书城计算机条形码技术与应用
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第10章 技术篇(2)

CCD为电子耦合器件(Chargc0upledevice),比较适合近距离和接触阅读,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形码,条形码的图像被传到一排光探测器上,被每个单独的光电二极管采样,由邻近的探测器的探测结果为“黑”或“白”来区分每一个条或空,从而确定条形码的字符。换言之,CCD阅读器不是逐一地阅读每一个“条”或“空”,而是条形码的整个部分,并转换成可以译码的电信号。

2.优点

与其他阅读器相比,CCD阅读器的价格较便宜,且阅读条形码的密度范围广,容易使用。它的重量比激光阅读器轻,除像光笔一样具有接触阅读能力外,还可以进行近距离阅读。

3.缺点

CCD阅读器的局限在于它的阅读景深和阅读宽度,在需要阅读印在弧形表面的条形码(如饮料罐)时会有困难;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阅读器的防摔性能较差,因此产生的故障率较高;在所要阅读的条形码比较宽时,CCD阅读器也不是很好的选择,信息很长或密度很低的条形码很容易超出扫描头的阅读范围,导致条形码不可读;而且某些采取多个LED的条形码阅读器中,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概率较高。

三、激光扫描器

1.工作原理

激光扫描器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。

激光扫描器的基本工作原理为: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形码表面,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,该信号将通过扫描器或终端上的译码软件进行译码。

激光扫描器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;固定式激光扫描器适用于阅读量较大、条形码较小的场合,可有效解放双手的工作。

2.优点

激光扫描器可以有效地用于非接触扫描,通常情况下,在阅读距离超过30cm时激光阅读器是惟一的选择;激光阅读条形码密度范围广,并可以阅读表面不平整的条形码或透过玻璃或透明胶纸阅读;由于是非接触阅读,因此不会损坏条形码标签;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阅读器更快,而且对印刷质量不好或模糊的条形码识别效果好;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。

3.缺点

激光扫描器惟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。

60常用条形码扫描器工作方式及性能分析

一、光笔条形码扫描器

光笔条形码扫描器是一种轻便的条形码读入装置。在光笔内部有扫描光束发生器及反射光接收器。目前市场上出售的这类扫描器有很多种,它们主要在发光的波长、光学系统结构、电子电路结构、分辨率、操作方式等方面存在不同。光笔类条形码扫描器不论采用何种工作方式,从使用上都存在一个共同点,即阅读条形码信息时,要求扫描器与待识读的条形码接触或离开一个极短的距离(一般仅0.2~1mm左右)。光笔条形码扫描器内部结构。

二、手持式枪型条形码扫描器

手持式枪型条形码扫描器内一般都装有控制扫描光束的自动扫描装置。阅读条形码时不需与条形码符号接触,因此,对条形码标签没有损伤。扫描头与条形码标签的距离短的在0~20mm范围内,长的可达到500mm左右。

枪型条形码扫描器具有扫描光点匀速的优点,因此,阅读效果比光笔扫描器要好。扫描速度快,每秒可对同一标签的内容扫描几十次至上百次。

三、台式条形码自动扫描器

台式条形码自动扫描器适合于不便使用手持式扫描方式阅读条形码信息的场合。如果工作环境不允许操作者一只手处理标附有条形码信息的物体,而另一只手操纵手持条形码扫描器进行操作,就可以选用台式条形码扫描器自动扫描。这种扫描器也可以安装在生产流水线传送带旁的某一固定位置,等待标附有条形码标签的待测物体以平稳、缓慢的速度进入扫描范围时,可对自动化生产流水线进行控制。

四、激光自动扫描器

激光自动扫描器的最大优点是扫描光照强,可以远距离扫描且扫描景深长。而且激光扫描器的扫描速度高,有的产品扫描速度可以达到1200次/s,这种扫描器可以在0.01s时间内对某一条形码标签扫描阅读多次,而且可以做到每一次扫描不重复上次扫描的轨迹。扫描器内部光学系统可以将单束光转变成十字光或米字光,从而保证被测条形码从各个不同角度进入扫描范围时都可以被识读。

五、卡式条形码阅读器

卡式条形码阅读器可以用于医院病案管理、身份验证、考勤和生产管理等领域。这种阅读器内部的机械结构能保证标有条形代码的卡式证件或文件在插入滑槽后自动沿轨道做直线运动,在卡片前进过程中,扫描光点将条形码信息读入。卡式条形码阅读器一般都具有与计算机传送数据的能力,同时具有声光提示以证明识别正确与否。

六、便携式条形码阅读器

便携式条形码阅读器一般配接光笔式或轻便的枪型条形码扫描器,有的也配接激光扫描器。便携式条形码阅读器本身就是一台专用计算机,有的甚至就是一台通用微型计算机。这种阅读器本身具有对条形码信号的译解能力。条形码译解后,可直接存入机器内存或机内磁带存储器的磁带中。阅读器具有与计算机主机通信的能力。通常,它本身带有显示屏、键盘、条形码识别结果声响指示及用户编程功能。使用时,这种阅读器可以与计算机主机分别安装在两个地点,通过线路连成网络,也可以脱机使用,利用电池供电。这种设备特别适用于流动性数据采集环境,收集到的数据可以定时送到主机内存储。如有些场合,标有条形码信息或代号的载体体积大,比较笨重,不适合搬运到同一数据采集中心处理,此时,使用便携式条形码阅读处理器将十分方便。

61条形码激光扫描识读器

由于激光扫描条形码识读器独有的大景深区域、高扫描速度、宽扫描范围等突出的优点,从而得到了广泛的使用。另外,由于激光全角度扫描识读器能够高速扫描识读任意方向通过的条形码符号,因而被大量使用在各种自动化程度高、物流量大的领域。

激光扫描条形码识读器由激光源、光学扫描、光学接收、光电转换、信号放大、整形、量化和译码等部分组成。下面将详细讨论这些组成部分。

激光扫描器原理。条形码识读过程的激光信号波形。

一、激光源

采用MOVPE(金属氧化物气相外延)技术制造的可见光半导体激光器具有低功耗、可直接调制、体积小、重量轻、固体化、可靠性高、效率高等优点。它一出现即迅速替代了原来使用的He—Ne激光器。

半导体激光器发出的光束为非轴对称的椭圆光束。出射光束垂直于P—W截面方向的发散角约为30°,平行于截面方向的发散角约为10°。如采用传统的光束准直技术,光束会聚点两边的椭圆光斑的长、短轴方向将会发生交换。显然这将使扫描器只有小的扫描景深。杰伊·伊斯门(JayM.Eastman)等提出采用的光束准直技术,克服了这种交换现象,大大地提高了扫描景深范围。

这种椭圆光束只能应用在单线激光扫描器上。布置光路时,应让光斑的椭圆长轴方向与光线扫描方向垂直。对于单线扫描识读器,这种椭圆光斑由于对印刷噪声的不敏感性,将比下面所说的圆形光斑特性更好。

对于全角度条形码扫描识读器,由于光束在扫描识读条形码时,有时以较大倾斜角扫过条形码,因此,光束光斑不宜做成椭圆形,通常都将它整形成圆形。目前常用的整形方案是在准直透镜前加一小圆孔光束。此种光束特性可用小孔的菲涅耳衍射特性来很好地近似。采用这种方案,对于标准尺寸UPC条形码,景深能做到大约250~300mm,这对于一般商业POS系统已经足够了,但对如机场行李输送线等要求大景深的场合,就显得不够了。目前常用的方案是增大条形码符号的尺寸或使组成扫描图案的不同扫描光线会聚于不同区域形成“多焦面”。但是更有吸引力的方案是采用特殊的光学准直元件,使通过它的光场具有特殊的分布从而具有极小的光束发散角,得到较大的景深。

二、光学扫描系统

从激光源发出的激光束还需通过扫描系统形成扫描线或扫描图案。全角度条形码扫描识读器一般采用全息扫描和旋转棱镜扫描两种方案。

全息扫描系统具有结构紧凑、可靠性高和造价低廉等显著优点。自从IBM公司在3687型扫描器上首先应用以来得到了广泛的应用,且不断推陈出新。可以预料,它所占的市场份额将会越来越大。

旋转棱镜扫描技术历史较悠久,技术上较成熟。它利用旋转棱镜来扫描光束,用一组折叠平面反射镜来改变光路,实现多方向的扫描光线。目前使用较多的MS—700等扫描器产品还使旋转棱镜不同面的楔角不同而形成一个扫描方向上有几条扫描线,由多向多线的扫描光线组成一个高密度的扫描图案。这种方法可能带来的另一个好处是可使激光辐射危害减轻。

全角度扫描这个概念最早是为了提高超级市场的流通速度而提出的,并设计了与之相应的UPC条形码。对于UPC码两个扫描方向的“X”扫描图案就已能实现全角度扫描。随着扫描技术的发展,条形码应用领域的拓宽以及提高自动化程度的迫切需要,现在正在把全角度扫描这个概念推广到别的码制,如39码、交叉25码等。这些码制的条形码高宽比较小,为了实现全角度扫描将需要多得多的扫描方向数。为此除旋转棱镜外还将需要增加另一个运动元件,例如折叠平面镜组等。

手持单线扫描器由于扫描速度低、扫描角度较小等原因,能用来实现光束扫描的方案就很多,除采用旋转棱镜、摆镜外,还能通过运动光学系统中的很多部件来达到光束扫描。如通过运动半导体激光器、运动准直透镜等来实现光束扫描。而产生这些运动的动力元件除直流电动机外,还可以是压电陶瓷和电磁线圈等。这些动力元件具有不易损坏、寿命长和使用方便等优点,估计亦将会得到一定的应用。

三、光接收系统

扫描光束射到条形码符号上后被散射,由接收系统接收足够多的散射光。在激光全角度扫描识读器中,普遍采用回向接收系统。

在这种结构中,接收光束的主光轴就是出射光线轴。这样,散射光斑始终位于接收系统的轴上。这种结构的瞬时视场极小,可以极大地提高信噪比,还能提高对条形码符号镜面反射的抑制能力,并且对接收透镜的要求亦很低。另外,它还能使接收器的敏感面较小。

高速光电接收器敏感面积一般都不大,而且小敏感面积的接收器成本亦较低,这一点也是很重要的。它的缺点是当扫描光束位于扫描系统各元件边缘时要产生渐晕现象。因此,除了从结构上采取措施尽量减小渐晕外,还应舍弃特性太差的扫描角度。

全角度扫描识读器中还普遍采用光学自动增益控制系统,使接收到的信号光强度不随条形码符号的距离远近而改变。这可以缩小信号的动态范围,有利于后续处理。

手持枪式扫描识读器具有扫描速度较慢、信号频率较低等特点。而低响应频率的接收器如硅光电池具有较大的敏感面积,并且这低频系统也容易达到较高的信噪比。因此,除可采用上述回向接收方案外还可以采取别的方案。例如可利用半导体激光器的易调制性,将出射激光束以某一较高频率调制。而后,在电信号处理时再采用同步接收放大技术取出条形码信号。只要调制频率远大于条形码信号频率,它所带来的条形码宽度误差将可忽略不计。同步接收技术具有极高的抑制噪声能力,因此就不一定采用回向接收结构。这样就会给光学接收系统的安排带来相当的灵活性。利用这种灵活性就能使识读器某些方面的性能得以提高。例如在回向接收方案中,运动元件亦是接收系统的组成部分,要求它具有一定的孔径以保证接收到足够多的信号光。但是,如果运动元件仅仅起扫描出射光束的作用,就可以做得很小。显然小的运动元件无论对于选择动力元件还是延长使用寿命、提高可靠性都是极为有利的。

四、光电转换、信号放大及整形

接收到的光信号需要经光电转换器转换成电信号。全角度扫描识读器中的条形码信号频率为几兆赫到几十兆赫。这么高的信号频率要求光电转换器使用具有高频率响应能力的雪崩光电二极管(APO)或PIN光电二极管。全角度扫描识读器一般都是长时间连续使用,为了使用者安全,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(这由误码率决定),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。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,如前所说还可采用同步放大技术等。因此,它对电子元器件特性要求就不是很高。而且由于信号频率较低,就可以较方便地实现自动增益控制电路。

由于印刷时造成条形码的边缘模糊,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确地将边缘恢复出来,变成通常所说的“数字信号”。同样,手持枪式扫描器由于信号频率低,在选择整形方案上将有更多的余地。