掃描儀設(shè)計(jì)難點(diǎn)淺析

陳 婷

西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西西安 710065

0 引言

掃描儀是一種可通過捕獲圖像并將之轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以顯示、編輯、存儲(chǔ)和輸出的數(shù)字化輸入設(shè)備。其工作過程實(shí)際上就是一個(gè)數(shù)字圖像采集處理的過程，它不僅可以對(duì)照片、文本頁面、圖紙、美術(shù)圖畫、照相底片、菲林軟片等二維信息進(jìn)行采集并加以處理，甚至可以把紡織品、標(biāo)牌面板、印制板樣品等三維對(duì)象作為掃描對(duì)象，提取原始的線條、圖形、文字、照片等平面實(shí)物并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件可以處理的文件形式。

數(shù)字圖像處理是利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行各種處理的技術(shù)和方法，是一個(gè)將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過程。數(shù)字圖像處理系統(tǒng)通常包含圖像采集、圖像處理和圖像傳輸三個(gè)組成部分。一般情況下，數(shù)字圖像采集利用圖像采集卡來實(shí)現(xiàn)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由PC機(jī)進(jìn)行軟處理。雖然，這種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖像處理不夠靈活，處理能力也受到PC機(jī)和軟件的限制，但隨著CMOS成像芯片工藝的改進(jìn)和數(shù)字信號(hào)處理器功能的提升，數(shù)據(jù)量與計(jì)算量較大的圖像處理還是可以實(shí)現(xiàn)的。

然而，在基于FPGA的圖像采集和實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)的過程中，如何實(shí)現(xiàn)用統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)感光元器件CCD，如何保證數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地進(jìn)行讀/寫傳輸處理等，一直都是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵問題。

1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

掃描儀在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中涉及到3個(gè)關(guān)鍵問題的解決。

1.1 CCD驅(qū)動(dòng)控制

掃描儀是一種圖像信號(hào)輸入設(shè)備，其功能在于通過執(zhí)行掃描儀驅(qū)動(dòng)程序，使得安裝在掃描儀內(nèi)部的可移動(dòng)光源對(duì)原稿進(jìn)行光學(xué)掃描，然后由感光器件CCD將光學(xué)圖像傳送到光電轉(zhuǎn)換器中變?yōu)槟M電信號(hào)，再將模擬電信號(hào)送入A/D變換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字電子信號(hào)，最后將計(jì)算機(jī)能夠接受的二進(jìn)制數(shù)字電子信號(hào)通過計(jì)算機(jī)的串行或并行接口送至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。其中，在掃描儀獲取圖像的過程中，感光器件CCD起到了關(guān)鍵作用，其性能會(huì)直接影響到掃描儀的整體性能。

CCD的基本功能是完成光信號(hào)電荷包的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和輸出，要想完成這一系列工作，必須要在外圍驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)下才能實(shí)現(xiàn)。目前，由于CCD類型的不同，會(huì)采用不同的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但總體上通用性較差，即針對(duì)同一類別的CCD沒有統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)電路。因此開發(fā)針對(duì)通用線陣CCD的驅(qū)動(dòng)控制是設(shè)計(jì)過程中難點(diǎn)之一。

1.2 DDR存儲(chǔ)控制

目前，掃描儀處理的信息大多是二維信息，處理信息量很大。如一幅256×256低分辨率黑白圖像，要求大約64kbit的數(shù)據(jù)量；對(duì)高分辨率彩色512×512圖像，則要求768kbit數(shù)據(jù)量。因此，對(duì)處理器的運(yùn)算速度、存儲(chǔ)器的容量等都提出了較高要求。

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，需要先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，再進(jìn)行相應(yīng)的處理，而高速模/數(shù)的轉(zhuǎn)換率較高，普通的大容量SDR SDRAM在工作速度上難以與模/數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出速度相匹配，使得高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程的可靠性、實(shí)時(shí)性受到影響。因此，有必要采用更快速度和更高性能的存儲(chǔ)器與其相適應(yīng)?；趯?duì)存儲(chǔ)器工作速度、容量和價(jià)格等多方面因素的綜合考慮，DDR存儲(chǔ)器目前已經(jīng)得到普遍認(rèn)可，作為高速緩存廣泛應(yīng)用于數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中。為了實(shí)現(xiàn)處理器與存儲(chǔ)器之間準(zhǔn)確而穩(wěn)定的信息交互，需要專門的控制器來加以控制。因此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)針對(duì)DDR存儲(chǔ)器的控制器成為掃描儀設(shè)計(jì)過程中又一難點(diǎn)。

1.3 PCI接口控制

PCI總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線，是微型計(jì)算機(jī)中處理器/存儲(chǔ)器與外圍控制部件、擴(kuò)展卡之間的互連接口。通常，PCI總線與處理器采用異步工作模式，處理器的運(yùn)行速度不會(huì)受到PCI總線設(shè)備操作速度的限制，這使得PCI總線適合于多種頻率的處理器。同時(shí)，PCI總線由于其速度快、可靠性高、成本低、兼容性好等特點(diǎn)，在各種計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)中占主導(dǎo)位置，采用基于PCI標(biāo)準(zhǔn)的接口設(shè)計(jì)已經(jīng)成為相關(guān)項(xiàng)目開發(fā)中的優(yōu)先選擇。

掃描儀將采集到的圖像信息在DDR存儲(chǔ)器中緩存后，F(xiàn)PGA會(huì)將數(shù)據(jù)再次從存儲(chǔ)器中讀出并通過局部總線傳輸?shù)降腜CI控制芯片中，再由PCI控制芯片通過DMA方式把圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇CI總線上，最后由驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)把圖像數(shù)據(jù)傳遞給上位計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用程序，應(yīng)用程序接收到圖像數(shù)據(jù)后再進(jìn)行顯示和其它處理。因此，針對(duì)PCI接口控制器的設(shè)計(jì)也是掃描儀設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)之一。

圖 1 系統(tǒng)框架圖

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