條形碼掃描器

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條碼掃描器，又稱為條碼閱讀器、條碼掃描槍、條形碼掃描器、條形碼掃描槍及條形碼閱讀器。它是用于讀取條碼所包含信息的閱讀設(shè)備，利用光學(xué)原理，把條形碼的內(nèi)容解碼后通過數(shù)據(jù)線或者無線的方式傳輸?shù)诫娔X或者別的設(shè)備。廣泛應(yīng)用于超市、物流快遞、圖書館等掃描商品、單據(jù)的條碼。

2.條形碼掃描器基本原理

2.1基本原理

條形掃描器是用于讀取條形碼所含信息的設(shè)置，尋常包括：光源、接收器、光電轉(zhuǎn)換部件、譯碼電路、計算機接口。

條形掃描器的基本原理為:光源發(fā)出的光線通過光學(xué)系統(tǒng)照射到條形碼符號，被反射回來的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在光電轉(zhuǎn)換器上，使其產(chǎn)生電信號；電信號通電路放大后產(chǎn)生模擬電壓，它與照射到條形碼符號上被反射回來的光形成正比，再經(jīng)過濾波、整形，形成與模擬信號對應(yīng)的方波信號，最終通過譯碼器翻譯成計算機可以接受的數(shù)字信號。

2.2基本組成

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上講，條碼掃描器原理之系統(tǒng)由掃描器系統(tǒng)、信號整形、譯碼三部分組成。

2.2.1掃描系統(tǒng)

掃描系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)及探測器即光電轉(zhuǎn)換器件組成，它完成對條碼符號的光學(xué)掃描，并通過光電探測器，將條碼條空圖案的光信號轉(zhuǎn)換成為電信號。1.光源

對于一般的條碼應(yīng)用系統(tǒng)，條碼符號在制作時，條碼符號的條空反差均針對630nm附件的紅光而言，所以條碼掃描器的掃描光源應(yīng)當含有較大的紅光部分。掃描器所選用的光源種類好多，主要有半導(dǎo)體光源、激光光源。半導(dǎo)體發(fā)光二極管

半導(dǎo)體發(fā)光二極管又稱為發(fā)光二極管，它實際上就是一個由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組合而成的二極管。當在P-N結(jié)上施加正向電壓時發(fā)光二極管就發(fā)出光來。激光器

半導(dǎo)體激光器功率一般在3～5nm，與其它光源相比，有獨特的性質(zhì)：●有很強的方向性●單色性和相干性極好

●可獲得極高的光強度，激光條碼掃描器采用的都是低功率的激光二極管2.光電轉(zhuǎn)換接收器

接收到的光信號需要經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號。

掃描器的信號頻率為幾十千赫到幾百千赫，一般采用硅光電池、光電二極管、光電三極管作為光電轉(zhuǎn)換器件。

目前市場上掃描槍所使用的感光器件主要有四種：光電倍增管，硅氧化物隔離CCD，半導(dǎo)體隔離CCD，接觸式感光器件（CIS或LIDE）。

主流是兩種CCD，其原理簡單說是：在一片硅單晶上集成了幾千到幾萬個光電三極管，這些光電三極管分為三列，分別用紅綠藍色的濾色鏡罩住，從而實現(xiàn)彩色掃描。簡單的說是半導(dǎo)體的CCD三極管間漏電現(xiàn)象會影響掃描精度，用硅氧化物隔離會大大減小漏電現(xiàn)象（這個是絕緣體的），當然最好再加上溫度控制，由于不管是半導(dǎo)體還是導(dǎo)體一般都是溫敏的，升溫導(dǎo)電性一般會提高，現(xiàn)在主流市場上的多數(shù)是半導(dǎo)體隔離CCD用，硅氧化物隔離CCD的比較少，顯然是由于成本較高。

另外依照圖像讀出方式分類，CCD可以分為線型CCD和面型CCD兩種。線型CCD的圖像讀出采用一維的方式，所以叫線型的。

線型CCD圖像傳感器最大特點是分辯率很高，最高可拍攝的像素數(shù)量高達1.3億。其使用的CCD芯片長而窄，即對光線敏感的微小單元均勻地排成一列，而不像在面型CCD中這樣的微小單元均勻地排成若干列而形成一個矩形的平面。

接觸式感光器件，它使用的感光材料一般是我們用來制造光敏電阻的硫化鎘，生產(chǎn)成本應(yīng)當是較CCD低得多（市場上同等精度的CIS掃描槍總是比CCD的掃描槍低廉不少正是這個原因）。掃描距離短，掃描明了度低甚至有的時候達不到標稱值，溫度變化比較簡單影響掃描精度，這些正是這種掃描槍的致命問題。

光電倍增管，感光材料主要是金屬銫的氧化物。他的掃描精度，甚至受溫度影響的程度和噪音等都是最好的，可價格也是最貴的。

2.2.2信號整形

信號整形部分由信號放大、濾波、波形整形組成，它的功能在于將條碼的光電掃描信號處理成為標準電位的矩形波信號，其高低電平的寬度和條碼符號的條空尺寸相對應(yīng)為了得到較高的信噪比，尋常都采用低噪聲的分立元件組成前置放大電路來低噪聲地放大信號。由于條碼條碼印刷時的邊緣模糊性，更主要是由于掃描光斑的有限大小和電子線路的低通特性，將使得到的信號邊緣模糊，尋常稱為“模擬電信號〞，這種信號還須經(jīng)整形電路盡可能準備地將邊緣恢復(fù)出來，變成尋常所說的“數(shù)字信號〞。條碼掃描器經(jīng)過對條碼圖形的光電轉(zhuǎn)換、放大和整形，其中信號整形部分由信號放大、濾波、波形整形組成，它的功能在于將條碼的光電掃描信號處理成為標準電位的矩形波信號，其高低電平的寬度和條碼符號的條空尺寸相對應(yīng)。這樣就可以按高低電平持續(xù)的時間記數(shù)。

2.2.3譯碼

譯碼部分一般由嵌入式微處理器組成，它的功能就是對條碼的矩形波信號進行譯碼，其結(jié)果通過接口電路輸出到條碼應(yīng)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)終端條碼掃描器根據(jù)量化后的條空寬度值進行譯碼，由譯碼單元譯出其中所含信息。各種條碼符號的標準譯碼算法來自于各個條碼符號的標準。

3.條形掃描器分類

除一、二維條碼掃描器分類，還可分類為：CCD、全角度激光和激光手持式條碼掃描器。1．CCD掃描器的優(yōu)勢：

掃描器內(nèi)無轉(zhuǎn)動部分，壽命長

價格低廉

選擇時的主要參數(shù)：

景深優(yōu)秀的CCD無須緊貼條碼即可識讀，而且體積適中，操作舒適。

分辯率低價CCD的分辯率較低，一般是指512像素，用于識讀EAN，UPC等商業(yè)碼也就夠用了。中檔CCD的分辯率是指1024像素，有些甚至達到2048像素，能分辯最窄條/空為0.1mm的條碼。

2．激光手持式掃描器

有轉(zhuǎn)鏡式和顫鏡式兩種：

轉(zhuǎn)鏡式是采用高速馬達帶動一個棱鏡組旋轉(zhuǎn)，使二極管發(fā)出的單點激光變成一線。顫鏡式掃描器的掃描速度較低，一般為33次／秒，個別型號可以達到100次／秒。顫鏡式的成本也較低。

在選擇激光掃描器時，最重要的是掃描速度和分辯率，而景深并不關(guān)鍵。由于當景深加大時，分辯率會明顯降低。優(yōu)秀的手持激光掃描器應(yīng)當是有高掃描速度，并在固定景深范圍內(nèi)有很高的分辯率。

3．全角度掃描器

也是一種激光掃描器.它通過光學(xué)系統(tǒng)使激光二極管發(fā)出的激光折射成多條掃描線，

以達到全角度掃描的目的，主要是為了提高采集效率，減輕操作人員的勞動。選擇時的本卷須知：

在一個方向上有多條平行線；在某一點上有多條掃描線通過；

在一定的空間范圍內(nèi)各點的解讀機率趨于一致。能同時滿足這三點的就是優(yōu)秀掃描器。

4.條碼掃描器接口

條碼掃描器接口目前主要有USB接口、PS/2接口、串口（RS232），其中USB接口最為簡單，最大的好處就是即插即用，并且不會由于條碼掃描器的故障造成鍵盤或其它的外設(shè)不能使用的狀況，目前該接口主要應(yīng)用在與計算機的連接上。PS/2接口是最早成熟起來的條碼掃描器接口，該接口除了可以與計算機連接外（具有PS/2接口的計算機），更被大量應(yīng)用于與商業(yè)POS機做通訊接口，該接口最大的缺點是會因掃描器的故障造鍵盤外設(shè)的無效狀態(tài)。RS232接口是目前工業(yè)領(lǐng)域使用最為頻繁的條碼掃描器接口，因它易于編程、數(shù)據(jù)傳輸距離遠、可構(gòu)建現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點，可被應(yīng)用到生產(chǎn)線條碼數(shù)據(jù)采集、PLC聯(lián)動順序控制等場合。2.掃描槍接口：

掃描槍的常用接口類型有以下三種：(1)SCSI（小型計算機標準接口）：此接口最大的連接設(shè)備數(shù)為8個，尋常最大的傳輸速度是40M/S，速度較快，一般連接高速的設(shè)備。SCSI設(shè)備的安裝較繁雜，在PC機上一般要另加SCSI卡，簡單產(chǎn)生硬件沖突，但是功能強大。(2)EPP（加強型并行接口）：一種加強了的雙向并行傳輸接口，最高傳輸速度為1．5Mbps。優(yōu)點是不需在PC中用其它的卡，無限制連接數(shù)目（只要你有足夠的端口），設(shè)備的安裝及使用簡單。缺點是速度比SCSI慢。此接口因安裝和使用簡單便利而在中低端對性能要求不高的場合取代SCSI接口。

(3)USB（通用串行總線接口）：最多可連接127臺外設(shè)，現(xiàn)在的USB1.1標準最高傳輸速度為12Mbps，并且有一個輔通道用來傳輸?shù)退贁?shù)據(jù)。在將來假使有了USB2.0標準的掃描槍速度可能會擴展到480M/s。具熱插拔功能，即插即用。此接口的掃描槍隨著USB標準在Intel的力推之下的確立和推廣而逐漸普及。

5.三種技

普通的條碼閱讀器尋常采用以下三種技術(shù)：光筆、CCD、激光，它們都有各自的優(yōu)缺點，沒有一種閱讀器能夠在所有方面都具有優(yōu)勢，下面探討每一種閱讀器的工作原理和優(yōu)缺點。

光筆的工作原理

光筆是最先出現(xiàn)的一種手持接觸式條碼閱讀器，它也是最為經(jīng)濟的一種條碼閱讀器。使用時，操需將光筆接觸到條碼表面，通過光筆的鏡頭發(fā)出一個很小的光點，當這個光點從左到右劃過條碼時，在“空〞部分，光線被反射，“條〞的部分，光線將被吸收，因此在光筆內(nèi)部產(chǎn)生一個變化的電壓，這個電壓通過放大、整形后用于譯碼。光筆的優(yōu)點主要是：與條碼接觸閱讀，能夠明確哪一個是被閱讀的條碼；閱讀條碼的長度可以不受限制；與其它的閱讀器相比成本較低；內(nèi)部沒有移動部件，比較穩(wěn)固；體

積小，重量輕。缺點：使用光筆會受到各種限制，譬如在有一些場合不適合接觸閱讀條碼；另外只有在比較平坦的表面上閱讀指定密度的、打印質(zhì)量較好的條碼時，光筆才能發(fā)揮它的作用；而且操作人員需要經(jīng)過一定的訓(xùn)練才能使用，如閱讀速度、閱讀角度、以及使用的壓力不當都會影響它的閱讀性能；最終，由于它必需接觸閱讀，當條碼在因保存不當而產(chǎn)生損壞，或者上面有一層保護膜時，光筆都不能使用；光筆的首讀成功率低及誤碼率較高。

CCD閱讀器的工作原理

CCD為電子耦合器件（Chargcoupledevice），比較適合近距離和接觸閱讀，它的價格沒有激光閱讀器貴，而且內(nèi)部沒有移動部件。CCD閱讀器使用一個或多個LED，發(fā)出的光線能夠覆蓋整個條碼，條碼的圖像被傳到一排光上，被每個單獨的光電二激管采樣，由鄰近的的探測結(jié)果為“黑〞或“白〞區(qū)分每一個條或空，從而確定條碼的字符，換言之，CCD閱讀器不是注意的閱讀每一個“條〞或“空〞，而是條碼的整個部分，并轉(zhuǎn)換成可以譯碼的電信號。

優(yōu)點：與其它閱讀器相比，CCD閱讀器的價格較低廉，但同樣有閱讀條碼的密度廣泛，簡單使用。它的重量比激光閱讀器輕，而且不象光筆一樣只能接觸閱讀。

缺點：CCD閱讀器的局限在于它的閱讀景深和閱讀寬度，在需要閱讀印在弧型表面的條碼（如飲料罐）時候會有困難；在一些需要遠距離閱讀的場合，如倉庫領(lǐng)域，也不是很適合；CCD的防摔性能較差，因此產(chǎn)生的故障率較高；在所要閱讀的條碼比較寬時，CCD也不是很好的選擇，信息很長或密度很低的條碼很簡單超出掃描頭的閱讀范圍，導(dǎo)致條碼不可讀；而且某些采取多個LED的條碼閱讀器中，任意一個的LED故障都會導(dǎo)致不能閱讀；大部分CCD閱讀器的首讀成功率較低且誤碼機率高。激光槍的工作原理

激光掃描儀是各種掃描器中價格相對較高的，但它所能提供的各項功能指標最高，因此在各個行業(yè)中都被廣泛采用。

激光掃描儀的基本工作原理為：手持式激光掃描儀通過一個激光二極管發(fā)出一束光線，照射到一個旋轉(zhuǎn)的棱鏡或來回搖擺的鏡子上，反射后的光線穿過閱讀窗照射到條碼表面，光線經(jīng)過條或空的反射后返回閱讀器，由一個鏡子進行采集、聚焦，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，該信號將通過掃描期或終端上的譯碼軟件進行譯碼。

激光掃描儀分為手持與固定兩種形式：手持激光槍連接便利簡單、使用靈活，固定式激光掃描儀適用于閱讀最較大、條碼較小的場合，有效解放雙手工作。優(yōu)點：激光掃描儀可以很優(yōu)良的用于非接觸掃描，尋常狀況下，在閱讀距離超過30cm時激光閱讀器是唯一的選擇；激光閱讀條碼密度范圍廣，并可以閱讀不規(guī)則的條碼表面或透過玻璃或透明膠紙閱讀，由于是非接觸閱讀，因此不會損壞條碼標簽；由于有較先進的閱讀及解碼系統(tǒng)，首讀識別成功率高、識別速度相對光筆及CCD更快，而且對印刷質(zhì)量不好或模糊的條碼識別效果好；誤碼率極低（僅約為三百萬分之一）；激光閱讀器的防震防摔性能好，如：SymbolLS4000系列的掃描儀，可1.5米水泥地防摔。

缺點：激光掃描儀的唯一的缺點是它的價格相對較高，但假使從購買費用與使用費用的總和計算，與CCD閱讀器并沒有太大的區(qū)別。

CCD和CMOS的不同之處

CCD與CMOS傳感器是當前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進

行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式不同。

如下圖所示，CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。

左圖為CCD傳感器的結(jié)構(gòu)，右圖為CMOS傳感器的結(jié)

構(gòu)

造成這種差異的原因在于：CCD的特別工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時不會失真，因此各個象素的數(shù)據(jù)可集聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲，因此，必需先放大，再整合各個象素的數(shù)據(jù)。

由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異，這些差異包括：1.靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個象素的感光區(qū)域遠小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸一致的狀況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。

2.成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timinggenerator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；除此之外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個象素不能運行，就會導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難大量，即使有經(jīng)驗的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。

3.分辯率差異：如上所述，CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器繁雜，其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平，因此，當我們比較一致尺寸的CCD與CMOS傳感器時，CCD傳感器的分辯率尋常會優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如，目前市面上CMOS傳感器最高可達到210萬象素的水平(OmniVision的OV2610，2023年6月推出)，其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2023年12月推出了ICX452，其尺寸與OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辯率卻能高達513萬象素，象素