条形码识读系统的组成及识读设备

7.3.1 条形码识别系统的组成

条形码符号是图形化的编码符号，对条形码符号的识读就是借助一定的专用设备，将条形码符号中含有的编码信息转换成计算机可识别的数字信息的过程。从系统结构和功能上讲，条形码识读系统由扫描系统、信号整形部分、译码部分三个部分组成，如图7－6所示。

图7－6 条形码识读系统的组成

扫描系统由光学系统及探测器即光电转换器件组成，由光学系统完成对条形码符号的光学扫描，光电探测器将由条形码条、空图案所得的光信号转换成电信号。

信号整形部分由信号放大单元、滤波单元、波形整形单元组成，其功能是将条形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形码符号的条、空尺寸相对应。

译码部分一般由嵌入式微处理器组成，其功能是对条形码的矩形波信号进行译码，其结果通过接口电路输出到条形码应用系统中的数据终端。

条形码符号的识读涉及光学、电子学、微处理器等多种技术。要正确完成识读，必须满足以下几个条件。

（1）建立一个光学系统并产生一个光点，使该光点在人工或自动控制下能沿某一轨迹作直线运动且通过一个条码符号的左空白区、起始符、数据符、终止符及右空白区。

（2）建立一个反射光接收系统，使它能够接收到光点从条码符号上反射回来的光。同时要求接收系统的探测器的敏感面尽量与光点经过光学系统成像的尺寸相吻合。如果光点的成像比光敏感面小，则会使光点外的那些对探测器敏感的背景光进入探测器，影响识读。也要求来自条上的光点的反射光弱，而来自空上的光点的反射光强，以便通过反射光的强弱及持续时间来测定条（空）宽。

（3）要求光电转换器将接收到的光信号不失真地转换成电信号。

（4）要求电子电路将电信号放大、滤波、整形，并转换成电脉冲信号。

（5）建立某种译码算法将所获得的电脉冲信号进行分析、处理，从而得到条码符号所表示的信息。

（6）将所得到的信息转储到指定的地方。

上述的前四步一般由扫描器完成，后两步一般由译码器完成。

1.光源

对于一般的条码应用系统，在制作时条码符号的条、空反差均是针对630nm附近的红光，所以条码扫描器的扫描光源应含有较多的红光成分。条形码扫描器的红外线反射能力通常在900nm以上，而可见光反射能力一般为630nm～670nm，紫外线反射能力为300nm～400nm。一般物品对630nm附近的红光的反射性能和对近红外光的反射性能十分接近，所以有些扫描器采用近红外光。

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，也有选用白炽灯、闪光灯等光源的。

2.光电转换

接收到的光信号需要经光电转换器转换成电信号。手持枪式扫描识读器的信号频率为几十千赫到几百千赫。一般采用硅光电池、光电二极管和光电三极管作为光电转换器件。

3.放大、整形与计数

全角度扫描识读器中的条码信号频率为几兆赫到几十兆赫。全角度扫描识读器一般都是长时间连续使用的，为了使用者的安全，要求激光源出射能量较小，因此最后接收到的能量极弱。为了得到较高的信噪比（由误码率决定），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。手持枪式扫描识读器出射光能量相对较强，信号频率较低，另外，还可采用同步放大技术等，因此它对电子元器件特性的要求不是很高。而且由于信号频率较低，可以较方便地实现自动增益控制电路。

由于条码印刷时的边缘模糊性，更由于扫描光斑的有限大小和电子线路的低通特性，得到的信号边缘模糊，通常称为“模拟电信号”。对这种信号还须整形，以尽可能准确地将其边缘恢复，得到数字信号。同样，手持枪式扫描器由于信号频率低，在选择整形方案时有更多的余地。

4.译码

条码识读系统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。译码包括硬件译码和软件译码。硬件译码通过译码器的硬件逻辑来完成，译码速度快，但灵活性较差。为了简化结构和提高译码速度，已经出现了专用的条形码译码芯片。软件译码通过固化在只读存储器（ROM）中的译码程序来完成，灵活性较好，但译码速度较慢。实际上每种译码器的译码都是通过硬件逻辑与软件共同完成的。

译码不论采用什么方法，都包括以下三个过程。

（1）记录脉冲宽度 译码过程的第一步是测量记录每一脉冲的宽度值，即测量条空宽度。记录脉冲宽度利用计数器完成。

（2）比较分析处理脉冲宽度 脉冲宽度的比较方法有多种。比较过程并非简单地求比值，而是经过转换、比较后得到一系列便于存储的二进制数值，然后把这一系列的数据放入缓冲区以便进行下一步的程序判别。

（3）程序判别 码制判定必须通过起始符和终止符来实现。因为每一种码制都有选定的起始符和终止符，所以经过扫描所产生的数字脉冲信号也有其固定的形式。码制判定以后，就可以按照该码制的编码字符集进行判别，并进行字符错误校验和整串信息错误校验，完成译码过程。

5.通信接口

条码识别系统一般采用RS－232接口或键盘口传输数据。条码扫描器在传输数据时使用RS－232串口通信协议，使用时要先进行必要的设置，如波特率、数据位长度、有无奇偶校验和停止位等的设置，同时还需要选择使用何种通信协议。条码扫描器将RS－232数据通过串口传给MX009转换器，MX009将串口数据转化成USB键盘或USB终端数据。MX009只能和带有RS－232串口通信功能的条码扫描器共同工作。一些型号较老的条码扫描器只有一种接口。例如，如果使用键盘口MS951，MX009就不能工作。但是所有使用PowerLink电缆的扫描器，无论接口类型如何，都具有RS－232串口通信能力。所有与PowerLink电缆兼容的扫描仪，使用起来都很简单，因为电缆是可分离的。

7.3.2 条形码识读设备

条形码识读设备主要包括激光条码扫描器、CCD扫描器、光笔、全向激光扫描器和数据采集器等，如图7－7所示。

图7－7 常用的条形码识读设备

1.激光条码扫描器

激光扫描技术的基本原理是：先由机具产生一束激光（通常是由半导体激光二极管产生），再由转镜将固定方向的激光束形成激光扫描线（类似电视机的电子枪扫描），激光扫描线扫描到条形码上再反射回机具，由机具内部的光敏器件将反射回的激光扫描线转换成电信号。

激光扫描器的优点是识读距离远、适应能力强，且具有穿透保护膜识读的能力，识读的精度和速度比较容易做得高些。缺点是对识读的角度要求比较严格，而且只能识读堆叠式二维码和一维码。另外，激光扫描器的不足之处是条形码符号的长度受光学系统的限制，并与扫描器到条形码符号的距离有关。

2.CCD扫描器

CCD扫描器主要采用了电荷耦合器件（CCD），由CCD对条形码印刷图案进行成像，然后再进行译码。条形码符号成像在CCD感光器件阵列（光电二极管阵列）上，由于条和空的反光强度不同，因而感光器件产生的电信号强度也不同。通过扫描电路把相应的电信号放大、整形，然后输出，最后形成与条形码符号信息对应的电信号。为了保证一定的分辨率，光电元件的排列密度要保证条形码符号中最窄的元素至少被2～3个光电元件所覆盖，而排列长度应能够覆盖整个条形码符号。常见的阵列数有1 024、2 048和4 096等。

CCD扫描器的特点是：无任何机械运动部件，性能可靠，寿命长；按元件排列的节距或总长计算，可以用于测长；价格比激光枪便宜；可测条形码的长度受限制；景深小。

选择CCD扫描器需要考虑的两个参数是景深和分辨率。

（1）景深 由于CCD的成像原理类似于照相机，如果要加大景深，则相应地要加大透镜，从而使CCD体积过大，不便操作。优秀的CCD应无须紧贴条形码即可识读，而且体积适中，操作舒适。

（2）分辨率 如果要提高CCD的分辨率，必须增加成像处光敏元件的单位元素。低价CCD的分辨率一般是512像素，识读EAN、UPC等商品条形码已经足够，对于其他码制的条形码识读就会困难一些。中档CCD以1 024像素的居多，有些甚至达到2 048像素，能分辨最窄单位元素为0.1mm的条形码。

3.光笔与卡槽式扫描器

1）光笔

光笔属于接触式、固定光束扫描器。在其笔尖附近有作为照明光源的发光二极管，并且有光电探测器。在选择光笔时，要根据所应用的条形码符号正确选择光笔的孔径（分辨率），分辨率高的光笔的光点尺寸能达到4mil（1mil＝0.0254mm），6mil属于高分辨率，10mil属于低分辨率。一般光笔的光点尺寸在0.2mm左右。

光笔的光源有红光和红外光两种，其中红外光笔擅长识读被油污弄脏的条形码符号。光笔的笔尖容易磨损，一般用蓝宝石笔头，但光笔的笔头可以更换。

2）卡槽式扫描器

卡槽式扫描器属于固定光束扫描器，其内部结构和光笔类似，它上面有一个槽，手持带有条形码符号的卡从槽中滑过实现扫描。这种识读设备广泛用于时间管理以及考勤系统，经常和带有液晶显示和数字键盘的终端集成为一体。

4.全向激光扫描器

全向扫描是指扫描条形码时，标准尺寸的商品条形码以任何方向通过扫描器的区域都会被扫描器的某条或某两条扫描线扫过整个条形码符号。这种扫描器一般用于商业超市的收款台。全向扫描器一般有3～5个扫描方向，每个方向上的扫描线为4条左右，扫描线数一般为20条左右。它们可以安装在柜台下面，也可以安装在柜台侧面。

这类设备的高端产品为全息式激光扫描器，它用高速旋转的全息盘代替了棱镜状多边转镜扫描。有的扫描线能达到100条，扫描的对焦面达到5个，每个对焦面含有20条扫描线，扫描速度可以高达8 000线／秒，特别适合于在传送带上识读不同距离、不同方向的条形码符号。这种类型的扫描器对传送带的最大速度要求小的有0.5m／s，大的有4m／s。

5.数据采集器

把条形码识读器和具有数据存储、处理、通信传输功能的手持数据终端设备结合在一起，称为条形码数据采集器，简称数据采集器。当人们强调数据处理功能时，往往将其简称为数据终端。它实际上是移动式数据处理终端和某一类型的条形码扫描器的集合体。数据采集器按产品性能分为手持终端、无线型手持终端、无线掌上计算机和无线网络设备。

普通的扫描设备扫描条形码后，经过接口电路直接将数据传送给计算机，而数据采集器扫描条形码后，先将数据存储起来，根据需要再经过接口电路批处理数据。也可以将数据采集器连入无线局域网、GPRS（general packet radio service，通用分组无线业务）网络或广域网，实时传送和处理数据。数据采集器是具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备，可以随机提供可视化编程环境。

数据采集器具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输等功能，保证了现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性。由于数据采集器大都在室外使用，周围的湿度、温度等环境因素对手持终端的操作影响比较大，尤其是液晶屏幕、随机存取存储器（RAM）芯片等关键部件，其低温、高温特性都受限制。因此，用户要根据自身的使用环境情况选择手持终端产品。抗震、抗摔性能也是手持终端产品的另一项操作性能指标。作为便携式数据采集产品，操作者无意间失手使其跌落是难免的，因而手持终端要具备一定的抗震、抗摔性。