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1、彩色扫描仪原理及优化设计 2彩色扫描仪的原理及优化设计0 引言1 彩色扫描仪的产品分类及基本原理彩色扫描仪的产品分类及基本原理 2 单片彩色扫描仪的性能特点单片彩色扫描仪的性能特点 3 单片彩色扫描仪的工作原理4 单片彩色扫描仪的电路设计 5 结语 3 0 引言引言 扫描仪（扫描仪（Scanner）是一种光、电、）是一种光、电、机一体化的高科技产品，它是继键盘和机一体化的高科技产品，它是继键盘和鼠标之后又一代用途广泛的计算机输入鼠标之后又一代用途广泛的计算机输入设备。设备。扫描仪自扫描仪自20世纪世纪80年头初问世以来，年头初问世以来，就以其独特的数字化就以其独特的数字化“图像图像”采集实力、
2、采集实力、低廉的价格和优良的性能，深受人们的低廉的价格和优良的性能，深受人们的青睐，被誉为计算机的青睐，被誉为计算机的“眼睛眼睛”。41 彩色扫描仪的产品分类及基本原理彩色扫描仪的产品分类及基本原理 1.1 产品分类 a a 按可扫描的图像类型分类 1）黑白扫描仪（亦称二值扫描仪）只能扫描黑白二值图像，每个像素为1位(1bit)，用0或1来代表黑或白。这是最简洁的一种扫描仪，适合扫描工程图纸。2）灰度扫描仪 将图像的明暗程度划分成256个灰度等级，并且用一个8位字节来表示一个像素。3）彩色扫描仪 首先产生对应于红、绿、蓝三基色的三幅图像，然后合成为一幅彩色图像。彩色扫描仪也可通过参数设置来扫描
3、黑白图像。5 b.按外形分类 1）平板式扫描仪（亦称台式扫描仪）将待扫材料静止放置在平台玻璃板上，通过限制步进电机和移动光源（灯管）来完成扫描工作。接受冷阴极辉光放电灯管做光源。是目前应用最广泛的一种扫描仪。2）滚筒式扫描仪在扫描过程中光源保持静止，通过卷动待扫材料来完成扫描工作。接受光电倍增管作为光电转换器件。3）手持式扫描仪（亦称掌上型扫描仪）通过人工移动扫描仪（含光源）来完成扫描的。价格低廉，携带便利，运用敏捷，扫描精度较低。4）笔式扫描仪笔式扫描仪因其外形像一支笔而得名，主要用于条形码的输入识别，可用在车站检票、大型超市的商品登记等领域。6 c.按所用传感器分类 1）CCD（电荷耦合器
4、件）扫描仪 数码相机运用的是二维图像的面阵CCD，而扫描仪用的是一维图像的线阵CCD。CCD扫描仪具有确定的景深（约为3mm），对隆起的书脊甚至实物都可得到清晰的扫描效果。缺点是成本较高，扫描后对图像数据的处理也相对困难。2）CIS（接触式图像传感器）扫描仪 以发光二极管（LED）阵列作为光源，扫描光线干脆被光耦合器接收。接受模块化结构，结构简洁，不须要预热。缺点是扫描精度较低，景深小（约为0.3 mm，只有CCD景深的1/10）不能扫描实物，适合扫描文稿。7 3）光电倍增管（光电倍增管（PMT）扫描仪）扫描仪光光电电倍倍增增管管是是一一种种电电子子管管，其其感感光光材材料料主主要要是是由由金
5、金属属铯铯的的氧氧化化物物构构成成的的。在在全全部部感感光光器器件件中中，光光电电倍倍增增管管的的性性能能最最佳佳，其其灵灵敏敏度度、噪噪声声系系数数、动动态态密密度度范范围围、温温度度特特性性等等指指标标均均优优于于CCD及及CIS。最最难难能能珍珍贵贵的的是是它它的的输输出出信信号号能能在在很很宽宽的的范范围围内内保保持持极极高高的的线线性性度度，几几乎乎不不用用做做任任何何修修正正即即可可获获得得精精确确的的色色调调还还原原。但但其其价价格格昂昂贵贵，少少则则几几十十万万元元，多多则则几几百万元，仅用于专业扫描仪（滚筒式扫描仪）百万元，仅用于专业扫描仪（滚筒式扫描仪）。8 表1 1 扫描
6、仪常用传感器性能一览表 传感器种类灵敏度lx噪声系数动态范围dB隔离电阻温度系数光电倍增管PMT10121012901001012硅氧化物隔离CCD10810910910128095100M 106107半导体隔离CCD10810910810970801M106107接触式感光器件 CIS（LED阵列）10610710510650601100k1021039 d.按通信接口分类 扫描仪与计算机的通信接口有以下四种：EPP（Enhanced Parallel Port，增加型并行口）USB（通用串行接口）SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口
7、）IEEE1394（Fire Wire Port，又称火线接口）。10表2 扫描仪与计算机的4种通信接口接 口 类 型EPPUSB1.1USB2.0SCSIIEEE1394接 口 名 称增强型并行口通用串行总线接口通用串行总线接口小型计算机系统接口火线接口最大传输速率1Mbps12Mbps480 Mbps160Mbps400Mbps主 要 特 点热插拔，正被USB淘汰热插拔热插拔，迅速推广需配接口卡，高稳定性，需配接口卡热插拔，同时支持64个设备111.2 扫描仪的主要技术指标扫描仪的主要技术指标1.辨别率辨别率辨辨别别率率亦亦称称光光学学辨辨别别率率，它它表表示示对对图图像像细细微微环环节节
8、的的识识别别实实力力，通通常常用用每每英英寸寸长长度度上上扫扫描描图图像像所所含含像像素素的的个个数数来来表表示示，记记做做dpi（dot per inch）。目目前前，常常用用扫扫描描仪仪的的辨辨别别率率大大多多为为300dpi2400dpi。12须要说明几点：第一，供印刷用的扫描图像辨别率通常用LPI（Line Per lnch，每英寸长度上所能辨别的线数）来表示。LPI数值越高，印刷质量越高，图像的网点越小。一般状况下，印刷精致的杂志大约为175LPI，一般印刷品一般为133LPI150LPI，报纸仅为65LPI85LPI。令缩放比例为Q，有公式 LPIdpi/Q （1）举例说明，当扫描
9、辨别率为300dpi，Q2（放大2倍）时，印刷线数应为300 dpi/2150LPI。缩放比例与辨别率成反比。其次，扫描仪的辨别率愈高，图像的数据量就愈大，并且数据量是依据几何级数来递增的。选择扫描仪时不要盲目追求高辨别率，应依据实际须要及输出设备的精度而定。13 第三，假如作为图像素材扫描，最终要打印输出，那么最好运用扫描仪的最高光学辨别率，以采集尽可能丰富的图像细微环节。假如最终并不准备高精度输出，比较合适的辨别率一般取300 dpi，就能再现彩色照片的细微环节，文件又不至于特别浩大。假如仅做屏幕显示和网页素材用，可依据最终须要的图片大小来选择基本合适的辨别率，例如，要在屏幕上显示原大的图
10、片，仅需72 dpi就行了。14 第四，国内某些扫描仪是用两个数值相乘的形 式 来 表 示 辨 别 率 的，例 如 写 成“600 dpi1200dpi”，这很简洁造成混淆。因为扫描仪最重要的是“光学”辨别率（亦称水平辨别率），也就是较小的数字“600dpi”。而“1200dpi”指的是“机械”辨别率（也叫垂直辨别率），表示扫描仪中的马达每次可移动1/1200英寸。即使机械辨别率再高，对提高图像质量并无太大影响。第五，在某些扫描仪的说明书中还给出了“最大辨别率”指标，那是用内插法计算出来的辨别率，没有实际意义。15 2.灰度级灰度级灰灰度度级级表表示示灰灰度度图图像像的的亮亮度度层层次次范范围
11、围，灰灰度度级级越越多多，扫扫描描图图像像的的层层次次越越丰丰富富，目目前前多多数数扫扫描描仪仪的的灰灰度度为为256级。级。3.色调数色调数色色调调数数表表示示彩彩色色扫扫描描仪仪所所能能产产生生的的颜颜色色范范围围，通通常常用用每每个个像像素素上上颜颜色色数数据据的的位位数数（bit）来来表表示示。例例如如，24位位彩彩色色扫扫描描仪仪的的每每个个像像素素颜颜色色用用24位位二二进进制制数数来来表表示示，总总共共有有2241.6777216千千万万种种颜颜色色；而而48位位彩彩色色扫扫描描仪仪总总共共有有2482.8151014（2.8兆兆亿亿）种种颜颜色色。色调数愈多，扫描图像愈明丽逼真
12、。色调数愈多，扫描图像愈明丽逼真。16 4.扫描速度（或扫描时间）扫描速度（或扫描时间）扫扫描描速速度度一一般般用用在在规规定定辨辨别别率率和和图图像像尺尺寸寸下下的的扫扫描描时间来表示，单位是秒。时间来表示，单位是秒。5.扫描幅面扫描幅面 表表示示可可扫扫描描图图稿稿的的最最大大尺尺寸寸，常常见见的的有有A4、A3幅幅面等。面等。171.3 平板式扫描仪的基本原理 平板式扫描仪的外形如图1所示。图118 扫描仪的工作原理及扫描流程分别如图2所示。图219 扫描仪的扫描流程 如图3所示。图320 扫描头在步进电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
13、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CCD上，转换为模拟信号，再经过A/D转换器转换成数字信号，最终通过USB等接口送至计算机。21 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等接口按确定依次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，参见图4。图422 2 单片彩色扫描仪的性能特点 传统彩色扫描仪的主板上须要运用多种类型的芯片（例如主控芯片、A/D转换器、输入输出系统芯片、I/O限制芯片、高速缓存
14、等），其结构比较困难。1999年 2001年，美国国家半导体公司（NSC）相继开发出了LM9831型、LM9832、LM9833单片彩色扫描仪集成电路，形成了系列化产品。上述芯片均属于单片系统（SOC），为实现彩色扫描仪电路的优化设计和大幅度降低成本创建了良好条件。美国惠普公司最近相继推出的HP2200C、HP2300C和HP2500C系列彩色扫描仪，接受的就是这种芯片。其中，在HP2200C型彩色扫描仪中接受了一片LM9832，其外形如图5所示。图图523LM9832的性能特点（1）带USB接口的单片图像扫描系统，可供应构成一台高性能彩色扫描仪所必需的全部功能，包括图像传感器限制，照度限制，
15、模拟输入通道，图像数据缓存器DRAM限制器，微步进电机限制器和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。（2）LM9832以42位彩色14位灰度方式扫描图像，以42位（或24位）彩色14位（或8位）灰度数据格式输出。LM 9832支持像素总数高达16384像素3色（1200dpi13.6英寸的传感器。其外围元件仅需一个用于数据缓存的4MB或16MB的DRAM，以及步进电机的驱动管。24（3）接受1200dpi传感器时，水平辨别率可选1200 dpi、800 dpi、600 dpi、400 dpi、300 dpi、200 dpi、150 dpi或100
16、dpi。接受600dpi传感器时，水平辨别率可选600 dpi、400 dpi、300 dpi、200 dpi、150 dpi、100 dpi、75 dpi或50dpi。垂直辨别率范围是50dpi2400dpi，步长为1dpi。对A4彩色幅面而言，当水平辨别率分别为150dpi、300dpi、600dpi时，扫描时间依次小于10s、40s、160s。25 （4）适配3通道CCD传感器（或单通道CIS传感器）构成彩色扫描仪，可实现CCD时钟与最大扫描速度的扫描辨别率与像素的最佳匹配，能自动校准增益和偏移误差，能为用户供应可编程伽马（）校正表（即图像灰度校正表）。x轴代表原图像的像素亮度，其数值从
17、0255；y轴代表处理后新像素的亮度。当曲线向下移动时，图像的相应像素就变暗；向上移动时，像素就变亮。图像的对比度可通过调整曲线的斜率来变更。斜率越大，对比度越大；斜率越小，对比度越小。26 （5）接受脉宽调制（PWM）法限制步进电机的微步进。（6）配48MHz石英晶体。接受5V电源供电，电源电压允许范围是4.75V5.25V，最大工作电流为136mA，最大待机电流为175A。工作温度范围是070。27 3 单片彩色扫描仪的工作原理单片彩色扫描仪的工作原理 LM9832接受接受TQFP100封装形式，主要包封装形式，主要包括括8部分：部分：模拟输入通道；模拟输入通道；数字信号处理单数字信号处理
18、单元（包含像素处理级，像素率偏移校正，增益元（包含像素处理级，像素率偏移校正，增益校正，伽马校正表，校正，伽马校正表，14位像素数据输出，线缓位像素数据输出，线缓冲限制器）；冲限制器）；配置寄存器（配置寄存器（007F）；）；步步进电机限制器；进电机限制器；主限制器（负责系统同步、主限制器（负责系统同步、像素计数器限制、步进限制、照度限制、吩咐像素计数器限制、步进限制、照度限制、吩咐说明等工作）；说明等工作）；扫描功能单元；扫描功能单元；通信接口；通信接口；系统时钟发生器。系统时钟发生器。接受接受5V电源供电，最大电源供电，最大工作电流为工作电流为136mA，最大待机电流为，最大待机电流为17
19、5A。28图6291.1.模拟输入通道模拟输入通道的电路框图如图7所示。图730 图中的C为传感器的耦合电容。该电路可对由CCD传感器产生的红、绿、蓝3路模拟图像信号（UIN（R)、UIN（G)、UIN（B)）进行处理。以红色信号通道（UIN（R)）为例，A1、A2均为可编程增益放大器，A1的增益设定范围是G11V/V或3V/V，A2的增益设定范围是G20.93V/V3V/V。偏置DACR的最大偏移校准量为278mV。代表求和器（即加法器），UOS1UOS3分别为各级的补偿电压。经过模拟前端处理后信号的最大峰-峰值为1.9VPP，再送至14位ADC转换成数字量。输出数字量的表达式为 DOUT（
20、UIN（R)UOS1）G1UDACUOS2G2UOS3C （2）式中，C8192代码V。31 2.数字信号处理单元数字信号处理单元 1）像素处理级）像素处理级 像素处理级可用类似于做除法运算来降低传像素处理级可用类似于做除法运算来降低传感器的光学辨别率，除数依次为感器的光学辨别率，除数依次为1、1.5、2、3、4、6、8或或12。对于一个。对于一个1200dpi的光学系统，的光学系统，利用这些除数可分别得到利用这些除数可分别得到1200dpi、800 dpi、600 dpi、400 dpi、300 dpi、200 dpi、150dpi和和100dpi的水平辨别率。垂直辨别率则由步进的水平辨别率
21、。垂直辨别率则由步进电机的速度所限制。电机的速度所限制。32 对邻近像素取平均值可降低水平方向的辨别率。与简洁地去掉像素来降低辨别率的方法相比，取平均值能获得较好的图像质量。例如，为了从一个300dpi的光学传感器上得到100dpi的辨别率，对3个300dpi的像素取平均后即可得到 假如在一行的末尾没有足够的像素构成一个完整的像素，那么最终一个像素就被删去。（3）33 2）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）3）像素率增益校正 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1
22、6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）34 4）伽玛校正表 对应于R、G和B，有三个校正表。伽玛校正表亦称图像灰度校正表，用它可绘制图像的曲线，反映出原图像与处理结果之间的中间像素亮度变更状况。355）14位输出模式LM9832也支持14位输出模式。这种模式可用来获得精确的校正数据，或用来扫描14位灰度42位彩色图像。此时伽玛校正不起作用。36 6）线缓冲限制器 LM9832支 持 两 种 存 储 量 的 DRAM，一 种 是 256K16位DRAM，另一种是1M16位DRAM。DRAM的读
23、写时序如图8所示。图837 3.步进电机限制器 步进电机限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。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确定了垂直辨别率（每英寸的线数，即LPI）。步进电机原委是向前移动还是向后移动，则由A、B两个信号来确定，二者的相位差为90。38 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9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939 2）微步进模式 微步进是用一个阶梯形的近似正弦波来
24、驱动步进电机的技术，其波形如图10所示。该技术不仅能提高步进电机的辨别率（它具有细化作用），进而提高扫描仪的最大垂直辨别率，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，使扫描仪的最大垂直辨别率提高4倍。图1040 微步进正弦波的振幅受步进电机DAC的输出限制，振幅波形如图11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1141 3）用PWM限制步进电机的电流 在步进电机中可运用
25、一个选项来进行电流脉宽调制，增加高速转矩，提高效率并允许运用电流较低、价格便宜的步进电机。精确限制步进电机的电流有以下优点：第一，在满步进模式下能快速启动电机，例如当电机完全停止时把电流增加到100%，就能克服惯性，快速启动电机；等电机移动完设定的步数后再把电流降到70%，可削减步进电机产生的热量；其次，在微步进模式下可用PWM产生如图10所示的近似正弦波（参见p39）。42 4.扫描仪支持的功能 1）照明限制 扫描仪系统须要给图像扫描供应光源。该光源可发白光（典型状况下用冷阴极辉光放电灯管），亦可接受红色、绿色或蓝色LED。LM9832有四种照明模式可供选择。以照明模式1为例，照明灯应接到L
26、AMPR引脚，PWM计数器的时钟为48MHz，输出频率为48MHz/4096=11.7kHz。该PWM可用于限制荧光灯的亮度。432）CCD/CIS限制单元 限制CCD传感器的时钟信号，选择CCD信号的极性，关闭CCD。3）外部DRAM接口LM9832支持2种规格的外部DRAM：256K16和1M16。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。4）纸张感知和MISC I/OPAPER SENSE 12、MISC I/O 16这8个引脚，用于感知纸张、LED显示、用户起先键等。其中，PAPER SENSE 12引脚专用于输入，
27、MISC I/O 16可构成输入或输出。44 5）功能扩展 还可增加了选择选择扫描、复制、传真、电子邮件等功能扫描、复制、传真、电子邮件等功能的多个按键。利用LM9832的MISC I/O引脚，可实现上述功能。由A、B、C、D、E、F、G这7个按键组合成3条MISC I/O线的电路如图12所示。只要对寄存器2中的数据进行解码，即可确定是哪个键被按下了，再通过计算机执行相应的功能，真正实现彩色扫描仪的优化设计。图1245 4 单片彩色扫描仪的电路设计 由LM9832构成单片彩色扫描仪的典型电路如图13所示。图中的RSENSE为步进电机的电流检测电阻。VT1VT4为外部驱动管。图1346 LM98
28、32运用USB接口，数据通过D+和D-引脚接收和发送。这些数据为3V差分信号。LM9832的D+和D-引脚与单片彩色扫描仪的USB连接器之间的电路，如图14所示。R1和R2分别为两条数据线上的限流电阻。C1和C2为消噪电容。R3为上拉电阻，R4为下拉电阻。图1447 USB的电源和信号是通过如图15所示的四芯电缆来传输的。电缆中的UUSB、GND端分别接5V（或3V）、100mA电源和地。D、D为传输差分数据信号的双绞线。从每个端口都可检测终端是否连接或分别，并能区分高速设备、低速设备。图1548步进电机限制电路如图16所示。图1649 5.单片彩色扫描仪的工作流程：（1）通过PC机写配置寄存
29、器，对LM9832进行配置。（2）PC机吩咐LM9832扫描一张图像，然后计算扫描仪的校正系数。（3）PC机将校正信息传输给LM9832。（4）对于平板式扫描仪，LM9832将扫描头移回到初始位置（对于是进纸式扫描仪，PC机就检测LM9832的状态寄存器，以确认是否有纸张插入）。（5）PC机通过配置寄存器来设置扫描位。50（6）PC机首先计算出将要扫描图像的字节数，然后从LM9832的寄存器00中读取数据，直到读完整幅图像为止。假如由于某种缘由须要终止扫描，那么PC机就把0写入寄存器07中。（7）PC机在读完全部图像数据后，就将0写入寄存器07，停止扫描。（8）PC机发送一个高速反转指令，把传感器送回到初始位置（对进纸式扫描仪来说，PC机会发送一个高速前进指令，弹出剩余的纸张）。（9）扫描仪处于空闲状态。51 4 结语 目前，现代办公设备、家电及通信设备正向单片集成化的方向快速发展，出现了单片扫描仪、单片网络设备（如Web PAD），单片个人计算机（PC-on-a-Chip），单片个人信息助理（PIA）、单片硅基液晶（LCOS，将液晶注入于CMOS芯片和透亮玻璃基板之间）大屏幕背投电视、单片交互式卫星电视机顶盒（STB）等系统级芯片（SOC）。SOC将成为21世纪最具发展前景和富有生命力的一种高科技产品！