數碼復印機掃描成像單元的研究

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，辦公自動(dòng)化的水平也越來(lái)越高，復印機已經(jīng)成為辦公室工作中不可缺少的設備之一。復印機是一種高度智能化的機電一體化辦公設備，具有復雜的電子線(xiàn)路和精密的機械和光學(xué)系統。

數碼復印機主要靠其中的CCD(電荷耦合器件)單元、A／D變換單元和圖像處理單元把原稿的影像轉變成數字量的形式進(jìn)行圖像處理，再送給后面的顯影部分，最后在稿紙上把原稿復印出來(lái)。本文對數碼復印機的READ SECTION(讀入單元)進(jìn)行研究，主要包括曝光部分、CCD成像部分、A／D變換部分、圖像處理部分和圖像傳輸部分。系統信號傳送過(guò)程見(jiàn)圖1(信號傳送示意圖)。

1 系統組成

數碼復印機掃描成像單元主要有以下幾部分組成：

a) 采用高速的線(xiàn)陣圖像傳感器TCD1707D，并選用了TB62801F作為T(mén)CD1707D的時(shí)鐘驅動(dòng)；

b) 采用高集成度的EPM7128SLC84產(chǎn)生系統所需的驅動(dòng)和控制時(shí)序邏輯；

c) 采用內部采樣保持的8位高速并行輸出A／D芯片(TLC5510)；

d) 采用SanKen公司的高性能SLA7026m作為兩相步進(jìn)電機的驅動(dòng)；

e) 圖像處理板主要由TI公司的高性?xún)r(jià)比DSP芯片TMS32C5402和CPLD(復雜可編程邏輯器件)組成，完成整個(gè)系統的時(shí)鐘驅動(dòng)協(xié)調和對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理；

f) 圖像處理板和計算機之間采用USB2.0進(jìn)行數據通信，以滿(mǎn)足高速CCD數據的傳輸。

2 系統硬件電路設計

2.1 TCD1707D的驅動(dòng)

線(xiàn)陣CCD廣泛應用于工業(yè)、軍事、民用行業(yè)。CCD驅動(dòng)的設計是CCD應用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。以往經(jīng)常采用的驅動(dòng)方法包括直接數字驅動(dòng)方法、EPROM驅動(dòng)方法、IC驅動(dòng)方法和單片機驅動(dòng)方法。前3種方法基本偏重硬件的實(shí)現，調試困難，靈活性較差；而后一種方法雖編程靈活，但存在資源浪費較多、頻率較低的缺欠。利用CPLD設計電子電路系統的最大優(yōu)點(diǎn)是節省PCB(印制電路板)面積，并且電路設計完成以后，如果想更改邏輯設計，不必更改任何硬件電路，只需將CPLD內部的邏輯重新編程即可，因此非常適合CCD驅動(dòng)電路的設計、制作、調試和近一步開(kāi)發(fā)和升級。

TCD1707D的驅動(dòng)脈沖時(shí)序如圖2所示。

其中包括轉移脈沖SH，移位脈沖φ1E、0、φ2E、0、φ2B，復位脈沖RS，鉗位脈沖CP。因為其中的移位脈沖φ1E、0是相同的，φ2E、0、φ2B是一樣的，所以為了簡(jiǎn)化設計，采用了1片日本TOSHIBA公司的線(xiàn)陣CCD的時(shí)鐘驅動(dòng)芯片TB62801F芯片。

TB62801F芯片是一款專(zhuān)門(mén)為線(xiàn)陣CCD開(kāi)發(fā)的時(shí)鐘分配驅動(dòng)芯片。它支持電平翻轉輸出，去除了電平交叉控制的需要，而且還包括對主時(shí)鐘的1to4時(shí)鐘分配和4 bit的控制信號緩沖。圖3是TB62801F與TCD1707D的連接原理圖。

CPLD產(chǎn)生的時(shí)鐘驅動(dòng)接到TB62801F的輸人引腳從而驅動(dòng)CCD芯片的圖像采集。

EPM7128SLC84用MAX+PLUSⅡ開(kāi)發(fā)系統實(shí)現編程。本設計采用MAX+PLUSⅡ10.2 BASELINE版，它可以完成對電路設計的功能分析、時(shí)序分析及各種文本及圖形輸入，并能將設計結果裝載到芯片中。MAX+PLUSⅡ軟件的設計輸入方式有多種，本文的設計采用層次設計輸入方式。因這種方式可包含幾種不同格式建立的設計文件，例如原理圖設計輸入、VHDL設計輸入、波形設計輸入和EDIF網(wǎng)表輸入等。并且MAX+PLUS在一個(gè)設計方案中支持多級層次，這種靈活性使設計者可以采用最適合于設計中每個(gè)部分的設計方法。

用Waveform Editor仿真出的CCD驅動(dòng)波形見(jiàn)圖4，完全可以滿(mǎn)足CCD的驅動(dòng)。

2.2 A／D轉換電路設計

TCD1707D傳感器輸出信號OS有特點(diǎn)：負極性信號；包含有周期性的復位脈沖串擾；有效信號幅值較小。

CCD輸出信號的上述特點(diǎn)決定了它不能直接送入A／D轉換器，必須先從硬件上對其進(jìn)行一系列的預處理，消除信號中的驅動(dòng)脈沖(主要是復位脈沖)及噪聲等所造成的干擾，因此需將信號進(jìn)行前置反向、濾波及放大。在電路設計中，選用運算放大器進(jìn)行反向、放大，并在運算放大器的輸出端接一級RC濾波器濾除噪聲。

經(jīng)過(guò)上述處理的信號就可以送入A／D轉換器進(jìn)行數字化處理。在該系統設計中，選用8位、高速、并行、半閃速結構A／D轉換器-TLC5510芯片完成A／D轉換工作。TLC5510是美國TI公司的一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A／D芯片，能提供的最小采樣率為20MSPS(百萬(wàn)次采樣每秒)。利用A／D轉換技術(shù)將視頻信號轉換成與之對應的、能夠反映圖像灰度變化的數字量，提高了測量精度和分辨率。當TLC 5510的輸出使能有效時(shí)，就可以將A／D轉換結果送至8位數據線(xiàn)上。在數據存儲器寫(xiě)允許及地址有效的前提下，將8位A／D轉換結果實(shí)時(shí)地存入數據存儲器中。圖5是TLC5510的外圍電路。

2.3 USB2.0的開(kāi)發(fā)

由于高速圖像傳感器采集的數據量較大，所以與PC機之間的數據傳輸要求速度比較高，需要采用高速的總線(xiàn)方式。USB(通用串行總線(xiàn))足Compaq、IBM等PC大廠(chǎng)商聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種新型、基于令牌、高速的串行總線(xiàn)標準。要設計USB設備接口，首先需要了解USB協(xié)議，在此基礎上有針對性地開(kāi)發(fā)USB設備驅動(dòng)程序。

目前，市場(chǎng)上支持USB協(xié)議的硬件芯片主要有帶USB接口的單片機(MCU)和純粹的USB接口芯片兩種。帶USB接口的單片機如Cypress公司的CY7C63513(低速)、CY7C64013(全速)、CY7C68013(高速)；純粹的USB接口芯片僅處理USB通信，必須有一個(gè)外部微處理器來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數據交換，典型產(chǎn)品有Philips公司的PDIUSBD11(I2C接口)和PDIUSBD12(并行接口)、ISP1581、NS公司的US-BN9603／9604(并行接口)、NetChip公司的NET2888等。USB接口芯片的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適合于產(chǎn)品的改型設計，硬件上僅需對并行總線(xiàn)和中斷進(jìn)行改動(dòng)，軟件則需要增加微處理器的USB中斷處理和數據交換程序、PC機的USB接口通信程序，無(wú)需對原有產(chǎn)品系統結構進(jìn)行很大的改動(dòng)。該系統采用的就是Cypress公司的CY7C68013。USB2.0的固件編程呵以參照文獻[4-5]。

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