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标题: 条形码扫描器简介 [打印本页]

作者: 黛比的奇案 时间: 2012-9-9 16:29
标题: 条形码扫描器简介
1.介绍
条码扫描器，又称为条码阅读器、条码扫描枪、条形码扫描器、条形码扫描枪及条形码阅读器。它是用于读取条码所包含信息的阅读设备，利用光学原理，把条形码的内容解码后通过数据线或者无线的方式传输到电脑或者别的设备。广泛应用于超市、物流快递、图书馆等扫描商品、单据的条码。
2.条形码扫描器基本原理
2.1 基本原理
条形扫描器是用于读取条形码所含信息的设置，通常包括：光源、接收器、光电转换部件、译码电路、计算机接口。条形扫描器的基本原理为:光源发出的光线通过光学系统照射到条形码符号，被反射回来的光经过光学系统成像在光电转换器上，使其产生电信号；电信号通电路放大后产生模拟电压，它与照射到条形码符号上被反射回来的光形成正比，再经过滤波、整形，形成与模拟信号对应的方波信号，最后通过译码器翻译成计算机可以接受的数字信号。
2.2 基本组成
从系统结构和功能上讲，条码扫描器原理之系统由扫描器系统、信号整形、译码三部分组成。
2.2.1 扫描系统
扫描系统由光学系统及探测器即光电转换器件组成，它完成对条码符号的光学扫描，并通过光电探测器，将条码条空图案的光信号转换成为电信号。 1.光源对于一般的条码应用系统，条码符号在制作时，条码符号的条空反差均针对 630nm 附件的红光而言，所以条码扫描器的扫描光源应该含有较大的红光部分。扫描器所选用的光源种类很多，主要有半导体光源、激光光源。半导体发光二极管半导体发光二极管又称为发光二极管，它实际上就是一个由 P 型半导体和 N 型半导体组合而成的二极管。当在 P-N 结上施加正向电压时发光二极管就发出光来。激光器半导体激光器功率一般在 3～5nm，与其它光源相比，有独特的性质： ● 有很强的方向性 ● 单色性和相干性极好 ● 可获得极高的光强度，激光条码扫描器采用的都是低功率的激光二极管 2.光电转换接收器接收到的光信号需要经光电转换器转换成电信号。扫描器的信号频率为几十千赫到几百千赫，一般采用硅光电池、光电二极管、光电三极管作为光电转换器件。目前市场上扫描枪所使用的感光器件主要有四种：光电倍增管，硅氧化物隔离 CCD，半导体隔离 CCD，接触式感光器件（CIS 或 LIDE）。主流是两种 CCD，其原理简单说是：在一片硅单晶上集成了几千到几万个光电三极管，这些光电三极管分为三列，分别用红绿蓝色的滤色镜罩住，从而实现彩色扫描。简单的说是半导体的 CCD 三极管间漏电现象会影响扫描精度，用硅氧化物隔离会大大减小漏电现象（这个是绝缘体的），当然最好再加上温度控制，因为不管是半导体还是导体一般都是温敏的，升温导电性一般会提高，现在主流市场上的多数是半导体隔离 CCD 用，硅氧化物隔离 CCD 的比较少，显然是因为成本较高。另外按照图像读出方式分类，CCD 可以分为线型 CCD 和面型 CCD 两种。线型 CCD 的图像读出采用一维的方式，所以叫线型的。线型 CCD 图像传感器最大特点是分辨率很高，最高可拍摄的像素数量高达 1.3 亿。其使用的 CCD 芯片长而窄，即对光线敏感的微小单元均匀地排成一列，而不像在面型 CCD 中这样的微小单元均匀地排成若干列而形成一个矩形的平面。
接触式感光器件，它使用的感光材料一般是我们用来制造光敏电阻的硫化镉，生产成本应该是较 CCD 低得多（市场上同等精度的 CIS 扫描枪总是比 CCD 的扫描枪便宜不少正是这个原因）。扫描距离短，扫描清晰度低甚至有的时候达不到标称值，温度变化比较容易影响扫描精度，这些正是这种扫描枪的致命问题。光电倍增管，感光材料主要是金属铯的氧化物。他的扫描精度，甚至受温度影响的程度和噪音等都是最好的，可价格也是最贵的。
2.2.2 信号整形
信号整形部分由信号放大、滤波、波形整形组成，它的功能在于将条码的光电扫描信号处理成为标准电位的矩形波信号，其高低电平的宽度和条码符号的条空尺寸相对应为了得到较高的信噪比，通常都采用低噪声的分立元件组成前置放大电路来低噪声地放大信号。由于条码条码印刷时的边缘模糊性，更主要是因为扫描光斑的有限大小和电子线路的低通特性，将使得到的信号边缘模糊，通常称为“模拟电信号”，这种信号还须经整形电路尽可能准备地将边缘恢复出来，变成通常所说的“数字信号”。条码扫描器经过对条码图形的光电转换、放大和整形，其中信号整形部分由信号放大、滤波、波形整形组成，它的功能在于将条码的光电扫描信号处理成为标准电位的矩形波信号，其高低电平的宽度和条码符号的条空尺寸相对应。这样就可以按高低电平持续的时间记数。
2.2.3 译码
译码部分一般由嵌入式微处理器组成，它的功能就是对条码的矩形波信号进行译码，其结果通过接口电路输出到条码应用系统中的数据终端条码扫描器根据量化后的条空宽度值进行译码，由译码单元译出其中所含信息。各种条码符号的标准译码算法来自于各个条码符号的标准。
3.条形扫描器分类
除一、二维条码扫描器分类，还可分类为：CCD、全角度激光和激光手持式条码扫描器。 1．CCD 扫描器的优势： ◇ 扫描器内无转动部分，寿命长 ◇ 价格便宜 ◇ 选择时的主要参数：景深优秀的 CCD 无须紧贴条码即可识读，而且体积适中，操作舒适。分辨率低价 CCD 的分辨率较低，一般是指 512 像素，用于识读 EAN，UPC 等商业码也就够用了。中档 CCD 的分辨率是指 1024 像素，有些甚至达到 2048 像素，能分辨最窄条/空为 0.1mm 的条码。 2．激光手持式扫描器有转镜式和颤镜式两种：转镜式是采用高速马达带动一个棱镜组旋转，使二极管发出的单点激光变成一线。颤镜式扫描器的扫描速度较低，一般为 33 次／秒，个别型号可以达到 100 次／秒。颤镜式的成本也较低。在选择激光扫描器时，最重要的是扫描速度和分辨率，而景深并不关键。因为当景深加大时，分辨率会明显降低。优秀的手持激光扫描器应当是有高扫描速度，并在固定景深范围内有很高的分辨率。 3．全角度扫描器也是一种激光扫描器.它通过光学系统使激光二极管发出的激光折射成多条扫描线，
以达到全角度扫描的目的，主要是为了提高采集效率，减轻操作人员的劳动。选择时的注意事项：在一个方向上有多条平行线；在某一点上有多条扫描线通过；在一定的空间范围内各点的解读机率趋于一致。能同时满足这三点的就是优秀扫描器。
4.条码扫描器接口
条码扫描器接口目前主要有 USB 接口、PS/2 接口、串口（RS232），其中 USB 接口最为简单，最大的好处就是即插即用，并且不会因为条码扫描器的故障造成键盘或其它的外设不能使用的情况，目前该接口主要应用在与计算机的连接上。 PS/2 接口是最早成熟起来的条码扫描器接口，该接口除了可以与计算机连接外（具有 PS/2 接口的计算机），更被大量应用于与商业 POS 机做通讯接口，该接口最大的缺点是会因扫描器的故障造键盘外设的无效状态。RS232 接口是目前工业领域使用最为频繁的条码扫描器接口，因它易于编程、数据传输距离远、可构建现场总线网络等优点，可被应用到生产线条码数据采集、PLC 联动顺序控制等场合。 2.扫描枪接口：扫描枪的常用接口类型有以下三种： (1)SCSI（小型计算机标准接口）：此接口最大的连接设备数为 8 个，通常最大的传输速度是 40M/S，速度较快，一般连接高速的设备。SCSI 设备的安装较复杂，在 PC 机上一般要另加 SCSI 卡，容易产生硬件冲突，但是功能强大。 (2)EPP（增强型并行接口）：一种增强了的双向并行传输接口，最高传输速度为 1．5Mbps。优点是不需在 PC 中用其它的卡，无限制连接数目（只要你有足够的端口），设备的安装及使用容易。缺点是速度比 SCSI 慢。此接口因安装和使用简单方便而在中低端对性能要求不高的场合取代 SCSI 接口。 (3)USB（通用串行总线接口）：最多可连接 127 台外设，现在的 USB1.1 标准最高传输速度为 12Mbps，并且有一个辅通道用来传输低速数据。在将来如果有了 USB2.0 标准的扫描枪速度可能会扩展到 480M/s。具热插拔功能，即插即用。此接口的扫描枪随着 USB 标准在 Intel 的力推之下的确立和推广而逐渐普及。
5.三种技
普通的条码阅读器通常采用以下三种技术：光笔、CCD、激光，它们都有各自的优缺点,手持终端，没有一种阅读器能够在所有方面都具有优势，下面讨论每一种阅读器的工作原理和优缺点。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,移动数据终端，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， “条”的部分，光线将被吸收，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；与其它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。缺点：使用光笔会受到各种限制，比如在有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，光笔都不能使用,条形码扫描器；光笔的首读成功率低及误码率较高。 CCD 阅读器的工作原理 CCD 为电子耦合器件（Charg couple device），比较适合近距离和接触阅读，它的价格没有激光阅读器贵，而且内部没有移动部件。 CCD 阅读器使用一个或多个 LED，发出的光线能够覆盖整个条码，条码的图像被传到一排光上，被每个单独的光电二激管采样，由邻近的的探测结果为“黑”或“白”区分每一个条或空，从而确定条码的字符，换言之，CCD 阅读器不是注意的阅读每一个“条”或 “空” ，而是条码的整个部分，并转换成可以译码的电信号。优点：与其它阅读器相比，CCD 阅读器的价格较便宜，但同样有阅读条码的密度广泛，容易使用。它的重量比激光阅读器轻，而且不象光笔一样只能接触阅读。缺点：CCD 阅读器的局限在于它的阅读景深和阅读宽度，在需要阅读印在弧型表面的条码（如饮料罐）时候会有困难；在一些需要远距离阅读的场合，如仓库领域，也不是很适合； CCD 的防摔性能较差，因此产生的故障率较高；在所要阅读的条码比较宽时， CCD 也不是很好的选择，信息很长或密度很低的条码很容易超出扫描头的阅读范围，导致条码不可读；而且某些采取多个 LED 的条码阅读器中，任意一个的 LED 故障都会导致不能阅读；大部分 CCD 阅读器的首读成功率较低且误码机率高。激光枪的工作原理激光扫描仪是各种扫描器中价格相对较高的，但它所能提供的各项功能指标最高，因此在各个行业中都被广泛采用。激光扫描仪的基本工作原理为：手持式激光扫描仪通过一个激光二极管发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，反射后的光线穿过阅读窗照射到条码表面，光线经过条或空的反射后返回阅读器，由一个镜子进行采集、聚焦，通过光电转换器转换成电信号，该信号将通过扫描期或终端上的译码软件进行译码。激光扫描仪分为手持与固定两种形式：手持激光枪连接方便简单、使用灵活，固定式激光扫描仪适用于阅读最较大、条码较小的场合，有效解放双手工作。优点：激光扫描仪可以很杰出的用于非接触扫描，通常情况下，在阅读距离超过 30cm 时激光阅读器是唯一的选择；激光阅读条码密度范围广，并可以阅读不规则的条码表面或透过玻璃或透明胶纸阅读，因为是非接触阅读，因此不会损坏条码标签；因为有较先进的阅读及解码系统，首读识别成功率高、识别速度相对光笔及 CCD 更快，而且对印刷质量不好或模糊的条码识别效果好；误码率极低（仅约为三百万分之一）；激光阅读器的防震防摔性能好，如：Symbol LS4000 系列的扫描仪，可 1.5 米水泥地防摔。缺点：激光扫描仪的唯一的缺点是它的价格相对较高，但如果从购买费用与使用费用的总和计算，与 CCD 阅读器并没有太大的区别。
CCD 和 CMOS 的不同之处 CCD 与 CMOS 传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进
行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。如下图所示， CCD 传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在 CMOS 传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及 A/D 转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。
左图为 CCD 传感器的结构，右图为 CMOS 传感器的结构
造成这种差异的原因在于： CCD 的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而 CMOS 工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。由于数据传送方式不同，因此 CCD 与 CMOS 传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括： 1. 灵敏度差异：由于 CMOS 传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与 A/D 转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS 传感器的灵敏度要低于 CCD 传感器。 2. 成本差异：由于 CMOS 传感器采用一般半导体电路最常用的 CMOS 工艺，可以轻易地将周边电路(如 AGC、CDS、Timing generator、或 DSP 等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于 CCD 采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制 CCD 传感器的成品率比 CMOS 传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水平，因此，CCD 传感器的成本会高于 CMOS 传感器。 3. 分辨率差异：如上所述，CMOS 传感器的每个象素都比 CCD 传感器复杂，其象素尺寸很难达到 CC D 传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的 CCD 与 CMOS 传感器时，CCD 传感器的分辨率通常会优于 CMOS 传感器的水平。例如，目前市面上 CMOS 传感器最高可达到 210 万象素的水平(OmniVi sion 的 OV2610，2002 年 6 月推出)，其尺寸为 1/2 英寸，象素尺寸为 4.25μm，但 Sony 在 2002 年 1 2 月推出了 ICX452，其尺寸与 OV2610 相差不多(1/1.8 英寸)，但分辨率却能高达 513 万象素，象素尺寸也只有 2.78mm 的水平。 4. 噪声差异：由于 CMOS 传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的 CCD 传感器相比，CM OS 传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。 5. 功耗差异：CMOS 传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但 CCD 传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到 12~18V；因此，CCD 传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于 CMOS 传感器的水平。举例来说，OmniVision 近期推出的 OV7640(1/4 英寸、 VGA)，在 30 fps 的速度下运行，功耗仅为 40mW；而致力于低功耗 CCD 传感器的 Sanyo 公司去年推出了 1/7 英寸、CIF 等级的产品，其功耗却仍保持在 90mW 以上，虽然该公司近期将推出 35mW 的新产品，但仍与 CMOS 传感器存在差距，且仍处于样品阶段。综上所述，CCD 传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于 CMOS 传感器，而 CMOS 传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着 CCD 与 CMOS 传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD 传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为 Sanyo)；CMOS 传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪。
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