扫描仪设计难点浅析

2010-08-30陈婷

科技传播 2010年22期

陈婷

西安欧亚学院信息工程学院，陕西西安 710065

0 引言

扫描仪是一种可通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字化输入设备。其工作过程实际上就是一个数字图像采集处理的过程，它不仅可以对照片、文本页面、图纸、美术图画、照相底片、菲林软片等二维信息进行采集并加以处理，甚至可以把纺织品、标牌面板、印制板样品等三维对象作为扫描对象，提取原始的线条、图形、文字、照片等平面实物并将其转换成计算机应用软件可以处理的文件形式。

数字图像处理是利用计算机对图像进行各种处理的技术和方法，是一个将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像处理系统通常包含图像采集、图像处理和图像传输三个组成部分。一般情况下，数字图像采集利用图像采集卡来实现，将模拟信号转换成数字信号，然后由PC机进行软处理。虽然，这种传统的数据图像处理不够灵活，处理能力也受到PC机和软件的限制，但随着CMOS成像芯片工艺的改进和数字信号处理器功能的提升，数据量与计算量较大的图像处理还是可以实现的。

然而，在基于FPGA的图像采集和实现信息存储的过程中，如何实现用统一的驱动电路驱动感光元器件CCD，如何保证数据快速准确地进行读/写传输处理等，一直都是实现高速数据采集的关键问题。

1 设计难点

扫描仪在设计开发过程中涉及到3个关键问题的解决。

1.1 CCD驱动控制

扫描仪是一种图像信号输入设备，其功能在于通过执行扫描仪驱动程序，使得安装在扫描仪内部的可移动光源对原稿进行光学扫描，然后由感光器件CCD将光学图像传送到光电转换器中变为模拟电信号，再将模拟电信号送入A/D变换器转换成为数字电子信号，最后将计算机能够接受的二进制数字电子信号通过计算机的串行或并行接口送至计算机中进行处理。其中，在扫描仪获取图像的过程中，感光器件CCD起到了关键作用，其性能会直接影响到扫描仪的整体性能。

CCD的基本功能是完成光信号电荷包的产生、存储、转移和输出，要想完成这一系列工作，必须要在外围驱动电路的驱动下才能实现。目前，由于CCD类型的不同，会采用不同的驱动电路的设计方法，每个方法都有各自的优缺点，但总体上通用性较差，即针对同一类别的CCD没有统一的驱动电路。因此开发针对通用线阵CCD的驱动控制是设计过程中难点之一。

1.2 DDR存储控制

目前，扫描仪处理的信息大多是二维信息，处理信息量很大。如一幅256×256低分辨率黑白图像，要求大约64kbit的数据量；对高分辨率彩色512×512图像，则要求768kbit数据量。因此，对处理器的运算速度、存储器的容量等都提出了较高要求。

在高速数据采集系统中，将模拟信号转换成数字信号后，需要先将数据存储于存储器中，再进行相应的处理，而高速模/数的转换率较高，普通的大容量SDR SDRAM在工作速度上难以与模/数转换的输出速度相匹配，使得高速数据存储过程的可靠性、实时性受到影响。因此，有必要采用更快速度和更高性能的存储器与其相适应。基于对存储器工作速度、容量和价格等多方面因素的综合考虑，DDR存储器目前已经得到普遍认可，作为高速缓存广泛应用于数字图像处理系统中。为了实现处理器与存储器之间准确而稳定的信息交互，需要专门的控制器来加以控制。因此设计并实现针对DDR存储器的控制器成为扫描仪设计过程中又一难点。

1.3 PCI接口控制

PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线，是微型计算机中处理器/存储器与外围控制部件、扩展卡之间的互连接口。通常，PCI总线与处理器采用异步工作模式，处理器的运行速度不会受到PCI总线设备操作速度的限制，这使得PCI总线适合于多种频率的处理器。同时，PCI总线由于其速度快、可靠性高、成本低、兼容性好等特点，在各种计算机总线标准中占主导位置，采用基于PCI标准的接口设计已经成为相关项目开发中的优先选择。

扫描仪将采集到的图像信息在DDR存储器中缓存后，FPGA会将数据再次从存储器中读出并通过局部总线传输到的PCI控制芯片中，再由PCI控制芯片通过DMA方式把图像数据传输到PCI总线上，最后由驱动程序负责把图像数据传递给上位计算机中的应用程序，应用程序接收到图像数据后再进行显示和其它处理。因此，针对PCI接口控制器的设计也是扫描仪设计过程中的难点之一。