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彩色扫描仪原理及优化设计
河北科技大学 电子信息工程系
沙占友
2003-04-26
学术交流
2
彩色扫描仪的原理及优化设计
? 0 引言
? 1 彩色扫描仪的产品分类及基本原理
? 2 单片彩色扫描仪的性能特点
? 3 单片彩色扫描仪的工作原理
? 4 单片彩色扫描仪的电路设计
? 5 结语
3
0 引言
扫描仪（ Scanner） 是一种 光、电、机一体
化 的高科技产品，它是继键盘和鼠标之后又一代用
途广泛的计算机输入设备。
扫描仪自 20世纪 80年代初问世以来，就以其独特
的数字化“图像”采集能力、低廉的价格和优良的
性能，深受人们的青睐，被誉为计算机的, 眼睛,。
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1 彩色扫描仪的产品分类及基本原理
1.1 产品分类
a 按可扫描的图像类型分类
1） 黑白扫描仪 （ 亦称二值扫描仪 ）
只能扫描黑白二值图像, 每个像素为 1位 (1bit),用 0或 1来
代表黑或白 。 这是最简单的一种扫描仪, 适合扫描工程图纸 。
2） 灰度扫描仪
将图像的明暗程度划分成 256个灰度等级, 并且用一个 8位
字节来表示一个像素 。
3） 彩色扫描仪
首先产生对应于红、绿、蓝三基色的三幅图像，然后合成
为一幅彩色图像。 彩色扫描仪也可通过参数设置来扫描黑白
图像。
5
b,按外形分类
1） 平板式扫描仪 （ 亦称台式扫描仪 ）
将待扫材料静止放置在平台玻璃板上, 通过控制步进电机
和移动光源 （ 灯管 ） 来完成扫描工作 。 采用冷阴极辉光放电
灯管做光源 。 是目前应用最广泛的一种扫描仪 。
2） 滚筒式扫描仪
在扫描过程中光源保持静止, 通过卷动待扫材料来完成扫
描工作 。 采用光电倍增管作为光电转换器件 。
3） 手持式扫描仪 （ 亦称掌上型扫描仪 ）
通过人工移动扫描仪 （ 含光源 ） 来完成扫描的 。 价格低廉,
携带方便, 使用灵活, 扫描精度较低 。
4） 笔式扫描仪
笔式扫描仪因其外形像一支笔而得名, 主要用于条形码的
输入识别, 可用在车站检票, 大型超市的商品登记等领域 。
6
c,按所用传感器分类
1） CCD（ 电荷耦合器件 ） 扫描仪
数码相机使用的是二维图像的面阵 CCD,而扫描仪用的是一
维图像的线阵 CCD。 CCD扫描仪具有一定的景深 （ 约为
3mm）, 对隆起的书脊甚至实物都可得到清晰的扫描效果 。 缺
点是成本较高, 扫描后对图像数据的处理也相对复杂 。
2） CIS（ 接触式图像传感器 ） 扫描仪
以发光二极管（ LED）阵列作为光源，扫描光线直接被光耦
合器接收。采用模块化结构，结构简单，不需要预热。缺点是
扫描精度较低，景深小（约为 0.3 mm，只有 CCD景深的 1/10）
不能扫描实物，适合扫描文稿。
7
3） 光电倍增管 （ PMT） 扫描仪
光电倍增管是一种电子管，其感光材料主要是由金属铯的
氧化物构成的。在所有感光器件中，光电倍增管的性能最
佳，其灵敏度、噪声系数、动态密度范围、温度特性等指
标均优于 CCD及 CIS。最难能可贵的是它的输出信号能在很
宽的范围内保持极高的线性度，几乎不用做任何修正即可
获得准确的色彩还原。但其价格昂贵，少则几十万元，多
则几百万元，仅用于专业扫描仪（滚筒式扫描仪） 。
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表 1 扫描仪常用传感器性能一览表
传感器种类
灵敏度／ lx
噪声系数
动态范围／
dB
隔离电阻／
Ω
温度系数／ ℃
光电倍增管
PMT
10－ 12
10－ 12
90～ 100
∞
10－ 12
硅氧化物隔离
CCD
10－ 8～ 10－ 9
10－ 9～ 10－ 12
80～ 95
≥100M
10－ 6～ 10－ 7
半导体隔离
CCD
10－ 8～ 10－ 9
10－ 8～ 10－ 9
70～ 80
≥1M
10－ 6～ 10－ 7
接触式感光器件
CIS（ LED阵列）
10－ 6～ 10－ 7
10－ 5～ 10－ 6
50～ 60
1～ 100k
10－ 2～ 10－ 3
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d,按通信接口分类
扫描仪与计算机的通信接口有以下四种,
EPP（ Enhanced Parallel Port，增强型并
行口）
USB（通用串行接口）
SCSI（ Small Computer System Interface，
小型计算机系统接口）
IEEE1394（ Fire Wire Port，又称火线接
口）。
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表 2 扫描仪与计算机的 4种通信接口
接 口 类
型
EPP
USB1.1
USB2.0
SCSI
IEEE1394
接 口 名
称
增强型并行口
通用串行总线
接口
通用串行总线
接口
小 型 计算 机 系
统接口
火线接口
最大传输速
率
1Mbps
12Mbps
480 Mbps
160Mbps
400Mbps
主 要 特
点
热插拔,正
被 USB淘汰
热插拔
热插拔，迅速
推广
需配接口卡，
高稳定性，需
配接口卡
热插拔，
同时支持
64个设备
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1.2 扫描仪的主要技术指标
1.分辨率
分辨率亦称光学分辨率, 它表示对图像细节
的识别能力, 通常用每英寸长度上扫描图像
所含像素的个数来表示, 记做 dpi（ dot per
inch） 。 目前, 常用扫描仪的分辨率大多为
300dpi～ 2400dpi。
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需要说明几点,
第一, 供印刷用的扫描图像分辨率通常用 LPI（ Line Per lnch，
每英寸长度上所能分辨的线数 ） 来表示 。 LPI数值越高, 印刷
质量越高, 图像的网点越小 。 一般情况下, 印刷精美的杂志大
约为 175LPI,普通印刷品一般为 133LPI～ 150LPI,报纸仅为
65LPI～ 85LPI。
令缩放比例为 Q,有公式
LPI＝ dpi/Q （ 1）
举例说明, 当扫描分辨率为 300dpi,Q＝ 2（ 放大 2倍 ） 时, 印
刷线数应为 300 dpi /2＝ 150LPI。 缩放比例与分辨率成反比 。
第二,扫描仪的分辨率愈高，图像的数据量就愈大，并且数
据量是按照几何级数来递增的。选择扫描仪时不要盲目追求高
分辨率，应根据实际需要及输出设备的精度而定。
13
第三, 如果作为图像素材扫描, 最终要打印输出,
那么最好使用扫描仪的最高光学分辨率, 以采集尽
可能丰富的图像细节 。 如果最终并不准备高精度输
出, 比较合适的分辨率 一般取 300 dpi,就能再现彩
色照片的细节, 文件又不至于十分庞大 。 如果仅做
屏幕显示和网页素材用, 可根据最终需要的图片大
小来选择基本合适的分辨率, 例如, 要在屏幕上显
示原大的图片, 仅需 72 dpi就行了 。
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第四, 国内某些扫描仪是用两个数值相乘的
形 式 来 表 示 分 辨 率 的, 例 如 写 成, 600
dpi× 1200dpi”,这很容易造成混淆 。 因为扫
描仪最重要的是, 光学, 分辨率 （ 亦称水平
分辨率 ）, 也就是较小的数字, 600dpi”。 而
,1200dpi”指的是, 机械, 分辨率 （ 也叫垂直
分辨率 ）, 表示扫描仪中的马达每次可移动
1/1200英寸 。 即使机械分辨率再高, 对提高图
像质量并无太大影响 。
第五, 在某些扫描仪的说明书中还给出了
,最大分辨率, 指标, 那是用内插法计算出
来的分辨率, 没有实际意义 。
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2,灰度级
灰度级表示灰度图像的亮度层次范围, 灰度级越多,
扫描图像的层次越丰富, 目前多数扫描仪的灰度为
256级 。
3,色彩数
色彩数表示彩色扫描仪所能产生的颜色范围, 通常
用每个像素上颜色数据的位数 （ bit） 来表示 。 例如,
24位彩色扫描仪的每个像素颜色用 24位二进制数来
表示, 总共有 224＝ 1.6777216千万种颜色；而 48位彩
色扫描仪总共有 248≈2.815× 1014（ 2.8兆亿 ） 种颜色 。
色彩数愈多, 扫描图像愈鲜艳逼真 。
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4,扫描速度 （ 或扫描时间 ）
扫描速度一般用在规定分辨率和图像尺寸下
的扫描时间来表示, 单位是秒 。
5,扫描幅面
表示可扫描图稿的最大尺寸, 常见的有 A4、
A3幅面等 。
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1.3 平板式扫描仪的基本原理
平板式扫描仪的外形如图 1所示。
图 1
18
扫描仪的工作原理及扫描流程分别如图 2所示 。
图 2
19
扫描仪的扫描流程 如图 3所示 。
图 3
20
扫描头在步进电机驱动下从原稿的下面移动,
不断读取原稿的信息 。 扫描仪光源照射到原稿
上的光线经反射后形成沿 x轴方向的光带, 依
次经过反射镜, 棱镜, 滤色镜和聚焦透镜, 将
红 （ R）, 绿 （ G）, 蓝 （ B） 三条彩色光带分
别照到各自的 CCD上, 转换为模拟信号, 再经
过 A/D转换器转换成数字信号, 最后通过 USB
等接口送至计算机 。
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扫描仪每扫描一行，就得到原稿该行的图像信息
。扫描头不断地沿 y轴方向移动，直到将原稿全部
扫描完。所得到的图像数据首先暂存在缓冲器中，
然后通过 USB等接口按一定顺序把图像数据传输到
计算机中并存储下来，最终获得一幅完整的图像，
参见图 4。
图 4
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2 单片彩色扫描仪的性能特点
传统彩色扫描仪的主板上需要使用多种类型的芯片 （ 例
如主控芯片, A/D转换器, 输入／输出系统芯片, I/O控制
芯片, 高速缓存等 ）, 其结构比较复杂 。
1999年～ 2001年, 美国国家半导体公司 （ NSC） 相继开
发出了 LM9831型, LM9832,LM9833单片彩色扫描仪集
成电路, 形成了系列化产品 。 上述芯片均属于单片系统
（ SOC）, 为实现彩色扫描仪电路的优化设计和大幅度降
低成本创造了良好条件 。 美国惠普公司最近相继推出的
HP2200C,HP2300C和 HP2500C系列彩色扫描仪, 采用的
就是这种芯片 。 其中, 在 HP2200C型彩色扫描仪中采用了
一片 LM9832,其外形如图 5所示 。
图 5
23
LM9832的性能特点
（ 1） 带 USB接口的单片图像扫描系统，可提供构成一台
高性能彩色扫描仪所必需的全部功能，包括图像传感器控制，
照度控制，模拟输入通道，图像数据缓存器／ DRAM控制器，
微步进电机控制器和 USB接口。允许设计成 USB总线供电的扫描
仪。在装有 USB接口的计算机上可以即插即用。
（ 2） LM9832以 42位彩色／ 14位灰度方式扫描图像，以
42位（或 24位）彩色／ 14位（或 8位）灰度数据格式输出。 LM
9832支持像素总数高达 16384像素 × 3色（ 1200dpi× 13.6英寸的
传感器。其外围元件仅需一个用于数据缓存的 4MB或 16MB的
DRAM，以及步进电机的驱动管。
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（ 3） 采用 1200dpi传感器时, 水平分辨率可选 1200
dpi,800 dpi,600 dpi,400 dpi,300 dpi,200 dpi,150
dpi或 100dpi。
采用 600dpi传感器时, 水平分辨率可选 600 dpi、
400 dpi,300 dpi,200 dpi,150 dpi,100 dpi,75 dpi或
50dpi。
垂直分辨率范围是 50dpi～ 2400dpi,步长为 1dpi。
对 A4彩色幅面而言, 当水平分辨率分别为 150dpi,300dpi、
600dpi时, 扫描时间 依次小于 10s,40s,160s。
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（ 4）适配 3通道 CCD传感器（或单通道 CIS传感器）
构成彩色扫描仪，可实现 CCD时钟与最大扫描速度的
扫描分辨率与像素的最佳匹配，能自动校准增益和偏
移误差，能为用户提供可编程 伽马（ γ ）校正表
（即图像灰度校正表）。
x轴代表原图像的像
素亮度，其数值从 0～
255； y轴代表处理后新
像素的亮度。当曲线向
下移动时，图像的相应
像素就变暗；向上移动
时，像素就变亮。图像
的对比度可通过调整曲
线的斜率来改变。斜率
越大，对比度越大；斜
率越小，对比度越小。
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（ 5）采用脉宽调制（ PWM）法控制
步进电机的 微步进 。
（ 6）配 48MHz石英晶体。采用＋ 5V电
源供电，电源电压允许范围是＋ 4.75V～
＋ 5.25V，最大工作电流为 136mA，最大
待机电流为 175μA。工作温度范围是 0～
＋ 70℃ 。
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3 单片彩色扫描仪的工作原理
LM9832采用 TQFP－ 100封装形式，主要包括
8部分：①模拟输入通道；②数字信号处理单元
（包含像素处理级，像素率偏移校正，增益校
正，伽马校正表,14位像素数据输出，线缓冲
控制器）；③配置寄存器（ 00～ 7F）；④步进
电机控制器；⑤主控制器（负责系统同步、像
素计数器控制、步进控制、照度控制、命令解
释等工作）；⑥扫描功能单元；⑦通信接口；
⑧系统时钟发生器。 采用 ＋ 5V电源供电,最大
工作电流为 136mA，最大待机电流为 175μ A。
28 图 6
29
1,模拟输入通道
模拟输入通道的电路框图如图 7所示 。
图 7
30
图中的 C为传感器的耦合电容。该电路可对由 CCD传感
器产生的红、绿、蓝 3路模拟图像信号（ UIN（ R),UIN（ G)、
UIN（ B)）进行处理。以红色信号通道（ UIN（ R)）为例,A1、
A2均为可编程增益放大器,A1的增益设定范围是 G1＝
1V/V或 3V/V,A2的增益设定范围是 G2＝ 0.93V/V～ 3V/V。
偏置 DACR的最大偏移校准量为 ± 278mV。 Σ代表求和器
（即加法器）,UOS1～ UOS3分别为各级的补偿电压。经过
模拟前端处理后信号的最大峰 -峰值为 1.9VP－ P，再送至 14
位 ADC转换成数字量。输出数字量的表达式为
DOUT＝｛［（ UIN（ R)＋ UOS1） G1＋ UDAC＋ UOS2］ G2＋ UOS3｝ C （ 2）
式中,C＝ 8192代码／ V。
31
2,数字信号处理单元
1）像素处理级
像素处理级可用类似于 做除法运算 来降低
传感器的光学分辨率, 除数依次为 1,1.5,2、
3,4,6,8或 12。 对于一个 1200dpi的光学系
统, 利用这些除数可分别得到 1200dpi,800
dpi,600 dpi,400 dpi,300 dpi,200 dpi,
150dpi和 100dpi的水平分辨率 。 垂直分辨率则
由步进电机的速度所控制 。
32
对邻近像素取平均值可 降低水平方向的分辨
率 。与简单地去掉像素来降低分辨率的方法相
比,取平均值能获得较好的图像质量 。例如，
为了从一个 300dpi的光学传感器上得到 100dpi
的分辨率，对 3个 300dpi的像素取平均后即可得
到
如果在一行的末尾没有足够的像素构成一个
完整的像素，那么最后一个像素就被删去。
（ 3）
33
2）像素率偏移校正
对 CCD的每个像素进行偏移校正的字存储在外部
DRAM中，并以像素率的形式来存取。偏移校正方程
为
输出像素＝输入像素－系数 （ 4）
3）像素率增益校正
像素率增益校正是一个数字乘法器，它用一个对应
于该像素增益误差的 16位数字校正系数与减法器输出
的字相乘。这些系数存储在外部 DRAM中，以像素率
的形式来存取。增益方程为
输出像素＝输入像素 × （ 系数／ 16384） （ 5）
34
4）伽玛校正表
对应于 R,G和 B,有三个 γ 校正表 。 伽玛
校正表亦称图像灰度校正表, 用它可绘制图
像的 γ 曲线, 反映出原图像与处理结果之间
的中间像素亮度变化情况 。
35
5） 14位输出模式
LM9832也支持 14位输出模式 。 这种模式
可用来获得精确的校正数据, 或用来扫描 14
位灰度／ 42位彩色图像 。 此时伽玛校正不起
作用 。
36
6） 线缓冲控制器
LM9832支持两种存储量的 DRAM,一种是 256K× 16位
DRAM,另一种是 1M× 16位 DRAM。 DRAM的读／写时序如
图 8所示 。
图 8
37
3,步进电机控制器
步进电机控制器给步进电机发送一系列脉冲,
使步进电机移动传感器通过纸张 。 移动速度不
仅与所用传感器有关, 而且它和图像传感器的
积分时间还决定了垂直分辨率 （ 每英寸的线数,
即 LPI） 。 步进电机究竟是向前移动还是向后
移动, 则由 A,B两个信号来决定, 二者的相
位差为 90° 。
38
1） 满步进模式
在满步进模式下,A,B信号均为方波，它们的波
形如图 9所示。 LM9832通常以 微步进 为单位来计算
步进电机的步数,一个满步进等于 4个微步进,即使
LM9832在满步进方式时，也按微步进计数，每 4个
微步进增加一个满步进数。
图 9
39
2） 微步进模式
微步进是用一个阶梯形的近似正弦波来驱动步进电机的技术，
其波形如图 10所示。该技术不仅能提高步进电机的分辨率（ 它
具有 细化 作用 ），进而提高扫描仪的最大垂直分辨率，还可使
电机运行得更加 平稳 。例如，若步进电机每个满步进移动 3.6°,
则微步进在 3.6° 的范围内可以产生 0.9°, 1.8°, 2.7° 这三个
位置，使扫描仪的最大垂直分辨率提高 4倍。
图 10
40
微步进正弦波的振幅受步进电机 DAC的输出控制,振幅波
形 如图 11所示。步进电机绕组中的电流值可通过测量 电流检
测电阻 （ RSENSE）两端的压降而计算出来。步进电机驱动信
号经过脉宽调制（ PWM）后迫使通过线圈的平均电流等于
UDAC／ RSENSE。
图 11
41
3）用 PWM控制步进电机的电流
在步进电机中可使用一个选项来进行电流脉宽调制,
增加高速转矩, 提高效率并允许使用电流较低, 价格
便宜的步进电机 。 精确控制步进电机的电流有以下优
点,
第一, 在满步进模式下能快速启动电机, 例如当电
机完全停止时把电流增加到 100%,就能克服惯性,
迅速启动电机；等电机移动完设定的步数后再把电流
降到 70%,可减少步进电机产生的热量；
第二, 在微步进模式下可用 PWM产生如图 10所示
的近似正弦波 （ 参见 p39） 。
42
4,扫描仪支持的功能
1）照明控制
扫描仪系统需要给图像扫描提供光源。该光源可
发白光（典型情况下用冷阴极辉光放电灯管），亦
可采用红色、绿色或蓝色 LED。 LM9832有四种照
明模式可供选择。以照明模式 1为例，照明灯应接
到 LAMPR引脚,PWM计数器的时钟为 48MHz，输
出频率为 48MHz/4096=11.7kHz。该 PWM可用于控
制 荧光灯 的亮度。
43
2） CCD/CIS控制单元
控制 CCD传感器的时钟信号，选择 CCD信号的极性，关
闭 CCD。
3）外部 DRAM接口
LM9832支持 2种规格的外部 DRAM,256K× 16和 1M× 16。
DRAM中的 48K字（ 16K像素 × 3种颜色）用于存储增益系数，
另外 48K字（ 16K像素 × 3种颜色）用于存储偏移系数。
4）纸张感知和 MISC I/O
PAPER SENSE 1～ 2,MISC I/O 1～ 6这 8个引脚, 用于感
知纸张, LED显示, 用户开始键等 。 其中, PAPER SENSE
1～ 2引脚专用于输入, MISC I/O 1～ 6可构成输入或输出 。
44
5）功能扩展
还可增加了 选择 扫描、复制、传真、电子邮件等功能 的多
个按键。利用 LM9832的 MISC I/O引脚，可实现上述功能。
由 A,B,C,D,E,F,G这 7个按键组合成 3条 MISC I/O线
的电路如图 12所示。只要对寄存器 2中的数据进行解码，即
可确定是哪个键被按下了，再通过计算机执行相应的功能，
真正实现彩色扫描仪的 优化设计 。
图 12
45
4 单片彩色扫描仪的电路设计
由 LM9832构成单片彩色扫描仪的典型电路如图 13所示 。 图中的
RSENSE为步进电机的电流检测电阻 。 VT1～ VT4为外部驱动管 。
图 13
46
LM9832使用 USB接口, 数据通过 D+和 D-引脚接收
和发送 。 这些数据为 3V差分信号 。 LM9832的 D+和 D-
引脚与单片彩色扫描仪的 USB连接器之间的电路, 如
图 14所示 。 R1和 R2分别为两条数据线上的限流电阻 。
C1和 C2为消噪电容 。 R3为上拉电阻, R4为下拉电阻 。
图 14
47
USB的电源和信号是通过如图 15所示的四芯电缆来
传输的 。 电缆中的 UUSB,GND端分别接＋ 5V （ 或＋
3V）, 100mA电源和地 。 D＋, D－ 为传输差分数据信
号的双绞线 。 从每个端口都可检测终端是否连接或分离,
并能区分高速设备, 低速设备 。
图 15
48
步进电机控制电路如图 16所示 。
图 16
49
5,单片彩色扫描仪的工作流程,
（ 1）通过 PC机写配置寄存器，对 LM9832进行配置。
（ 2） PC机命令 LM9832扫描一张图像，然后计算扫描
仪的校正系数。
（ 3） PC机将校正信息传输给 LM9832。
（ 4）对于平板式扫描仪,LM9832将扫描头移回到初
始位置（对于是进纸式扫描仪,PC机就检测 LM9832的
状态寄存器，以确认是否有纸张插入）。
（ 5） PC机通过配置寄存器来设置扫描位。
50
（ 6） PC机首先计算出将要扫描图像的字节数，然
后从 LM9832的寄存器 00中读取数据，直到读完整幅
图像为止。如果由于某种原因需要终止扫描，那么 PC
机就把 0写入寄存器 07中。
（ 7） PC机在读完全部图像数据后，就将 0写入寄存
器 07，停止扫描。
（ 8） PC机发送一个高速反转指令，把传感器送回
到初始位置（对进纸式扫描仪来说,PC机会发送一个
高速前进指令，弹出剩余的纸张）。
（ 9）扫描仪处于空闲状态。
51
4 结语
目前, 现代办公设备, 家电及通信设备正向单片集
成化的方向迅速发展, 出现了单片扫描仪, 单片网络
设备 （ 如 Web PAD）, 单片个人计算机 （ PC-on-a-Chip
）, 单片个人信息助理 （ PIA）, 单片硅基液晶 （
LCOS,将液晶注入于 CMOS芯片和透明玻璃基板之间
） 大屏幕背投电视, 单片交互式卫星电视机顶盒 （
STB） 等 系统级芯片 （ SOC） 。
SOC将成为 21世纪最具发展前景和
富有生命力的一种高科技产品！
52
谢谢大家！
彩色扫描仪原理及优化设计
河北科技大学 电子信息工程系
沙占友
2003-04-26
学术交流
2
彩色扫描仪的原理及优化设计
? 0 引言
? 1 彩色扫描仪的产品分类及基本原理
? 2 单片彩色扫描仪的性能特点
? 3 单片彩色扫描仪的工作原理
? 4 单片彩色扫描仪的电路设计
? 5 结语
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0 引言
扫描仪（ Scanner） 是一种 光、电、机一体
化 的高科技产品，它是继键盘和鼠标之后又一代用
途广泛的计算机输入设备。
扫描仪自 20世纪 80年代初问世以来，就以其独特
的数字化“图像”采集能力、低廉的价格和优良的
性能，深受人们的青睐，被誉为计算机的, 眼睛,。
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1 彩色扫描仪的产品分类及基本原理
1.1 产品分类
a 按可扫描的图像类型分类
1） 黑白扫描仪 （ 亦称二值扫描仪 ）
只能扫描黑白二值图像, 每个像素为 1位 (1bit),用 0或 1来
代表黑或白 。 这是最简单的一种扫描仪, 适合扫描工程图纸 。
2） 灰度扫描仪
将图像的明暗程度划分成 256个灰度等级, 并且用一个 8位
字节来表示一个像素 。
3） 彩色扫描仪
首先产生对应于红、绿、蓝三基色的三幅图像，然后合成
为一幅彩色图像。 彩色扫描仪也可通过参数设置来扫描黑白
图像。
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b,按外形分类
1） 平板式扫描仪 （ 亦称台式扫描仪 ）
将待扫材料静止放置在平台玻璃板上, 通过控制步进电机
和移动光源 （ 灯管 ） 来完成扫描工作 。 采用冷阴极辉光放电
灯管做光源 。 是目前应用最广泛的一种扫描仪 。
2） 滚筒式扫描仪
在扫描过程中光源保持静止, 通过卷动待扫材料来完成扫
描工作 。 采用光电倍增管作为光电转换器件 。
3） 手持式扫描仪 （ 亦称掌上型扫描仪 ）
通过人工移动扫描仪 （ 含光源 ） 来完成扫描的 。 价格低廉,
携带方便, 使用灵活, 扫描精度较低 。
4） 笔式扫描仪
笔式扫描仪因其外形像一支笔而得名, 主要用于条形码的
输入识别, 可用在车站检票, 大型超市的商品登记等领域 。
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c,按所用传感器分类
1） CCD（ 电荷耦合器件 ） 扫描仪
数码相机使用的是二维图像的面阵 CCD,而扫描仪用的是一
维图像的线阵 CCD。 CCD扫描仪具有一定的景深 （ 约为
3mm）, 对隆起的书脊甚至实物都可得到清晰的扫描效果 。 缺
点是成本较高, 扫描后对图像数据的处理也相对复杂 。
2） CIS（ 接触式图像传感器 ） 扫描仪
以发光二极管（ LED）阵列作为光源，扫描光线直接被光耦
合器接收。采用模块化结构，结构简单，不需要预热。缺点是
扫描精度较低，景深小（约为 0.3 mm，只有 CCD景深的 1/10）
不能扫描实物，适合扫描文稿。
7
3） 光电倍增管 （ PMT） 扫描仪
光电倍增管是一种电子管，其感光材料主要是由金属铯的
氧化物构成的。在所有感光器件中，光电倍增管的性能最
佳，其灵敏度、噪声系数、动态密度范围、温度特性等指
标均优于 CCD及 CIS。最难能可贵的是它的输出信号能在很
宽的范围内保持极高的线性度，几乎不用做任何修正即可
获得准确的色彩还原。但其价格昂贵，少则几十万元，多
则几百万元，仅用于专业扫描仪（滚筒式扫描仪） 。
8
表 1 扫描仪常用传感器性能一览表
传感器种类
灵敏度／ lx
噪声系数
动态范围／
dB
隔离电阻／
Ω
温度系数／ ℃
光电倍增管
PMT
10－ 12
10－ 12
90～ 100
∞
10－ 12
硅氧化物隔离
CCD
10－ 8～ 10－ 9
10－ 9～ 10－ 12
80～ 95
≥100M
10－ 6～ 10－ 7
半导体隔离
CCD
10－ 8～ 10－ 9
10－ 8～ 10－ 9
70～ 80
≥1M
10－ 6～ 10－ 7
接触式感光器件
CIS（ LED阵列）
10－ 6～ 10－ 7
10－ 5～ 10－ 6
50～ 60
1～ 100k
10－ 2～ 10－ 3
9
d,按通信接口分类
扫描仪与计算机的通信接口有以下四种,
EPP（ Enhanced Parallel Port，增强型并
行口）
USB（通用串行接口）
SCSI（ Small Computer System Interface，
小型计算机系统接口）
IEEE1394（ Fire Wire Port，又称火线接
口）。
10
表 2 扫描仪与计算机的 4种通信接口
接 口 类
型
EPP
USB1.1
USB2.0
SCSI
IEEE1394
接 口 名
称
增强型并行口
通用串行总线
接口
通用串行总线
接口
小 型 计算 机 系
统接口
火线接口
最大传输速
率
1Mbps
12Mbps
480 Mbps
160Mbps
400Mbps
主 要 特
点
热插拔,正
被 USB淘汰
热插拔
热插拔，迅速
推广
需配接口卡，
高稳定性，需
配接口卡
热插拔，
同时支持
64个设备
11
1.2 扫描仪的主要技术指标
1.分辨率
分辨率亦称光学分辨率, 它表示对图像细节
的识别能力, 通常用每英寸长度上扫描图像
所含像素的个数来表示, 记做 dpi（ dot per
inch） 。 目前, 常用扫描仪的分辨率大多为
300dpi～ 2400dpi。
12
需要说明几点,
第一, 供印刷用的扫描图像分辨率通常用 LPI（ Line Per lnch，
每英寸长度上所能分辨的线数 ） 来表示 。 LPI数值越高, 印刷
质量越高, 图像的网点越小 。 一般情况下, 印刷精美的杂志大
约为 175LPI,普通印刷品一般为 133LPI～ 150LPI,报纸仅为
65LPI～ 85LPI。
令缩放比例为 Q,有公式
LPI＝ dpi/Q （ 1）
举例说明, 当扫描分辨率为 300dpi,Q＝ 2（ 放大 2倍 ） 时, 印
刷线数应为 300 dpi /2＝ 150LPI。 缩放比例与分辨率成反比 。
第二,扫描仪的分辨率愈高，图像的数据量就愈大，并且数
据量是按照几何级数来递增的。选择扫描仪时不要盲目追求高
分辨率，应根据实际需要及输出设备的精度而定。
13
第三, 如果作为图像素材扫描, 最终要打印输出,
那么最好使用扫描仪的最高光学分辨率, 以采集尽
可能丰富的图像细节 。 如果最终并不准备高精度输
出, 比较合适的分辨率 一般取 300 dpi,就能再现彩
色照片的细节, 文件又不至于十分庞大 。 如果仅做
屏幕显示和网页素材用, 可根据最终需要的图片大
小来选择基本合适的分辨率, 例如, 要在屏幕上显
示原大的图片, 仅需 72 dpi就行了 。
14
第四, 国内某些扫描仪是用两个数值相乘的
形 式 来 表 示 分 辨 率 的, 例 如 写 成, 600
dpi× 1200dpi”,这很容易造成混淆 。 因为扫
描仪最重要的是, 光学, 分辨率 （ 亦称水平
分辨率 ）, 也就是较小的数字, 600dpi”。 而
,1200dpi”指的是, 机械, 分辨率 （ 也叫垂直
分辨率 ）, 表示扫描仪中的马达每次可移动
1/1200英寸 。 即使机械分辨率再高, 对提高图
像质量并无太大影响 。
第五, 在某些扫描仪的说明书中还给出了
,最大分辨率, 指标, 那是用内插法计算出
来的分辨率, 没有实际意义 。
15
2,灰度级
灰度级表示灰度图像的亮度层次范围, 灰度级越多,
扫描图像的层次越丰富, 目前多数扫描仪的灰度为
256级 。
3,色彩数
色彩数表示彩色扫描仪所能产生的颜色范围, 通常
用每个像素上颜色数据的位数 （ bit） 来表示 。 例如,
24位彩色扫描仪的每个像素颜色用 24位二进制数来
表示, 总共有 224＝ 1.6777216千万种颜色；而 48位彩
色扫描仪总共有 248≈2.815× 1014（ 2.8兆亿 ） 种颜色 。
色彩数愈多, 扫描图像愈鲜艳逼真 。
16
4,扫描速度 （ 或扫描时间 ）
扫描速度一般用在规定分辨率和图像尺寸下
的扫描时间来表示, 单位是秒 。
5,扫描幅面
表示可扫描图稿的最大尺寸, 常见的有 A4、
A3幅面等 。
17
1.3 平板式扫描仪的基本原理
平板式扫描仪的外形如图 1所示。
图 1
18
扫描仪的工作原理及扫描流程分别如图 2所示 。
图 2
19
扫描仪的扫描流程 如图 3所示 。
图 3
20
扫描头在步进电机驱动下从原稿的下面移动,
不断读取原稿的信息 。 扫描仪光源照射到原稿
上的光线经反射后形成沿 x轴方向的光带, 依
次经过反射镜, 棱镜, 滤色镜和聚焦透镜, 将
红 （ R）, 绿 （ G）, 蓝 （ B） 三条彩色光带分
别照到各自的 CCD上, 转换为模拟信号, 再经
过 A/D转换器转换成数字信号, 最后通过 USB
等接口送至计算机 。
21
扫描仪每扫描一行，就得到原稿该行的图像信息
。扫描头不断地沿 y轴方向移动，直到将原稿全部
扫描完。所得到的图像数据首先暂存在缓冲器中，
然后通过 USB等接口按一定顺序把图像数据传输到
计算机中并存储下来，最终获得一幅完整的图像，
参见图 4。
图 4
22
2 单片彩色扫描仪的性能特点
传统彩色扫描仪的主板上需要使用多种类型的芯片 （ 例
如主控芯片, A/D转换器, 输入／输出系统芯片, I/O控制
芯片, 高速缓存等 ）, 其结构比较复杂 。
1999年～ 2001年, 美国国家半导体公司 （ NSC） 相继开
发出了 LM9831型, LM9832,LM9833单片彩色扫描仪集
成电路, 形成了系列化产品 。 上述芯片均属于单片系统
（ SOC）, 为实现彩色扫描仪电路的优化设计和大幅度降
低成本创造了良好条件 。 美国惠普公司最近相继推出的
HP2200C,HP2300C和 HP2500C系列彩色扫描仪, 采用的
就是这种芯片 。 其中, 在 HP2200C型彩色扫描仪中采用了
一片 LM9832,其外形如图 5所示 。
图 5
23
LM9832的性能特点
（ 1） 带 USB接口的单片图像扫描系统，可提供构成一台
高性能彩色扫描仪所必需的全部功能，包括图像传感器控制，
照度控制，模拟输入通道，图像数据缓存器／ DRAM控制器，
微步进电机控制器和 USB接口。允许设计成 USB总线供电的扫描
仪。在装有 USB接口的计算机上可以即插即用。
（ 2） LM9832以 42位彩色／ 14位灰度方式扫描图像，以
42位（或 24位）彩色／ 14位（或 8位）灰度数据格式输出。 LM
9832支持像素总数高达 16384像素 × 3色（ 1200dpi× 13.6英寸的
传感器。其外围元件仅需一个用于数据缓存的 4MB或 16MB的
DRAM，以及步进电机的驱动管。
24
（ 3） 采用 1200dpi传感器时, 水平分辨率可选 1200
dpi,800 dpi,600 dpi,400 dpi,300 dpi,200 dpi,150
dpi或 100dpi。
采用 600dpi传感器时, 水平分辨率可选 600 dpi、
400 dpi,300 dpi,200 dpi,150 dpi,100 dpi,75 dpi或
50dpi。
垂直分辨率范围是 50dpi～ 2400dpi,步长为 1dpi。
对 A4彩色幅面而言, 当水平分辨率分别为 150dpi,300dpi、
600dpi时, 扫描时间 依次小于 10s,40s,160s。
25
（ 4）适配 3通道 CCD传感器（或单通道 CIS传感器）
构成彩色扫描仪，可实现 CCD时钟与最大扫描速度的
扫描分辨率与像素的最佳匹配，能自动校准增益和偏
移误差，能为用户提供可编程 伽马（ γ ）校正表
（即图像灰度校正表）。
x轴代表原图像的像
素亮度，其数值从 0～
255； y轴代表处理后新
像素的亮度。当曲线向
下移动时，图像的相应
像素就变暗；向上移动
时，像素就变亮。图像
的对比度可通过调整曲
线的斜率来改变。斜率
越大，对比度越大；斜
率越小，对比度越小。
26
（ 5）采用脉宽调制（ PWM）法控制
步进电机的 微步进 。
（ 6）配 48MHz石英晶体。采用＋ 5V电
源供电，电源电压允许范围是＋ 4.75V～
＋ 5.25V，最大工作电流为 136mA，最大
待机电流为 175μA。工作温度范围是 0～
＋ 70℃ 。
27
3 单片彩色扫描仪的工作原理
LM9832采用 TQFP－ 100封装形式，主要包括
8部分：①模拟输入通道；②数字信号处理单元
（包含像素处理级，像素率偏移校正，增益校
正，伽马校正表,14位像素数据输出，线缓冲
控制器）；③配置寄存器（ 00～ 7F）；④步进
电机控制器；⑤主控制器（负责系统同步、像
素计数器控制、步进控制、照度控制、命令解
释等工作）；⑥扫描功能单元；⑦通信接口；
⑧系统时钟发生器。 采用 ＋ 5V电源供电,最大
工作电流为 136mA，最大待机电流为 175μ A。
28 图 6
29
1,模拟输入通道
模拟输入通道的电路框图如图 7所示 。
图 7
30
图中的 C为传感器的耦合电容。该电路可对由 CCD传感
器产生的红、绿、蓝 3路模拟图像信号（ UIN（ R),UIN（ G)、
UIN（ B)）进行处理。以红色信号通道（ UIN（ R)）为例,A1、
A2均为可编程增益放大器,A1的增益设定范围是 G1＝
1V/V或 3V/V,A2的增益设定范围是 G2＝ 0.93V/V～ 3V/V。
偏置 DACR的最大偏移校准量为 ± 278mV。 Σ代表求和器
（即加法器）,UOS1～ UOS3分别为各级的补偿电压。经过
模拟前端处理后信号的最大峰 -峰值为 1.9VP－ P，再送至 14
位 ADC转换成数字量。输出数字量的表达式为
DOUT＝｛［（ UIN（ R)＋ UOS1） G1＋ UDAC＋ UOS2］ G2＋ UOS3｝ C （ 2）
式中,C＝ 8192代码／ V。
31
2,数字信号处理单元
1）像素处理级
像素处理级可用类似于 做除法运算 来降低
传感器的光学分辨率, 除数依次为 1,1.5,2、
3,4,6,8或 12。 对于一个 1200dpi的光学系
统, 利用这些除数可分别得到 1200dpi,800
dpi,600 dpi,400 dpi,300 dpi,200 dpi,
150dpi和 100dpi的水平分辨率 。 垂直分辨率则
由步进电机的速度所控制 。
32
对邻近像素取平均值可 降低水平方向的分辨
率 。与简单地去掉像素来降低分辨率的方法相
比,取平均值能获得较好的图像质量 。例如，
为了从一个 300dpi的光学传感器上得到 100dpi
的分辨率，对 3个 300dpi的像素取平均后即可得
到
如果在一行的末尾没有足够的像素构成一个
完整的像素，那么最后一个像素就被删去。
（ 3）
33
2）像素率偏移校正
对 CCD的每个像素进行偏移校正的字存储在外部
DRAM中，并以像素率的形式来存取。偏移校正方程
为
输出像素＝输入像素－系数 （ 4）
3）像素率增益校正
像素率增益校正是一个数字乘法器，它用一个对应
于该像素增益误差的 16位数字校正系数与减法器输出
的字相乘。这些系数存储在外部 DRAM中，以像素率
的形式来存取。增益方程为
输出像素＝输入像素 × （ 系数／ 16384） （ 5）
34
4）伽玛校正表
对应于 R,G和 B,有三个 γ 校正表 。 伽玛
校正表亦称图像灰度校正表, 用它可绘制图
像的 γ 曲线, 反映出原图像与处理结果之间
的中间像素亮度变化情况 。
35
5） 14位输出模式
LM9832也支持 14位输出模式 。 这种模式
可用来获得精确的校正数据, 或用来扫描 14
位灰度／ 42位彩色图像 。 此时伽玛校正不起
作用 。
36
6） 线缓冲控制器
LM9832支持两种存储量的 DRAM,一种是 256K× 16位
DRAM,另一种是 1M× 16位 DRAM。 DRAM的读／写时序如
图 8所示 。
图 8
37
3,步进电机控制器
步进电机控制器给步进电机发送一系列脉冲,
使步进电机移动传感器通过纸张 。 移动速度不
仅与所用传感器有关, 而且它和图像传感器的
积分时间还决定了垂直分辨率 （ 每英寸的线数,
即 LPI） 。 步进电机究竟是向前移动还是向后
移动, 则由 A,B两个信号来决定, 二者的相
位差为 90° 。
38
1） 满步进模式
在满步进模式下,A,B信号均为方波，它们的波
形如图 9所示。 LM9832通常以 微步进 为单位来计算
步进电机的步数,一个满步进等于 4个微步进,即使
LM9832在满步进方式时，也按微步进计数，每 4个
微步进增加一个满步进数。
图 9
39
2） 微步进模式
微步进是用一个阶梯形的近似正弦波来驱动步进电机的技术，
其波形如图 10所示。该技术不仅能提高步进电机的分辨率（ 它
具有 细化 作用 ），进而提高扫描仪的最大垂直分辨率，还可使
电机运行得更加 平稳 。例如，若步进电机每个满步进移动 3.6°,
则微步进在 3.6° 的范围内可以产生 0.9°, 1.8°, 2.7° 这三个
位置，使扫描仪的最大垂直分辨率提高 4倍。
图 10
40
微步进正弦波的振幅受步进电机 DAC的输出控制,振幅波
形 如图 11所示。步进电机绕组中的电流值可通过测量 电流检
测电阻 （ RSENSE）两端的压降而计算出来。步进电机驱动信
号经过脉宽调制（ PWM）后迫使通过线圈的平均电流等于
UDAC／ RSENSE。
图 11
41
3）用 PWM控制步进电机的电流
在步进电机中可使用一个选项来进行电流脉宽调制,
增加高速转矩, 提高效率并允许使用电流较低, 价格
便宜的步进电机 。 精确控制步进电机的电流有以下优
点,
第一, 在满步进模式下能快速启动电机, 例如当电
机完全停止时把电流增加到 100%,就能克服惯性,
迅速启动电机；等电机移动完设定的步数后再把电流
降到 70%,可减少步进电机产生的热量；
第二, 在微步进模式下可用 PWM产生如图 10所示
的近似正弦波 （ 参见 p39） 。
42
4,扫描仪支持的功能
1）照明控制
扫描仪系统需要给图像扫描提供光源。该光源可
发白光（典型情况下用冷阴极辉光放电灯管），亦
可采用红色、绿色或蓝色 LED。 LM9832有四种照
明模式可供选择。以照明模式 1为例，照明灯应接
到 LAMPR引脚,PWM计数器的时钟为 48MHz，输
出频率为 48MHz/4096=11.7kHz。该 PWM可用于控
制 荧光灯 的亮度。
43
2） CCD/CIS控制单元
控制 CCD传感器的时钟信号，选择 CCD信号的极性，关
闭 CCD。
3）外部 DRAM接口
LM9832支持 2种规格的外部 DRAM,256K× 16和 1M× 16。
DRAM中的 48K字（ 16K像素 × 3种颜色）用于存储增益系数，
另外 48K字（ 16K像素 × 3种颜色）用于存储偏移系数。
4）纸张感知和 MISC I/O
PAPER SENSE 1～ 2,MISC I/O 1～ 6这 8个引脚, 用于感
知纸张, LED显示, 用户开始键等 。 其中, PAPER SENSE
1～ 2引脚专用于输入, MISC I/O 1～ 6可构成输入或输出 。
44
5）功能扩展
还可增加了 选择 扫描、复制、传真、电子邮件等功能 的多
个按键。利用 LM9832的 MISC I/O引脚，可实现上述功能。
由 A,B,C,D,E,F,G这 7个按键组合成 3条 MISC I/O线
的电路如图 12所示。只要对寄存器 2中的数据进行解码，即
可确定是哪个键被按下了，再通过计算机执行相应的功能，
真正实现彩色扫描仪的 优化设计 。
图 12
45
4 单片彩色扫描仪的电路设计
由 LM9832构成单片彩色扫描仪的典型电路如图 13所示 。 图中的
RSENSE为步进电机的电流检测电阻 。 VT1～ VT4为外部驱动管 。
图 13
46
LM9832使用 USB接口, 数据通过 D+和 D-引脚接收
和发送 。 这些数据为 3V差分信号 。 LM9832的 D+和 D-
引脚与单片彩色扫描仪的 USB连接器之间的电路, 如
图 14所示 。 R1和 R2分别为两条数据线上的限流电阻 。
C1和 C2为消噪电容 。 R3为上拉电阻, R4为下拉电阻 。
图 14
47
USB的电源和信号是通过如图 15所示的四芯电缆来
传输的 。 电缆中的 UUSB,GND端分别接＋ 5V （ 或＋
3V）, 100mA电源和地 。 D＋, D－ 为传输差分数据信
号的双绞线 。 从每个端口都可检测终端是否连接或分离,
并能区分高速设备, 低速设备 。
图 15
48
步进电机控制电路如图 16所示 。
图 16
49
5,单片彩色扫描仪的工作流程,
（ 1）通过 PC机写配置寄存器，对 LM9832进行配置。
（ 2） PC机命令 LM9832扫描一张图像，然后计算扫描
仪的校正系数。
（ 3） PC机将校正信息传输给 LM9832。
（ 4）对于平板式扫描仪,LM9832将扫描头移回到初
始位置（对于是进纸式扫描仪,PC机就检测 LM9832的
状态寄存器，以确认是否有纸张插入）。
（ 5） PC机通过配置寄存器来设置扫描位。
50
（ 6） PC机首先计算出将要扫描图像的字节数，然
后从 LM9832的寄存器 00中读取数据，直到读完整幅
图像为止。如果由于某种原因需要终止扫描，那么 PC
机就把 0写入寄存器 07中。
（ 7） PC机在读完全部图像数据后，就将 0写入寄存
器 07，停止扫描。
（ 8） PC机发送一个高速反转指令，把传感器送回
到初始位置（对进纸式扫描仪来说,PC机会发送一个
高速前进指令，弹出剩余的纸张）。
（ 9）扫描仪处于空闲状态。
51
4 结语
目前, 现代办公设备, 家电及通信设备正向单片集
成化的方向迅速发展, 出现了单片扫描仪, 单片网络
设备 （ 如 Web PAD）, 单片个人计算机 （ PC-on-a-Chip
）, 单片个人信息助理 （ PIA）, 单片硅基液晶 （
LCOS,将液晶注入于 CMOS芯片和透明玻璃基板之间
） 大屏幕背投电视, 单片交互式卫星电视机顶盒 （
STB） 等 系统级芯片 （ SOC） 。
SOC将成为 21世纪最具发展前景和
富有生命力的一种高科技产品！
52
谢谢大家！
