全向掃描條碼識讀器的譯碼硬件系統設計

　　條碼技術(shù)為快速準確的數據采集、數據錄入提供了有效、可靠的手段，它與計算機、網(wǎng)絡(luò )通訊等一起構成了現代商業(yè)自動(dòng)化的基礎，在發(fā)達國家得到了非常普通的應用，如在超級市場(chǎng)中大量使用的激光全向掃描識讀器。全向識讀器一方面能幫助商場(chǎng)提高工作效率而產(chǎn)生效益，另一方面，它具有高的附加值能使制造者獲利。隨著(zhù)國際市場(chǎng)一體化的趨勢，我國商品條形碼的普及率越來(lái)越高，條碼輸入設備作為信息化技術(shù)之一受到高度重視。
　　高速譯碼是全向掃描識讀器的關(guān)鍵。全向掃描識讀器在工作時(shí)有它的特殊性，一方面，光點(diǎn)掃描速度很高，條碼的最小條、空對應的脈沖寬度僅為1～2μs；另一方面，在掃描信號中可能會(huì )有大量雜散背景存在，如掃描到的文字、圖案、或未被完整掃描的條碼，再考慮到自動(dòng)碼制識別，這意味著(zhù)譯碼系統在真正譯碼前有大量的預處理工作。按照我國目前的微電子工藝水平，還無(wú)力研制全集成的高速硬件譯碼芯片，而僅基于單片機的軟件譯碼系統的速度不能滿(mǎn)足譯碼要求，下面我們采用了用硬件預處理結合軟件譯碼的方法實(shí)現高速譯碼。

1　識讀器原理
　　光學(xué)系統包括半導體激光器發(fā)射系統和光學(xué)轉鏡掃描機構，它們在工作區域產(chǎn)生所需的多線(xiàn)掃描圖案，保證當條碼以任何方向移過(guò)工作區時(shí)必定被掃描到。當光點(diǎn)掃描一條碼時(shí)，漫反射光強隨光點(diǎn)落在條(低反射率)或空(高反射率)上的反射率不同而變化。這個(gè)信號幅度變化的時(shí)間間隔反映條碼的條空的寬窄，光電接收系統接收從條碼上漫反射回來(lái)的光信號，經(jīng)整形后轉換成可供譯碼的脈沖信號。高速譯碼器將脈沖信號翻譯成為被掃描的條碼所代表的值，并通過(guò)輸出接口電路輸出該條碼值

2　高速譯碼系統設計
　　我們目前的研制主要針對常用商品條碼，每種條碼都有自已的特征。以EAN碼(EAN-13碼，EAN-8碼)為例，碼串由起始符、數據符、中間符、數據符和結束符組成。起始符由一個(gè)寬空和三個(gè)等寬度(單位寬度)的條空條組成，寬空的寬度應至少8倍于單位寬度；中間符由五個(gè)等寬度(單位寬度)的空條空條空組成；結束符由三個(gè)等寬度(單位寬度)的條空條和一個(gè)寬空組成。在數據符中，每個(gè)數據由四個(gè)條空組成，寬度比在1～4之間，總寬度為7個(gè)單位寬度，碼串的總長(cháng)度也是確定的。這些特征是EAN碼信號區別于背景信號的根據。
　　在光學(xué)系統中，光點(diǎn)掃描的線(xiàn)速度約為60～120m/s。一般，條碼條空的最小寬度約0.25mm，最寬約2.5mm左右，因此，最小脈沖寬度約2μs，最大脈沖寬度40μs。當商品移過(guò)掃描區時(shí)，掃描到的文字，圖案和未被完整掃描的條碼形成雜散背景，再考慮到自動(dòng)碼制識別，如果只用簡(jiǎn)單的單片機系統，則譯碼速度太慢，不能滿(mǎn)足要求。因此，在我們的設計中，譯碼硬件系統包括預處理單元和單片機譯碼單元兩部分。
2.1　預處理單元
　　預處理單元完成從信號序列中實(shí)時(shí)提取條碼信號并保存在數據緩沖區的功能，對條碼的譯碼由單片機完成。

輸入信號為已經(jīng)整形的脈沖數字信號，脈沖寬度對應于條碼條、空及雜散線(xiàn)條的寬度，為模擬量。在預處理中首先用非線(xiàn)性計數器對該寬度進(jìn)行模數轉換，分辨率為9位，當寬度超過(guò)9位時(shí)，計數值鎖定在滿(mǎn)度。用非線(xiàn)性除法器計算相鄰條、空或空、條的寬度比?？紤]到條碼印刷、掃描光點(diǎn)及電子電路等環(huán)節會(huì )給寬度帶來(lái)誤差，寬度比不會(huì )是理論上的整數，因此，非線(xiàn)性除法器設計成誤差包容，且輸出經(jīng)過(guò)取整和分類(lèi)，僅為多個(gè)有效比值1、2、3、4、8和一個(gè)異常比值0。比值進(jìn)入一系列狀態(tài)機進(jìn)行狀態(tài)計算，狀態(tài)機的數量與條碼種類(lèi)數及每類(lèi)條碼的特征數有關(guān)。每類(lèi)條碼占用獨立的一組狀態(tài)機，對EAN碼，有三個(gè)狀態(tài)機，分別檢測起始符、中間符和結束符。當以空起頭的連續四個(gè)條空其寬度比滿(mǎn)足7：1：1時(shí)，判斷為一個(gè)有效的起始符，起始符狀態(tài)機輸出為真；當以空起頭的連續五個(gè)條空其寬度比滿(mǎn)足1：1：1：1時(shí)，判斷為一個(gè)有效的中間符，中間符狀態(tài)機輸出為真；當以條起頭的連續四個(gè)條空其寬度比滿(mǎn)足1：1：7時(shí)，判斷為一個(gè)有效的結束符，結束符狀態(tài)機輸出為真。因此，根據狀態(tài)機的輸出真假及順序判斷一段信號是否是條碼，作出的判斷產(chǎn)生緩沖區的控制信號，決定是否把當前的輸入信號保存。當找出一組條碼信號后，產(chǎn)生聯(lián)絡(luò )信號通知單片機進(jìn)行譯碼。輸出信號包括數字化的條、空的寬度和聯(lián)絡(luò )信號。由于狀態(tài)計算及狀態(tài)判斷是實(shí)時(shí)和并行的，所以可實(shí)現實(shí)時(shí)判斷條碼種類(lèi)、阻止非條碼信號進(jìn)入緩沖區等功能。
　　預處理單元采用可編程邏輯器件實(shí)現，具有高的集成度和可靠性。用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設計，在軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下用測試矢量進(jìn)行100%的設計功能測試，測試通過(guò)后硬件不需要再調試，因此研制效率很高。預處理響應時(shí)間應不大于最小條碼寬度所對應的時(shí)間，我們取1μs。按框圖，預處理分6個(gè)步驟，其中非線(xiàn)性除法器延時(shí)不大于200ns，其余每個(gè)步驟延時(shí)不大于50ns，總延時(shí)不大于500ns。我們采用美國Atmel公司的EPLD器件ATV2500，用2片芯片實(shí)現了上述功能。經(jīng)使用表明預處理響應時(shí)間小于1μs，達到設計要求。
2.2　單片機譯碼單元
　　條碼值的翻譯用單片機完成。單片機采用美國Dallas公司的80C320，它是內核改進(jìn)型的51系列單片機，有中等的運算速度。系統原理如圖3所示，整個(gè)電路以單片機為核心，包括存放程序的存儲器、預處理器接口電路、激光二極管控制電路、RS-232串行通訊接口電路、仿鍵盤(pán)輸出接口電路、電機控制電路和用以指示譯碼成功的發(fā)聲發(fā)光電路。輸入數據來(lái)自數據緩沖區，由于緩沖區的數據已基本上是條碼數據，單片機只須進(jìn)行單一的碼值譯碼，對運算速度要求大大降低。軟件設計包括對信號的進(jìn)一步篩選，碼值的確定，奇偶校驗；轉鏡電機與激光二極管的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，任選的RS-232串行通訊或仿健盤(pán)輸出方式與主機通訊，以及表明譯碼成功的聲光指示等。程序用C-51語(yǔ)言編寫(xiě)，無(wú)糾錯的一次譯碼約需10ms，一位糾錯的一次譯碼約需40ms。最終輸出采用3取2策略，以提高正確率。

總之，把高速譯碼系統與光學(xué)掃描系統連用后組成的識讀器，經(jīng)實(shí)測具有良好的性能，其譯碼速度和成功率達到了實(shí)際使用要求。

作者單位：杭州市浙江大學(xué)光電系(310027)

參考文獻

　[1]John A.Boles and Randall K. Hems. Analysis of bar code digitization technique.SPIE Proc. 1990；1384：195-204