數(shù)碼復(fù)印機(jī)掃描成像單元的研究

隨著科學(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(fù)印機(jī)已經(jīng)成為辦公室工作中不可缺少的設(shè)備之一。復(fù)印機(jī)是一種高度智能化的機(jī)電一體化辦公設(shè)備，具有復(fù)雜的電子線路和精密的機(jī)械和光學(xué)系統(tǒng)。

數(shù)碼復(fù)印機(jī)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(zhuǎn)變成數(shù)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(fù)印出來(lái)。本文對(duì)數(shù)碼復(fù)印機(jī)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(tǒng)信號(hào)傳送過(guò)程見圖1(信號(hào)傳送示意圖)。

1 系統(tǒng)組成

數(shù)碼復(fù)印機(jī)掃描成像單元主要有以下幾部分組成：

a) 采用高速的線陣圖像傳感器TCD1707D，并選用了TB62801F作為TCD1707D的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)；

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

c) 采用內(nèi)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(jī)的驅(qū)動(dòng)；

e) 圖像處理板主要由TI公司的高性價(jià)比DSP芯片TMS32C5402和CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)組成，完成整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理；

f) 圖像處理板和計(jì)算機(jī)之間采用USB2.0進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以滿足高速CCD數(shù)據(jù)的傳輸。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 TCD1707D的驅(qū)動(dòng)

線陣CCD廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、民用行業(yè)。CCD驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)是CCD應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。以往經(jīng)常采用的驅(qū)動(dòng)方法包括直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)方法、EPROM驅(qū)動(dòng)方法、IC驅(qū)動(dòng)方法和單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法。前3種方法基本偏重硬件的實(shí)現(xiàn)，調(diào)試?yán)щy，靈活性較差；而后一種方法雖編程靈活，但存在資源浪費(fèi)較多、頻率較低的缺欠。利用CPLD設(shè)計(jì)電子電路系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省PCB(印制電路板)面積，并且電路設(shè)計(jì)完成以后，如果想更改邏輯設(shè)計(jì)，不必更改任何硬件電路，只需將CPLD內(nèi)部的邏輯重新編程即可，因此非常適合CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試和近一步開發(fā)和升級(jí)。

TCD1707D的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序如圖2所示。

其中包括轉(zhuǎn)移脈沖SH，移位脈沖φ1E、0、φ2E、0、φ2B，復(fù)位脈沖RS，鉗位脈沖CP。因?yàn)槠渲械囊莆幻}沖φ1E、0是相同的，φ2E、0、φ2B是一樣的，所以為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用了1片日本TOSHIBA公司的線陣CCD的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片TB62801F芯片。

TB62801F芯片是一款專門為線陣CCD開發(fā)的時(shí)鐘分配驅(qū)動(dòng)芯片。它支持電平翻轉(zhuǎn)輸出，去除了電平交叉控制的需要，而且還包括對(duì)主時(shí)鐘的1to4時(shí)鐘分配和4 bit的控制信號(hào)緩沖。圖3是TB62801F與TCD1707D的連接原理圖。

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

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

用Waveform Editor仿真出的CCD驅(qū)動(dòng)波形見圖4，完全可以滿足CCD的驅(qū)動(dòng)。

2.2 A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

TCD1707D傳感器輸出信號(hào)OS有特點(diǎn)：負(fù)極性信號(hào)；包含有周期性的復(fù)位脈沖串?dāng)_；有效信號(hào)幅值較小。

CCD輸出信號(hào)的上述特點(diǎn)決定了它不能直接送入A／D轉(zhuǎn)換器，必須先從硬件上對(duì)其進(jìn)行一系列的預(yù)處理，消除信號(hào)中的驅(qū)動(dòng)脈沖(主要是復(fù)位脈沖)及噪聲等所造成的干擾，因此需將信號(hào)進(jìn)行前置反向、濾波及放大。在電路設(shè)計(jì)中，選用運(yùn)算放大器進(jìn)行反向、放大，并在運(yùn)算放大器的輸出端接一級(jí)RC濾波器濾除噪聲。

經(jīng)過(guò)上述處理的信號(hào)就可以送入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用8位、高速、并行、半閃速結(jié)構(gòu)A／D轉(zhuǎn)換器-TLC5510芯片完成A／D轉(zhuǎn)換工作。TLC5510是美國(guó)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(zhuǎn)換技術(shù)將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的、能夠反映圖像灰度變化的數(shù)字量，提高了測(cè)量精度和分辨率。當(dāng)TLC 5510的輸出使能有效時(shí)，就可以將A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果送至8位數(shù)據(jù)線上。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫允許及地址有效的前提下，將8位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果實(shí)時(shí)地存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。圖5是TLC5510的外圍電路。

2.3 USB2.0的開發(fā)

由于高速圖像傳感器采集的數(shù)據(jù)量較大，所以與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸要求速度比較高，需要采用高速的總線方式。USB(通用串行總線)足Compaq、IBM等PC大廠商聯(lián)合開發(fā)的一種新型、基于令牌、高速的串行總線標(biāo)準(zhǔn)。要設(shè)計(jì)USB設(shè)備接口，首先需要了解USB協(xié)議，在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性地開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)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(jī)(MCU)和純粹的USB接口芯片兩種。帶USB接口的單片機(jī)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(shù)據(jù)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(shè)計(jì)，硬件上僅需對(duì)并行總線和中斷進(jìn)行改動(dòng)，軟件則需要增加微處理器的USB中斷處理和數(shù)據(jù)交換程序、PC機(jī)的USB接口通信程序，無(wú)需對(duì)原有產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行很大的改動(dòng)。該系統(tǒng)采用的就是Cypress公司的CY7C68013。USB2.0的固件編程呵以參照文獻(xiàn)[4-5]。

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