1.2 外部设备的连接与应用

学习目标

➢ 掌握计算机常用输入设备的连接与应用

➢ 掌握计算机常用输出设备的连接与应用

相关知识

1. 扫描仪

自1984年第一台平板式扫描仪面世至今，扫描仪已经发展成为除键盘和鼠标之外被广泛应用于计算机的输入设备。下面从扫描仪的基本结构来阐述它的工作原理，使我们对这种新型输入设备有所了解。

1）扫描仪工作原理

扫描仪是图像输入设备。其工作步骤是:

（1）将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上。

（2）启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源通过机械传动机构在控制电路的控制下带动装着光学系统和CCD的扫描头与图稿进行相对运动来完成扫描，为了均匀照亮稿件，扫描仪光源为长条形，并沿垂直方向扫过整个原稿，每扫一行就得到原稿横向一行的图像信息。

（3）照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成横向光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带，分别照到各自的CCD上，CCD将RGB光带转变为模拟电子信号，此信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。至此，反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号，最后传送至计算机并在计算机内部逐步形成原稿的全图。

2）扫描仪结构

扫描仪可分为：滚筒式扫描仪、平板式扫描仪和便携式扫描仪。平板式扫描仪作为目前的主流机型得到了广泛的应用。现在详细介绍一下平板扫描仪的硬件结构。

所有的平板式扫描仪都包括三大部分：扫描头——光学成像部分；步进电动机和导轨——传动部分；主板——控制和A/D转换处理电路部分。因为扫描仪是光机电一体化的产品，只有这几部分相互配合，才能将反映图像特征的光信号转换为计算机可接受的电信号。

（1）扫描头。

扫描头是扫描仪中实现光学成像的重要部分，它包括以下主要部件：灯源、反光镜、镜头及扫描仪的核心——电荷耦合器件（以下把电荷耦合器件简称为CCD）。扫描头的光源两边一般由软橡胶固定，只要拔下连接在CCD电路板上的插头，就可以取下带简单变压器电路的灯管（直径仅3～4mm）了。现在许多扫描仪的光源都采用冷阴极辉光放电技术。它的特点是光源两端没有灯丝，而只有一根电极，所以它具有发光均匀而稳定、结构强度高、使用寿命长、耗电量小、体积小等优点。

扫描仪的光路是由几个反光镜反射构成的，每个反光镜由两个铁制卡子固定。CCD是一个感光器件，作用是将照射在其上的光信号转换为相对应的电信号。CCD是排成一横行的，其中CCD里的每一个单元与每一行里的像素相对应（每一幅图像都是由上百、上千乃至上百万个像素以格状的排列方式来表示的）。换句话说，如果扫描仪的扫描面每一英寸上有300 CCD，那扫描仪在一英寸里的最大光学分辨率只有300像素，即300个dpi（Dots Per Inch）。每英寸的点数是扫描仪记录影像清晰度的单位，此数值越大，扫描仪的清晰度就越高，得到的影像文件尺寸也会越大，同样，扫描仪每行里有600 CCD单元，那么扫描仪最大光学分辨率就是600dpi。

镜头是把所扫描的信息传送到CCD去处理的最后一关，因此它的好坏也决定着扫描仪的扫描精度。在这里我们所说的扫描仪扫描精度，是指扫描仪的光学分辨率，它主要是由镜头的质量和CCD的数量来决定。而提高CCD的数量，成本要增加很多，所以厂商在不提高成本而又可以使扫描仪的精度提升的前提下，便引出了双镜头扫描技术。所谓双镜头技术，是指使用一个CCD，在扫描头中安装两套不同焦距的镜头组。其作用是利用高质量的透镜把固定范围内的扫描精度提高。

A/D变换器是将模拟量（Analog）转变为数字量（Digital）的半导体元件。从CCD获取的电信号是对应于图像明暗的模拟信号，因为图像由暗到亮的变化是用从低到高的不同电平来表示的，而且它们是连续变化的，即所谓模拟量。A/D变换器的工作是将模拟量数字化，例如将0～1V的线性电压变化表示为0～9的10个等级的方法是：0至小于0.1V的所有电压都变换为数字0，0.1至小于0.2V的所有电压都变换为数字1，……，0.9至小于1.0V的所有电压都变换为数字9。实际上，A/D变换器能够表示的范围远远大于10，通常是28=256、210=1024或者212=4096。如果扫描仪标明的灰度等级是10bit，则说明这个扫描仪能够将图像分成1024个灰度等级，如果色彩深度为30bit，则说明红、绿、蓝各个通道都有1024个等级。等级数越高，彩色表现越丰富。

（2）机械部分。

机械部分由步进电动机、齿轮、导轨和皮带构成。机械部分的运动完全受主板的控制。

（3）主板。

扫描仪的主板以一块集成芯片为主，它相当于现在计算机里的CPU，其作用是对周边元件实行电源控制（如步进电动机在扫描时，相对于扫描物的运动等）。另外，A/D变换器也集成在此芯片内。在主板上还集成着BIOS芯片、扫描仪I/O控制芯片和Cache芯片等。BIOS芯片的主要功能是对扫描仪在启动时进行自检，同时还记录了扫描仪的版本信息。I/O控制芯片提供了连接界面和连接通道。Cache则是用来暂存图像数据的，如果把图像数据直接传输到计算机里，那么就会发生数据丢失和影像失真等情况。因此，先把图像数据暂存在Cache里，然后再传输到计算机，这样便减少了上述情况发生的可能性。现在普通扫描仪的Cache为512KB，有些高档扫描仪的Cache可达2MB，当然，Cache越大，数据丢失和影像失真就越小。

3）扫描仪性能

（1）价格。

便携型在500～1000元；台式机从1000至上万元不等；滚筒式扫描仪的分辨率在8000dpi以上，动态范围和彩色位数等指标都很高，价格从几十万元到几百万元不等，因此主要应用于专业领域。扫描仪的主要性能指标有x、y方向的分辨率、色彩分辨率（色彩位数）、扫描幅面和接口方式等。各类扫描仪都标明了它的光学分辨率和最大分辨率。分辨率的单位是dpi，dpi的意思是每英寸的像素点数。那么，对于广大的用户，众多指标里哪一个才是我们应当注意的呢？

（2）光学分辨率。

光学分辨率是指扫描仪的光学系统可以采集的实际信息量，也就是扫描仪的感光元件——CCD的实际分辨率。例如，最大扫描范围为216mm×297mm（适合于A4纸）的扫描仪，可扫描的最大宽度为8.5英寸（216mm），它的CCD含有5100个单元，其光学分辨率为5100点/8.5英寸=600dpi。目前常见的光学分辨率有600×1200、1000×2000或者更高。由此可见，光学分辨率在某种意义上决定了一台扫描仪的品级。

（3）最大分辨率。

最大分辨率又叫做内插分辨率，它是在相邻像素之间求出颜色或者灰度的平均值，从而增加像素数。通过内插算法可以增加像素数，但不能增加真正的图像细节。因此，光学分辨率才是真正值得我们注意的。

（4）色彩分辨率。

色彩分辨率又叫做色彩深度、色彩模式、色彩位或色阶，总之都是表示扫描仪分辨色彩或灰度细腻程度的指标，它的单位是bit（位）。色彩位确切的含义是用多少个位来表示扫描得到的一个像素。例如，1bit只能表示黑白像素，因为计算机中的数字使用二进制，所以1bit只能表示两个值：0和1，它们分别代表黑与白。8bit可以表示256个灰度级。24bit可以表示16777 216种色彩，其中红（R）、绿（G）、蓝（B）各个通道分别占用8bit，它们各有28=256个等级，24bit以上的色彩为真彩，目前还有采用30bit、36bit、42bit的机种。色彩位数越多，颜色就越逼真，但对于非专业用户来讲，由于受到计算机处理能力和输出打印机分辨率的限制，追求高色彩位只会是浪费。

（5）接口方式。

接口方式（连接界面），是指扫描仪与计算机之间采用的接口类型。常用的有并行打印机接口、USB接口、SCSI接口和火线接口。SCSI接口的传输速度快，而采用USB接口或火线接口则更简便。采用SCSI接口的扫描仪由于价格偏高、设置相对复杂，所以目前一般应用在设计领域。而USB接口大大方便了多平台用户，只要你的计算机有USB接口，只需要安装驱动程序就可以使用了。但是，由于受到USB接口速度的限制，故采用USB接口的扫描仪一般为民用型或普通办公型。值得我们欣喜的是，苹果公司研制的火线接口（IEEE 1394）现在也加入到扫描仪这一行列里来了。火线接口具有USB接口全部的特性，而且传输速度方面比SCSI接口还要快。由于目前只有苹果计算机内置了火线接口，普及率还不是很高，因此配备这种接口的扫描仪基本用于专业领域。

4）扫描仪使用基本流程

（1）放好扫描仪，插上电源和USB线，用附带安装盘安装驱动程序以后电脑就认识它了（如果已安装可以省去这一步）。

（2）平时使用时，把要扫描的稿件放在扫描仪上，盖上盖子。检查一下电源线和USB（一头是扁口的那个，扁口的那头插在计算机的USB接口上，接头较小的那头接扫描仪）。

（3）启动应用软件，一般会自动预扫描，如果没有什么问题按“扫描”按钮就可以了。如果有特殊需要要进行相应的设置。

（4）扫描完成后会自动进入软件，然后再相应的编辑一下，编辑完成后另存为文件。

5）扫描仪的维护

由于扫描仪在长期使用过程中会因为磨损而发生如扫描声响大、图像错位、图像模糊等问题，因此扫描仪的清洁维护是扫描应用的重要组成部分。

扫描仪清洁维护工作主要是对扫描的镜组、机械部位进行清洁、维护，以达到保证扫描仪的扫描质量、延长扫描仪寿命的目的。

以MICROTEK ScanMake 4700为例，扫描仪清洁维护主要有两个方面：首先，清除灰尘，将扫描仪上盖取下，在引脚处有两个螺钉，旋开，取下上罩，检查并清洁上罩玻璃板上的灰尘，特别是基准白处；如镜组内镜条有灰尘，用螺丝刀旋开镜组顶部的两个螺钉，打开镜组盖板，用镜头纸轻轻擦拭镜条，然后用“皮老虎”将残留的纸屑吹干净，并将灯管擦干净，完毕后重新盖好镜组顶盖。其次，调整机械部分，将滑杆螺钉拧开，并将镜组与皮带分开，抽出滑杆，用纸巾清洁滑杆、镜组上的滑杆套环、齿轮组，清洁完毕后重新安装滑杆与镜组、皮带，在滑杆和齿轮组上涂少许润滑油，拖动镜组来回滑几下，擦掉多余的润滑油；皮带的松紧一定要根据扫描情况调整，在镜组的下方有一个皮带调整部件，松开螺钉移动部件的前后位置，就可以调整皮带的松紧。

扫描仪清洁维护时应注意一些关键问题：擦基准白时一定要擦干净，否则扫描图像会出现竖线条；在擦拭镜组时，一定要注意不要用酒精擦镜条，千万不能划伤镜条和透镜；在安装皮带时要注意，将粘有胶的地方靠近镜组；往滑杆上上油时，油不可过量，多余的润滑油一定要擦掉。

2. 光笔

1）光笔的工作原理

光笔是最先出现的一种手持接触式条码阅读器，它也是最为经济的一种条码阅读器。使用时，操作者需将光笔接触到条码表面，通过光笔的镜头发出一个很小的光点，当这个光点从左到右划过条码时，在“空”部分，光线被反射，在“条”的部分，光线被吸收，因此在光笔内部产生一个变化的电压，这个电压通过放大、整形后用于译码。光笔的优点主要是：与条码接触阅读，能够明确哪一个是被阅读的条码；阅读条码的长度可以不受限制；与其他的阅读器相比成本较低；内部没有移动部件，比较坚固；体积小，重量轻。

光笔的缺点：使用光笔会受到各种限制，比如在一些场合不适合接触阅读条码；另外只有在比较平坦的表面上阅读指定密度的、打印质量较好的条码时，光笔才能发挥它的作用；而且操作人员需要经过一定的训练才能使用，如阅读速度、阅读角度，以及使用的压力不当都会影响它的阅读性能；最后，因为它必须接触阅读，当条码在因保存不当而产生损坏，或者上面有一层保护膜时，光笔的效果就不理想。

2）光笔的使用

如图1-18所示为JZ-02型光笔，JZ-02是为了解决光笔型检测仪手动操作相对困难而设计的自动检测装置。光笔固定在自动检测装置的笔靴上，保证扫描光线成为一条检测直线；调速机构可以调整光笔的测量速度，以适应检测不同窄条宽度的条码符号。其使用过程如下。

（1）光笔安装。

① 将光笔放入JZ-02笔靴内（将原JY-1B所配笔靴拆下）,用笔靴右侧的紧固螺钉轻轻顶住光笔（掌握到光笔可用手移动但不会自行滑脱的程度）。

② 用手移动光笔使光笔头部低于JZ-02底板0.1～0.2mm，适度旋紧紧固螺钉，使光笔固定（注意：不要用力过大，以免损坏光笔）。

③ 检查光笔安装位置是否正确，如有问题请松开紧固螺钉，重复安装步骤。

（2）试验应用。

① JZ-02应放在干净平整的桌面上，桌面上不得有任何影响光笔行走的障碍物。把JY-1B条码检测仪放在JZ-02后面合适的位置，放置原则是使光笔连线不要影响到光笔的行走。

② 将位于JZ-02左侧后面的电源接通，这时光笔会自动行走至左侧起始位置，在JZ-02上方右侧有一个扫描按钮，每按一次扫描按钮，光笔将从JZ-02的一侧走到另一侧并停止。在扫描按钮的旁边有一个状态指示灯，可发出红、黄、绿三种颜色。

黄色：当电动机不转、光笔位于两侧起始位置时。

红色：光笔从左至右行走的过程中。

绿色：光笔从右至左行走的过程中。

③ 按扫描按钮若干次，观察以下几个方面：

● 光笔行走速度是否均匀稳定；

● 光笔停止是否可靠、无撞击；

● 光笔行走时声音有无异常；

● 实验过程中状态指示灯发出的颜色是否正确。

④ 位于JZ-02右侧后面有一个调速旋钮，右旋可使光笔行走速度增加，反之则会使光笔行走速度降低。（注意：尽量不要使光笔行走速度过低，否则将大大影响光笔行走的均匀性。）

（3）检测步骤。

① 接通JZ-02电源和JY-1B电源。

② 将JZ-02提起，把被测条码样品放在JZ-02底板长槽处（最好放在中间），用JZ-02底板压住被测条码样品，以长槽边为参照物，移动JZ-02或被测条码样品，使条码与长槽边缘垂直。

③ 按扫描按钮一次，在光笔扫描条码的过程中，注意观察JY-1B屏幕是否闪动，是否有扫描提示音，若有说明扫描成功；若没有请再按扫描按钮几次，如果始终不能读出条码请按下列项目进行调整。

● 调整光笔行走速度，然后再试（原则：在能读出条码的前提下尽量选用高速）。

● 改变被测条码样品位置，然后再试。（注意：条码的左右空白区是否够宽、空白区附近是否有文字或图形，这些文字或图形都将对条码的识读产生很大影响。必要时可用白纸遮盖条码附近的文字或图形。）

● 确认被测样品是可识读的条码，然后再试。

④ 读取扫描结果：为了使扫描结果更可靠、更稳定，最好在正式读取扫描结果前先空扫描几次（≥3次）。为了相同，可采取单向读取扫描结果的方式（只读从左至右的扫描结果或只读从右至左的扫描结果）。

3. 打印机

打印机是计算机的输出设备，用于打印文档文件、图形图像文件，是一种复杂而精密的机械电子装置，外形如图1-19所示。

打印机的结构包括机械装置和控制电路两部分，机械装置包括打印头、字车机构、走纸机构、色带传动机构、墨水（墨粉）供给机构及硒鼓传动机构等，它是打印机系统的执行机构，由控制电路统一协调和控制；而打印机的控制电路则包括CPU主控电路、驱动电路、输入输出接口电路及检测电路等。

打印机的种类有三种：针式打印机、喷墨打印机和激光打印机，它们的结构和工作原理都不相同。

针式打印机的工作原理是，由计算机输出的打印数据，经打印机输入接口电路处理后送至打印机的主控电路，在控制程序的控制下，产生字符或图形的编码，驱动打印头打印出一列的点阵图形，同时字车横向运动，产生列间距或字间距，然后再打印下一列，逐列进行打印；一行打印完毕后，启动走纸机构进纸，产生行距，同时打印头回车换行，打印下一行；上述过程反复进行，直到打印完毕。

针式打印机打印头的结构比较复杂，包括打印针、驱动线圈、定位器、激励盘等。当打印头从驱动电路获得一个电流脉冲时，电磁铁的驱动线圈就产生磁场吸引打印针衔铁，带动打印针击打色带，在打印纸上打出一个点的图形。因其直接执行打印功能的是打印针，所以这类打印机被称为针式打印机。

喷墨打印机的工作原理与针式打印机相似，其区别在于打印头的结构。喷墨打印机的打印头是由千百个直径极微小（约几微米）的墨水通道组成，这些通道的数量也就是喷墨打印机的喷孔数量，它直接决定了喷墨打印机的打印精度。每个通道内部都有能产生振动或热量的执行单元。当打印头的控制电路接收到驱动信号后，驱动这些执行单元产生振动，将通道内的墨水挤压喷出或产生高温，加热通道内的墨水，产生气泡，将墨水由喷孔喷出。喷出的墨水到达打印纸，即产生图形。

激光打印机的结构及其工作原理是，当计算机向打印机发送数据时，打印机首先将接收到的数据暂存在缓存中，当接收到一段完整的数据后，再发送给打印机的CPU，CPU将这些数据组织成可以驱动打印引擎动作的数据流，成为驱动激光头工作的一组脉冲信号。

激光打印机的核心部件是激光发射器、可感光的硒鼓和墨粉。

激光发射器俗称激光头，它所发射的激光照射在一个棱柱形反射镜上，随着反射镜的转动，光线从硒鼓的一端到另一端依次扫过。为了使扫描到硒鼓表面的光点细小，可使用聚焦透镜对光线聚焦，以取得精细的打印效果。硒鼓以1/300英寸或1/600英寸的速度转动，扫描又在接下来的一行进行。

硒鼓是一只表面涂覆了有机材料的圆筒，预先带有电荷，当有光线照射时，受到照射的部位会发生电阻的变化。计算机所发送来的数据信号控制着激光的发射，扫描在硒鼓表面的光线不断变化，受到照射的地方电阻变小，电荷消失，没有光线射到的地方仍保留有电荷，最终，硒鼓表面就形成了由电荷组成的潜影。

墨粉是一种带电荷的细微塑料颗粒，其电荷与硒鼓表面的电荷极性相反。当带有电荷的硒鼓表面经过显影辊时，有电荷的部位就吸附了墨粉颗粒，潜影就变成了真正的影像。硒鼓转动的同时，另一组传动系统将打印纸送进来，经过一组电极，打印纸带上了与硒鼓表面极性相同但强得多的电荷，随后纸张经过带有墨粉的硒鼓，硒鼓表面的墨粉被吸引到打印纸上，在纸张表面形成了由墨粉形成的图像，但这时墨粉只是靠电荷的引力和打印纸结合在一起。当打印纸被送出打印机之前，经过高温加热，塑料质的墨粉被熔化，在冷却过程中凝固在纸张表面。

将墨粉传给打印纸之后，硒鼓表面继续旋转，经过一个清洁器，将剩余的墨粉去掉，以便进入下一个打印循环。

针式打印机由于采用的是机械击打式的打印头，因此穿透力很强，能打印多层复写纸，具备复制功能，另外还能打印不限长度的连续纸。使用的耗材是色带，在三种打印机中是最廉价的一种。其缺点就是体积、重量都较大，打印噪音大，精度低，速度慢，一般无打印彩色图像功能，适合有专门要求的专业应用场合，例如财务、税务、金融机构等。常见的机型有EPSON的LQ系列，如LQ-680K；STAR的AR、CR系列，如AR-6400等。

喷墨打印机打印精度高，通常都能打印彩色图像，而且体积及重量都可以做得非常小巧，甚至能随身携带打印，打印时的噪音也很小。但使用的消耗材料墨水很是昂贵，专用的打印纸也比较昂贵，因此喷墨打印机的使用成本很高。喷墨打印机适合于对打印质量要求高但数量较小的场合，如家庭，小型办公室等。常见的机型有EPSON的STYLUS PHOTO系列，如STYLUS PHOTO 900；CANON的i系列，如i6500、i355等。

激光打印机的打印精度很高，基本上与喷墨打印机无太大区别。它使用的耗材是硒鼓，其成本介于针式打印机和喷墨打印机之间；可打印彩色图像，对打印介质的要求没有喷墨打印机那么高；打印的速度是三种打印机中最快、噪音最小的；但体积和重量相对喷墨打印机要大。它只能逐页打印，无复制和打印连续纸功能，适合打印数量大，任务重的场合，如大型商务机构，设计、印刷领域等。常见的机型有惠普HP的LaserJet系列，如LaserJet1010，Color LaserJet 8550等。

打印机是一种高度精密的装置，平常使用中应尽量远离高温及灰尘的工作环境，并时常做一些力所能及的维护保养，例如清洁字车导轨、加油润滑等，只有良好的工作环境和精心的维护才能保证机器长久正常的使用。

4. 移动存储设备

1）U盘

U盘是一种由快速存储芯片做成的移动存储设备，如图1-20所示。它体积小巧，存储容量大，价格便宜，携带方便，可以把它挂在胸前或放进口袋里。U盘的容量有64M、128M、256M、512M、1G等。

U盘是USB接口，对于操作系统是Windows 2000/2003/XP的计算机，使用方便，不需要驱动程序，而是将U盘直接插在机箱USB接口上，系统就会自动识别。对于Windows 98系统的计算机，需要安装U盘驱动程序才能使用。

U盘使用完毕，要退出U盘的驱动程序，可用鼠标左击计算机桌面右下角任务行中的USB设备图标，再单击弹出的“安全删除硬件”对话框，单击“确定”按钮后，当右下角出现提示“你现在可以安全地移除驱动器了”后，才可将U盘从机箱上拔下。否则可能损坏U盘中的数据。

2）移动硬盘

移动硬盘是将一块笔记本电脑使用的微型硬盘，安装在一个专用的盒子里，盒子里还有一组驱动电路，用于将硬盘连接到计算机的USB接口上，使移动硬盘成为计算机硬盘的外接扩展存储设备。

移动硬盘的外形如图1-21所示，其内部的硬盘如图1-22所示。

与U盘相似，对于操作系统是Windows 2000/2003/XP的计算机，使用移动硬盘时，不需要驱动程序，而是将移动硬盘的USB输出插头直接插在机箱USB接口上即可使用。

5. 多媒体计算机的输入输出设备

多媒体计算机是在普通计算机的硬件基础上增加了一些音频和视频的输入输出部件，除前面介绍过的声卡和扫描仪以外，还包括视频卡、视频捕获卡、数码相机、数码摄像机、光盘刻录机、投影机等，是开展多媒体教学的有力工具，在学校的信息化教学中起着重要的作用。

1）视频卡

在计算机上安装的视频卡（Video Card），可将保存在光盘或计算机中的原来被压缩的视频信号（如电视图像的活动图像信号）解压缩后在显示器上播放出来，因此也称为解压卡或电影卡。现在，视频卡的功能也可使用相应的视频播放软件代替。

2）视频捕获卡

视频捕获卡（Video Capture Card）能将摄像机、电视机模拟信号的画面转换成计算机的数字信号，以文件形式存于计算机中，以便利用计算机及有关软件对捕获的画面进行剪辑、加工和色彩处理。

3）数码相机

数码相机可以将实物景观在实地拍摄所成的像直接转换成数字照片信息，暂存于相机内或存入计算机中供软件制作使用。

4）光盘刻录机

光盘刻录机可以将计算机中的数据刻制在光盘中。由于光盘容量比软盘的容量大得多（在600MB以上），因而常用于将文字、文本、图形、图像、声音、动画和影像素材的多媒体软件和重要数据保存到光盘中。