数码复印机扫描成像单元的研究

引言

随着科学技术的不断发展，办公自动化的水平也越来越高，复印机已经成为办公室工作中不可缺少的设备之一。复印机是一种高度智能化的机电一体化办公设备，具有复杂的电子线路和精密的机械和光学系统。

数码复印机主要靠其中的CCD(电荷耦合器件)单元、A／D变换单元和图像处理单元把原稿的影像转变成数字量的形式进行图像处理，再送给后面的显影部分，最后在稿纸上把原稿复印出来。本文对数码复印机的READ SECTION(读入单元)进行研究，主要包括曝光部分、CCD成像部分、A／D变换部分、图像处理部分和图像传输部分。系统信号传送过程见图1(信号传送示意图)。

1 系统组成

数码复印机扫描成像单元主要有以下几部分组成：

a) 采用高速的线阵图像传感器TCD1707D，并选用了TB62801F作为TCD1707D的时钟驱动；

b) 采用高集成度的EPM7128SLC84产生系统所需的驱动和控制时序逻辑；

c) 采用内部采样保持的8位高速并行输出A／D芯片(TLC5510)；

d) 采用SanKen公司的高性能SLA7026m作为两相步进电机的驱动；

e) 图像处理板主要由TI公司的高性价比DSP芯片TMS32C5402和CPLD(复杂可编程逻辑器件)组成，完成整个系统的时钟驱动协调和对数据进行简单的处理；

f) 图像处理板和计算机之间采用USB2.0进行数据通信，以满足高速CCD数据的传输。

2 系统硬件电路设计

2.1 TCD1707D的驱动

线阵CCD广泛应用于工业、军事、民用行业。CCD驱动的设计是CCD应用的关键问题之一。以往经常采用的驱动方法包括直接数字驱动方法、EPROM驱动方法、IC驱动方法和单片机驱动方法。前3种方法基本偏重硬件的实现，调试困难，灵活性较差；而后一种方法虽编程灵活，但存在资源浪费较多、频率较低的缺欠。利用CPLD设计电子电路系统的最大优点是节省PCB(印制电路板)面积，并且电路设计完成以后，如果想更改逻辑设计，不必更改任何硬件电路，只需将CPLD内部的逻辑重新编程即可，因此非常适合CCD驱动电路的设计、制作、调试和近一步开发和升级。

TCD1707D的驱动脉冲时序如图2所示。

其中包括转移脉冲SH，移位脉冲φ1E、0、φ2E、0、φ2B，复位脉冲RS，钳位脉冲CP。因为其中的移位脉冲φ1E、0是相同的，φ2E、0、φ2B是一样的，所以为了简化设计，采用了1片日本TOSHIBA公司的线阵CCD的时钟驱动芯片TB62801F芯片。

TB62801F芯片是一款专门为线阵CCD开发的时钟分配驱动芯片。它支持电平翻转输出，去除了电平交叉控制的需要，而且还包括对主时钟的1to4时钟分配和4 bit的控制信号缓冲。图3是TB62801F与TCD1707D的连接原理图。

CPLD产生的时钟驱动接到TB62801F的输人引脚从而驱动CCD芯片的图像采集。

EPM7128SLC84用MAX+PLUSⅡ开发系统实现编程。本设计采用MAX+PLUSⅡ10.2 BASELINE版，它可以完成对电路设计的功能分析、时序分析及各种文本及图形输入，并能将设计结果装载到芯片中。MAX+PLUSⅡ软件的设计输入方式有多种，本文的设计采用层次设计输入方式。因这种方式可包含几种不同格式建立的设计文件，例如原理图设计输入、VHDL设计输入、波形设计输入和EDIF网表输入等。并且MAX+PLUS在一个设计方案中支持多级层次，这种灵活性使设计者可以采用最适合于设计中每个部分的设计方法。

用Waveform Editor仿真出的CCD驱动波形见图4，完全可以满足CCD的驱动。

2.2 A／D转换电路设计

TCD1707D传感器输出信号OS有特点：负极性信号；包含有周期性的复位脉冲串扰；有效信号幅值较小。

CCD输出信号的上述特点决定了它不能直接送入A／D转换器，必须先从硬件上对其进行一系列的预处理，消除信号中的驱动脉冲(主要是复位脉冲)及噪声等所造成的干扰，因此需将信号进行前置反向、滤波及放大。在电路设计中，选用运算放大器进行反向、放大，并在运算放大器的输出端接一级RC滤波器滤除噪声。经过上述处理的信号就可以送入A／D转换器进行数字化处理。在该系统设计中，选用8位、高速、并行、半闪速结构A／D转换器-TLC5510芯片完成A／D转换工作。TLC5510是美国TI公司的一种采用CMOS工艺制造的8位高阻抗并行A／D芯片，能提供的最小采样率为20MSPS(百万次采样每秒)。利用A／D转换技术将视频信号转换成与之对应的、能够反映图像灰度变化的数字量，提高了测量精度和分辨率。当TLC 5510的输出使能有效时，就可以将A／D转换结果送至8位数据线上。在数据存储器写允许及地址有效的前提下，将8位A／D转换结果实时地存入数据存储器中。图5是TLC5510的外围电路。

2.3 USB2.0的开发

由于高速图像传感器采集的数据量较大，所以与PC机之间的数据传输要求速度比较高，需要采用高速的总线方式。USB(通用串行总线)足Compaq、IBM等PC大厂商联合开发的一种新型、基于令牌、高速的串行总线标准。要设计USB设备接口，首先需要了解USB协议，在此基础上有针对性地开发USB设备驱动程序。

目前，市场上支持USB协议的硬件芯片主要有带USB接口的单片机(MCU)和纯粹的USB接口芯片两种。带USB接口的单片机如Cypress公司的CY7C63513(低速)、CY7C64013(全速)、CY7C68013(高速)；纯粹的USB接口芯片仅处理USB通信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数据交换，典型产品有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接口芯片的主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高，尤其适合于产品的改型设计，硬件上仅需对并行总线和中断进行改动，软件则需要增加微处理器的USB中断处理和数据交换程序、PC机的USB接口通信程序，无需对原有产品系统结构进行很大的改动。该系统采用的就是Cypress公司的CY7C68013。USB2.0的固件编程呵以参照文献[4-5]。