全向掃描條碼識讀器的譯碼硬件系統(tǒng)設計

　　條碼技術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、網絡通訊等一起構成了現(xiàn)代商業(yè)自動化的基礎，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提高工作效率而產生效益，另一方面，它具有高的附加值能使制造者獲利。隨著國際市場一體化的趨勢，我國商品條形碼的普及率越來越高，條碼輸入設備作為信息化技術之一受到高度重視。
　　高速譯碼是全向掃描識讀器的關鍵。全向掃描識讀器在工作時有它的特殊性，一方面，光點掃描速度很高，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，再考慮到自動碼制識別，這意味著譯碼系統(tǒng)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(tǒng)的速度不能滿足譯碼要求，下面我們采用了用硬件預處理結合軟件譯碼的方法實現(xiàn)高速譯碼。

1　識讀器原理
　　光學系統(tǒng)包括半導體激光器發(fā)射系統(tǒng)和光學轉鏡掃描機構，它們在工作區(qū)域產生所需的多線掃描圖案，保證當條碼以任何方向移過工作區(qū)時必定被掃描到。當光點掃描一條碼時，漫反射光強隨光點落在條(低反射率)或空(高反射率)上的反射率不同而變化。這個信號幅度變化的時間間隔反映條碼的條空的寬窄，光電接收系統(tǒng)接收從條碼上漫反射回來的光信號，經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，并通過輸出接口電路輸出該條碼值

2　高速譯碼系統(tǒng)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。起始符由一個寬空和三個等寬度(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；中間符由五個等寬度(單位寬度)的空條空條空組成；結束符由三個等寬度(單位寬度)的條空條和一個寬空組成。在數據符中，每個數據由四個條空組成，寬度比在1～4之間，總寬度為7個單位寬度，碼串的總長度也是確定的。這些特征是EAN碼信號區(qū)別于背景信號的根據。
　　在光學系統(tǒng)中，光點掃描的線速度約為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。當商品移過掃描區(qū)時，掃描到的文字，圖案和未被完整掃描的條碼形成雜散背景，再考慮到自動碼制識別，如果只用簡單的單片機系統(tǒng)，則譯碼速度太慢，不能滿足要求。因此，在我們的設計中，譯碼硬件系統(tǒng)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時提取條碼信號并保存在數據緩沖區(qū)的功能，對條碼的譯碼由單片機完成。

輸入信號為已經整形的脈沖數字信號，脈沖寬度對應于條碼條、空及雜散線條的寬度，為模擬量。在預處理中首先用非線性計數器對該寬度進行模數轉換，分辨率為9位，當寬度超過9位時，計數值鎖定在滿度。用非線性除法器計算相鄰條、空或空、條的寬度比?？紤]到條碼印刷、掃描光點及電子電路等環(huán)節(jié)會給寬度帶來誤差，寬度比不會是理論上的整數，因此，非線性除法器設計成誤差包容，且輸出經過取整和分類，僅為多個有效比值1、2、3、4、8和一個異常比值0。比值進入一系列狀態(tài)機進行狀態(tài)計算，狀態(tài)機的數量與條碼種類數及每類條碼的特征數有關。每類條碼占用獨立的一組狀態(tài)機，對EAN碼，有三個狀態(tài)機，分別檢測起始符、中間符和結束符。當以空起頭的連續(xù)四個條空其寬度比滿足7：1：1時，判斷為一個有效的起始符，起始符狀態(tài)機輸出為真；當以空起頭的連續(xù)五個條空其寬度比滿足1：1：1：1時，判斷為一個有效的中間符，中間符狀態(tài)機輸出為真；當以條起頭的連續(xù)四個條空其寬度比滿足1：1：7時，判斷為一個有效的結束符，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，作出的判斷產生緩沖區(qū)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，產生聯(lián)絡信號通知單片機進行譯碼。輸出信號包括數字化的條、空的寬度和聯(lián)絡信號。由于狀態(tài)計算及狀態(tài)判斷是實時和并行的，所以可實現(xiàn)實時判斷條碼種類、阻止非條碼信號進入緩沖區(qū)等功能。
　　預處理單元采用可編程邏輯器件實現(xiàn)，具有高的集成度和可靠性。用硬件描述語言進行設計，在軟件開發(fā)環(huán)境下用測試矢量進行100%的設計功能測試，測試通過后硬件不需要再調試，因此研制效率很高。預處理響應時間應不大于最小條碼寬度所對應的時間，我們取1μs。按框圖，預處理分6個步驟，其中非線性除法器延時不大于200ns，其余每個步驟延時不大于50ns，總延時不大于500ns。我們采用美國Atmel公司的EPLD器件ATV2500，用2片芯片實現(xiàn)了上述功能。經使用表明預處理響應時間小于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，它是內核改進型的51系列單片機，有中等的運算速度。系統(tǒng)原理如圖3所示，整個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。輸入數據來自數據緩沖區(qū)，由于緩沖區(qū)的數據已基本上是條碼數據，單片機只須進行單一的碼值譯碼，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開啟和關閉，任選的RS-232串行通訊或仿健盤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語言編寫，無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(tǒng)與光學掃描系統(tǒng)連用后組成的識讀器，經實測具有良好的性能，其譯碼速度和成功率達到了實際使用要求。

作者單位：杭州市浙江大學光電系(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