平板式扫描仪知识.doc

硬件设计 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CCD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1/3～1/4，，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。 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：1/5，1/10，1/20。 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。 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) CD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。一般使用冷阴极管做光源，需要预热1分钟左右才能稳定发光。需要通过一系列透镜、反射镜成像，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。 不能做成高分辨率的扫描仪，扫描速度也比较慢。 综上所述，我们得知CIS型传感器虽结构简单、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。 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、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： 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