LM9832 支持像素总数高达 16384 像素3 色（1200dpi13.6 英寸）的传感器，为了保证系统采集的图像质量，本系统选择东芝(TOSHBIA)公司的TCD2901D 型号的线阵 CCD 作为图像采集的前端。TCD290lD 是日本东芝(TOSHIBA)公司生产的线阵 CCD 图像传感芯片，感光像元数高达 10550 个，像元尺寸及间距为 4m4m，分辨率高达1200DPI，TCD2901D 具有灵敏度高、暗电流低等特点，并在器件内部集成了 CCD驱动电路和箝位电路。TCD29OID 是专为通信传真、图像扫描、光学字符阅读机等场合设计。
14、器件由四个 5V 的驱动时钟(SH、RS、1、2)驱动，工作电压为12V。TCD2901D 具有如下特性:(1)超高的感光像元数:10550 单元3 线(2)超小的像元间距:4m4m(3)时钟驱动方式:两相(5V)(4)电源供应:12V(5)内部电路:箝位电路(6)色彩:红，绿，蓝2、步进电机选型控制芯片 LM9832 内部具有微步进电机控制器，给步进电机发送一系列脉冲，使步进电机移动传感器通过纸张。步进电机的移动速度不仅与所用传感器有关，而且它和图像传感器的积分时间还决定了垂直分辨率。步进电机究竟是向前移动还是向后移动，则由 A、B 两个信号来决定，二者的相位差为 90。 步进电机的工作模式
15、分为满步进和微步进两种：（1）满步进模式在满步进模式下，A、B 信号均为方波，它们的波形如图 4.1 所示。LM9832通常以微步进为单位来计算步进电机的步数，一个满步进等于 4 个微步进，即使 LM9832 在满步进方式时，也按微步进计数，每 4 个微步进增加一个满步进数。图 4.1（2）微步进模式微步进是用一个阶梯形的近似正弦波来驱动步进电机的技术，其波形如图4.2 所示。该技术不仅能提高步进电机的分辨率（它具有细化作用） ，进而提高扫描仪的最大垂直分辨率，还可使电机运行得更加平稳。例如，若步进电机每个满步进移动 3.6，则微步进在 3.6的范围内可以产生 0.9、1.8、2.7这三个位置
16、，使扫描仪的最大垂直分辨率提高 4 倍。图 4.2微步进正弦波的振幅受步进电机 DAC 的输出控制，振幅波形如图 4.3 所示。步进电机绕组中的电流值可通过测量电流检测电阻（RSENSE）两端的压降而计算出来。步进电机驱动信号经过脉宽调制（PWM）后迫使通过线圈的平均电流等于 UDACRSENSE。 图 4.3该技术不仅能提高步进电机的分辨率，进而提高扫描仪的最大垂直分辨率，还可使电机运行得更加平稳。根据上述情况，再考虑到扫描仪对步进电机体积的要求，最终选择 57 系列两相混合式步进电机 LL57HB56.3、外部 DRAMLM9832 支持 2 种规格的外部 DRAM：256K16 位和 1
17、M16 位。DRAM 中的48K 字(16K 像素3 种颜色)用于存储增益系数，另外 48K 字(16K 像素3 种颜色)用于存储偏移系数。 系统所用缓冲存储器部分，选用 ALLIANCE 半导体公司设计生产的 256K16 位动态存储器 AS4C1M16E5-50，存取时间只需 50ns。软件设计五、扫描仪图像采集工作流程：1、初始化 LM9832：上电后，首先完成对芯片 LM9832 的初始化，完成对各寄存器值的初始化设置。2、CCD 传感器检测:检测光学传感器是否就位，如果没有就位，将提示 Sensor Not Homed。这时需重新设置 CCD 传感器位置。3、计算初始化参数:初始化各
18、端口设置，检查与计算机的通讯连接情况，并根据用户在数据源操作界面内设置的各类扫描参数，进行计算后，设置到对应寄存器内。4、计算 PC 机 I/0 口传输速度:根据用户的不同设置，系统将扫描 1 秒的图像信息，计算出平均数据传输速率，这个速率将用于在以后扫描过程中计算最佳扫描传输速度。5、增益和偏移校正：设置扫描时参考使用的增益校正系数和偏移校正系数，这些系数将在扫描时用于校正得到的像素信息。6、Gamma 校正通过查表的方式来获得 CCD 的输入与输出之间的映射关系，从而对数据进行校正。7、扫描：获取处理后的图像信息，在应用程序中显示图像。8、复位：PC 机发送一个高速反转指令，把传感器送回到
19、初始位置。其流程图如图所示：否是初始化 LM9832CCD 传感器检测计算初始化参数计算 PC 机 I/O 口传输速度判断各参数是否符合要求偏移校正增益校正Gamma 校正扫描复位应用程序显示图像6、扫描图像校正在扫描仪成像的整个过程中，存在很多会给扫描图像带来误差的因素，比如光照的不均匀性、由 CCD 生产工艺所引起的各个像素单元感光响应的不一致性、信号的采样、模数转换及后续各种处理电路内部所存在的噪声等等。扫描图像校正的目的在于最大程度地消除这些因素所带来的成像误差，提高并保证扫描图像的质量。CCD 像点感光的非线性、光学镜头透光的非均匀性以及色彩还原的不一致性，导致数字化后的图像存在偏差
20、，而像素率校正是解决该偏差的必须的、最基础的手段。因线阵 CCD 的感光像元各自独立并以线阵的方式直线排列，故其各像元、各通道的偏移系数、增益系数各自独立并与各自对应的光敏器件及其在 CCD 线阵中所处位置相关。校正前，需将这些校正系数按照一定的格式和顺序存储在存储器中。校正时，根据当前校正像元的位置及 R、G、B 通道次序从存储器中读取对应的系数值进行计算。CCD 输出的信号有偏移误差和增益误差，针对这两种类型的偏差，本文设计的像素率校正过程如下:1、偏移校正CCD 像素信号在累积、转移以及输出过程中不可避免地会引入噪声干扰，使得 CCD 输出信号中始终存在一定的直流分量。因而在无光照的情况
21、下，CCD的输出电平不是 0，而存在一定的偏移误差。为了消除这种误差，就要进行相应的偏移校正。像素率偏移校正：对 CCD 的每个像素进行偏移校正的字存储在外部 DRAM 中，并以像素率的形式来存取。偏移校正方程为输出像素输入像素系数 （4）2、增益校正由于 CCD 中各个像素感光响应并不一致，加之照明的不均匀，从而造成扫描目标白色时，各个像素的输出值也存在一定差异，为此，需要进行像素率的增益调整来使得各个像素的输出达到均匀。像素率增益校正是一个数字乘法器，它用一个对应于该像素增益误差的 16位数字校正系数与减法器输出的字相乘。这些系数存储在外部 DRAM 中，以像素率的形式来存取。增益方程为输出像素输入像素（系数16384） （5）3、Gamma 校正在理想情况下，CCD 图像传感器的信号输出幅值应该与被扫描物体反射的
