條形碼掃描器

本文格式為Word版，下載可任意編輯——條形碼掃描器1.介紹

條碼掃描器，又稱(chēng)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(guò)數(shù)據(jù)線或者無(wú)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(shū)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(jì)算機(jī)接口。

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

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(hào)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(cè)器即光電轉(zhuǎn)換器件組成，它完成對(duì)條碼符號(hào)的光學(xué)掃描，并通過(guò)光電探測(cè)器，將條碼條空?qǐng)D案的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。1.光源

對(duì)于一般的條碼應(yīng)用系統(tǒng)，條碼符號(hào)在制作時(shí)，條碼符號(hào)的條空反差均針對(duì)630nm附件的紅光而言，所以條碼掃描器的掃描光源應(yīng)當(dāng)含有較大的紅光部分。掃描器所選用的光源種類(lèi)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(chēng)為發(fā)光二極管，它實(shí)際上就是一個(gè)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組合而成的二極管。當(dāng)在P-N結(jié)上施加正向電壓時(shí)發(fā)光二極管就發(fā)出光來(lái)。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(dú)特的性質(zhì)：●有很強(qiáng)的方向性●單色性和相干性極好

●可獲得極高的光強(qiáng)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(hào)需要經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

掃描器的信號(hào)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(chǎng)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(jiǎn)單說(shuō)是：在一片硅單晶上集成了幾千到幾萬(wàn)個(gè)光電三極管，這些光電三極管分為三列，分別用紅綠藍(lán)色的濾色鏡罩住，從而實(shí)現(xiàn)彩色掃描。簡(jiǎn)單的說(shuō)是半導(dǎo)體的CCD三極管間漏電現(xiàn)象會(huì)影響掃描精度，用硅氧化物隔離會(huì)大大減小漏電現(xiàn)象（這個(gè)是絕緣體的），當(dāng)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(huì)提高，現(xiàn)在主流市場(chǎng)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?qǐng)D像讀出方式分類(lèi)，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(diǎn)是分辯率很高，最高可拍攝的像素?cái)?shù)量高達(dá)1.3億。其使用的CCD芯片長(zhǎng)而窄，即對(duì)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(gè)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(lái)制造光敏電阻的硫化鎘，生產(chǎn)成本應(yīng)當(dāng)是較CCD低得多（市場(chǎng)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(gè)原因）。掃描距離短，掃描明了度低甚至有的時(shí)候達(dá)不到標(biāo)稱(chēng)值，溫度變化比較簡(jiǎn)單影響掃描精度，這些正是這種掃描槍的致命問(wèn)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(jià)格也是最貴的。

2.2.2信號(hào)整形

信號(hào)整形部分由信號(hào)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(hào)處理成為標(biāo)準(zhǔn)電位的矩形波信號(hào)，其高低電平的寬度和條碼符號(hào)的條空尺寸相對(duì)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(lái)低噪聲地放大信號(hào)。由于條碼條碼印刷時(shí)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(hào)邊緣模糊，尋常稱(chēng)為“模擬電信號(hào)〞，這種信號(hào)還須經(jīng)整形電路盡可能準(zhǔn)備地將邊緣恢復(fù)出來(lái)，變成尋常所說(shuō)的“數(shù)字信號(hào)〞。條碼掃描器經(jīng)過(guò)對(duì)條碼圖形的光電轉(zhuǎn)換、放大和整形，其中信號(hào)整形部分由信號(hào)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(hào)處理成為標(biāo)準(zhǔn)電位的矩形波信號(hào)，其高低電平的寬度和條碼符號(hào)的條空尺寸相對(duì)應(yīng)。這樣就可以按高低電平持續(xù)的時(shí)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(duì)條碼的矩形波信號(hào)進(jìn)行譯碼，其結(jié)果通過(guò)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(jìn)行譯碼，由譯碼單元譯出其中所含信息。各種條碼符號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)譯碼算法來(lái)自于各個(gè)條碼符號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.條形掃描器分類(lèi)

除一、二維條碼掃描器分類(lèi)，還可分類(lèi)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(shì)：

掃描器內(nèi)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部分，壽命長(zhǎng)

價(jià)格低廉

選擇時(shí)的主要參數(shù)：

景深優(yōu)秀的CCD無(wú)須緊貼條碼即可識(shí)讀，而且體積適中，操作舒適。

分辯率低價(jià)CCD的分辯率較低，一般是指512像素，用于識(shí)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(dá)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(dá)帶動(dòng)一個(gè)棱鏡組旋轉(zhuǎn)，使二極管發(fā)出的單點(diǎn)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(gè)別型號(hào)可以達(dá)到100次／秒。顫鏡式的成本也較低。

在選擇激光掃描器時(shí)，最重要的是掃描速度和分辯率，而景深并不關(guān)鍵。由于當(dāng)景深加大時(shí)，分辯率會(huì)明顯降低。優(yōu)秀的手持激光掃描器應(yīng)當(dāng)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(guò)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(dá)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(dòng)。選擇時(shí)的本卷須知：

在一個(gè)方向上有多條平行線；在某一點(diǎn)上有多條掃描線通過(guò)；

在一定的空間范圍內(nèi)各點(diǎn)的解讀機(jī)率趨于一致。能同時(shí)滿足這三點(diǎn)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(jiǎn)單，最大的好處就是即插即用，并且不會(huì)由于條碼掃描器的故障造成鍵盤(pán)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(jì)算機(jī)的連接上。PS/2接口是最早成熟起來(lái)的條碼掃描器接口，該接口除了可以與計(jì)算機(jī)連接外（具有PS/2接口的計(jì)算機(jī)），更被大量應(yīng)用于與商業(yè)POS機(jī)做通訊接口，該接口最大的缺點(diǎn)是會(huì)因掃描器的故障造鍵盤(pán)外設(shè)的無(wú)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(yuǎn)、可構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，可被應(yīng)用到生產(chǎn)線條碼數(shù)據(jù)采集、PLC聯(lián)動(dòng)順序控制等場(chǎng)合。2.掃描槍接口：

掃描槍的常用接口類(lèi)型有以下三種：(1)SCSI（小型計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口）：此接口最大的連接設(shè)備數(shù)為8個(gè)，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(jī)上一般要另加SCSI卡，簡(jiǎn)單產(chǎn)生硬件沖突，但是功能強(qiáng)大。(2)EPP（加強(qiáng)型并行接口）：一種加強(qiáng)了的雙向并行傳輸接口，最高傳輸速度為1．5Mbps。優(yōu)點(diǎn)是不需在PC中用其它的卡，無(wú)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(jiǎn)單。缺點(diǎn)是速度比SCSI慢。此接口因安裝和使用簡(jiǎn)單便利而在中低端對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合取代SCSI接口。

(3)USB（通用串行總線接口）：最多可連接127臺(tái)外設(shè)，現(xiàn)在的USB1.1標(biāo)準(zhǔn)最高傳輸速度為12Mbps，并且有一個(gè)輔通道用來(lái)傳輸?shù)退贁?shù)據(jù)。在將來(lái)假使有了USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的掃描槍速度可能會(huì)擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，沒(méi)有一種閱讀器能夠在所有方面都具有優(yōu)勢(shì)，下面探討每一種閱讀器的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

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(jì)的一種條碼閱讀器。使用時(shí)，操需將光筆接觸到條碼表面，通過(guò)光筆的鏡頭發(fā)出一個(gè)很小的光點(diǎn)，當(dāng)這個(gè)光點(diǎn)從左到右劃過(guò)條碼時(shí)，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(gè)變化的電壓，這個(gè)電壓通過(guò)放大、整形后用于譯碼。光筆的優(yōu)點(diǎn)主要是：與條碼接觸閱讀，能夠明確哪一個(gè)是被閱讀的條碼；閱讀條碼的長(zhǎng)度可以不受限制；與其它的閱讀器相比成本較低；內(nèi)部沒(méi)有移動(dòng)部件，比較穩(wěn)固；體

積小，重量輕。缺點(diǎn)：使用光筆會(huì)受到各種限制，譬如在有一些場(chǎng)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(shí)，光筆才能發(fā)揮它的作用；而且操作人員需要經(jīng)過(guò)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(dāng)都會(huì)影響它的閱讀性能；最終，由于它必需接觸閱讀，當(dāng)條碼在因保存不當(dāng)而產(chǎn)生損壞，或者上面有一層保護(hù)膜時(shí)，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(jià)格沒(méi)有激光閱讀器貴，而且內(nèi)部沒(méi)有移動(dòng)部件。CCD閱讀器使用一個(gè)或多個(gè)LED，發(fā)出的光線能夠覆蓋整個(gè)條碼，條碼的圖像被傳到一排光上，被每個(gè)單獨(dú)的光電二激管采樣，由鄰近的的探測(cè)結(jié)果為“黑〞或“白〞區(qū)分每一個(gè)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(gè)“條〞或“空〞，而是條碼的整個(gè)部分，并轉(zhuǎn)換成可以譯碼的電信號(hào)。

優(yōu)點(diǎn)：與其它閱讀器相比，CCD閱讀器的價(jià)格較低廉，但同樣有閱讀條碼的密度廣泛，簡(jiǎn)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(diǎn)：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(shí)候會(huì)有困難；在一些需要遠(yuǎn)距離閱讀的場(chǎng)合，如倉(cāng)庫(kù)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(shí)，CCD也不是很好的選擇，信息很長(zhǎng)或密度很低的條碼很簡(jiǎn)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(gè)LED的條碼閱讀器中，任意一個(gè)的LED故障都會(huì)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(jī)率高。激光槍的工作原理

激光掃描儀是各種掃描器中價(jià)格相對(duì)較高的，但它所能提供的各項(xiàng)功能指標(biāo)最高，因此在各個(gè)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(guò)一個(gè)激光二極管發(fā)出一束光線，照射到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的棱鏡或來(lái)回?fù)u擺的鏡子上，反射后的光線穿過(guò)閱讀窗照射到條碼表面，光線經(jīng)過(guò)條或空的反射后返回閱讀器，由一個(gè)鏡子進(jìn)行采集、聚焦，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)將通過(guò)掃描期或終端上的譯碼軟件進(jìn)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(jiǎn)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(chǎng)合，有效解放雙手工作。優(yōu)點(diǎn)：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(guò)30cm時(shí)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(guò)玻璃或透明膠紙閱讀，由于是非接觸閱讀，因此不會(huì)損壞條碼標(biāo)簽；由于有較先進(jìn)的閱讀及解碼系統(tǒng)，首讀識(shí)別成功率高、識(shí)別速度相對(duì)光筆及CCD更快，而且對(duì)印刷質(zhì)量不好或模糊的條碼識(shí)別效果好；誤碼率極低（僅約為三百萬(wàn)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(diǎn)：激光掃描儀的唯一的缺點(diǎn)是它的價(jià)格相對(duì)較高，但假使從購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用與使用費(fèi)用的總和計(jì)算，與CCD閱讀器并沒(méi)有太大的區(qū)別。

CCD和CMOS的不同之處

CCD與CMOS傳感器是當(dāng)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(jìn)

行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?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(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)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(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類(lèi)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(shí)不會(huì)失真，因此各個(gè)象素的數(shù)據(jù)可集聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，必需先放大，再整合各個(gè)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(gè)象素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個(gè)象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)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(gè)象素不能運(yùn)行，就會(huì)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(yàn)的廠商也很難在產(chǎn)品問(wèn)世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會(huì)高于CMOS傳感器。

3.分辯率差異：如上所述，CMOS傳感器的每個(gè)象素都比CCD傳感器繁雜，其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平，因此，當(dāng)我們比較一致尺寸的CCD與CMOS傳感器時(shí)，CCD傳感器的分辯率尋常會(huì)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(dá)到210萬(wàn)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(dá)513萬(wàn)象素，象素