幾種常用條碼讀取器工作原理的比較

摘 ? ?要：條形碼閱讀器（或條形碼掃描器、條形碼掃描槍、條形碼讀取器）是可以讀取和輸出印刷或電子顯示屏幕上的條形碼到計(jì)算機(jī)的電子裝置。像平板掃描器一樣，它由光源、透鏡和光學(xué)傳感器組成，將光學(xué)脈沖轉(zhuǎn)換成電子脈沖。此外，幾乎所有的條形碼閱讀器都包含解碼器電路，用于分析傳感器提供的條形碼圖像、數(shù)據(jù)并將條形碼的內(nèi)容傳送至掃描器的輸出端口。

激光條碼閱讀器因?yàn)槭强繂我卉壽E行程的往復(fù)式線性掃描來產(chǎn)生激光束同時偵測目標(biāo)條形碼反射回的激光強(qiáng)弱，所以僅可讀取一維的條形碼。CCD掃描器相比較于激光掃描器多了可以讀取電子屏幕的功能，但因?yàn)槠鋬H具備單行CCD取景器，所以亦只可以讀取一維條形碼;基于CMOS技術(shù)的條形掃描器對目標(biāo)物體進(jìn)行多行多列矩陣式掃描，最終產(chǎn)生一幅畫面，屬于整幅圖像采集所以其既可以讀取一維條碼又可以讀取二維條碼。

關(guān)鍵詞：條碼讀取器;激光;CCD;攝像頭

中圖分類號：TP391.44 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1004-7344（2019）03-0217-04

如今，在我們生活當(dāng)中越來越離不開條形碼的存在，隨處可見的各種一維碼、二維碼大大提高了我們的工作效率及管理能力，于此基礎(chǔ)上，同時又衍生出了一大批新生事物，目前條形碼已經(jīng)滲透應(yīng)用于各種領(lǐng)域中的各個行業(yè)。近年來，隨著條碼技術(shù)的迅速普及，與之相匹配的條形碼讀取設(shè)備亦得到了長足的發(fā)展，技術(shù)上的革新亦是突飛猛進(jìn)。本文將重點(diǎn)討論一下目前市面上幾種主流條形碼閱讀設(shè)備讀取條形碼的基本工作原理與特點(diǎn)。

1 ?條形碼閱讀器介紹

1.1 ?簡 介

條形碼閱讀器（或條形碼掃描器、條形碼掃描槍、條形碼讀取器）是可以讀取和輸出印刷或電子顯示屏幕上的條形碼到計(jì)算機(jī)的電子裝置。像平板掃描器一樣，它由光源、透鏡和光學(xué)傳感器組成，將光學(xué)脈沖轉(zhuǎn)換成電子脈沖。此外，幾乎所有的條形碼閱讀器都包含解碼器電路，用于分析傳感器提供的條形碼圖像、數(shù)據(jù)并將條形碼的內(nèi)容傳送至掃描器的輸出端口。

1.2 ?應(yīng)用領(lǐng)域

主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

零售業(yè)（如商場、超市中貨品上的商品碼）;

藥品監(jiān)管（政府部門對市面上流通的藥品進(jìn)行監(jiān)管的監(jiān)管碼）;

交通運(yùn)輸（如搭乘大眾運(yùn)輸工具、購火車票時所遇到的二維碼）;

倉儲、物流（倉庫、快遞、物流行業(yè)使用條形碼用于貨物管理）;

流動支付（例如：ApplePay、WechatPay、AliPay等）;

健康、醫(yī)療（保健、醫(yī)院）;

制造業(yè)（工廠中流水在線對產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)管理、對已銷售產(chǎn)品溯源）……等等。

1.3 ?主要生產(chǎn)廠家

其主要的生產(chǎn)廠商有：

美國：Symbol、Metrologic、Intermec、HHP、Honeywell;

歐洲：Datalogic、Opticon;

韓日：Danso臺灣：Champ、CipherLab、Zebex、Unitech;

國內(nèi)：NewLand、mindeo、XL-Scan……等。

2 ?條形碼閱讀器的分類

按應(yīng)用場合可分為：工業(yè)用和商業(yè)用;

按安裝方式可分為：手持式和固定式掃描器;

按讀碼能力可分為：一維掃描器和二維掃描器，其中二維掃描器可讀取一維條形碼，但一維掃描器不能讀取二維條形碼;

按傳輸方式可分為：有線和無線傳輸，其中有線傳輸又分為USB、RS-232和PS2等三種物理形式。無線傳輸按照頻率和協(xié)定又分為：433MHz（該無線電非全球性免費(fèi)頻段，僅適用于部分國家和地區(qū)）、2.4GHz、和Bluetooh。

按工作原理可分為：CCD掃描器、激光（雷射）式掃描器和影像式掃描器。

3 ?基本工作原理

條形碼讀取設(shè)備按照工作原理的不用分為三類，分別是：激光（只可讀取一維碼）、CCD（亦稱虹光只可讀取一維碼）和二維（可讀取一維和二維碼）。

3.1 ?激光條碼閱讀器

它使用激光束作為光源，并且通常采用往復(fù)式鏡子或旋轉(zhuǎn)棱鏡在條形碼上來回掃描激光束。光電二極管用于測量從條形碼反射回來的光的強(qiáng)度。讀取器發(fā)出的光的亮度隨數(shù)據(jù)模式快速變化，而光電二極管接收電路設(shè)計(jì)為僅檢測具有相同調(diào)制模式的信號。

（1）基本光學(xué)結(jié)構(gòu)（以手持式為例）

（2）基本工作原理

光學(xué)采集部分由激光發(fā)射二極管、聚光鏡、往復(fù)式運(yùn)動反射鏡片、驅(qū)動線圈及光電二極管等五大部件組成，接通電源后控制電路驅(qū)動電磁線圈（部件1）產(chǎn)生有規(guī)律的磁場作用于搖擺器后面的永磁體（部件6）以使反光鏡片做往復(fù)式搖擺運(yùn)動（見圖2），此時完成初始化。

當(dāng)主MCU（微控制單元Micro Control Unit）收到掃描指令時（行業(yè)術(shù)語稱之為-觸發(fā)、可以是按鍵、自動掃描信號、感測觸發(fā)或其類型中的一種），MCU開始驅(qū)動激光二極管（部件5）發(fā)射650nm的紅色激光束，經(jīng)由聚光鏡（部件3）中央處的小尺寸平面鏡（圖1中a標(biāo)示）反射至往復(fù)式反光鏡片（如圖2），因?yàn)閿[鏡是往復(fù)運(yùn)動的，所以會在目標(biāo)物體上出現(xiàn)一條激光掃描線。同時因?yàn)橛来朋w的往復(fù)運(yùn)動又使電磁線圈內(nèi)的另一繞組產(chǎn)生周期性的脈沖訊號，經(jīng)電路整形、放大處理后作為解碼用的時鐘訊號。

整個系統(tǒng)的光學(xué)路徑需要經(jīng)過精確調(diào)整，以使條碼讀取順暢，并兼顧到不同尺寸的條形碼。對于激光方案的閱讀器需要注意，擋塵鏡片不可垂直于發(fā)射光束放置，以防止其表面反射的光束沿原路徑返回影響到訊號接收通道（圖3）。此外對于擋塵鏡片和光訊號接收窗（圖1中8），需采用紅外專用鏡片以阻擋其他的雜亂光線進(jìn)入。

如圖3當(dāng)掃描線覆蓋到條形碼上，黑色部分會吸收光線白色部分則會反射光線，經(jīng)由條形碼發(fā)射回的強(qiáng)弱規(guī)律變化的光線經(jīng)過反光鏡（部件2）、聚光鏡（部件3）收集后再經(jīng)過接收窗（圖1中的a）到光電二極管將光訊號轉(zhuǎn)為電訊號。返回路徑（如圖2），光電二極管將接受到的光迅號放大和整形后的數(shù)據(jù)送至MCU在時鐘訊號的配合下進(jìn)行解碼。解碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)由相應(yīng)（預(yù)設(shè)）的輸出接口輸出至主設(shè)備（如電腦）。電路結(jié)構(gòu)如圖4。

（3）全方位條形碼閱讀器

此外還有一種全向掃描器使用星放射形式的一系列不同方向的直線或曲線做為其掃描線，一條利薩茹（Lissajous curve參見http：//en.wikipedia.org/wiki/Lissajous_curve）曲線或其他多角度排列投射在條碼符號上，無論何種方向，其中一條或多條將能夠穿過所有條碼符號的條形和空間。

幾乎所有的全向掃描器都是用激光。與簡單的單線激光閱讀器不同，它們產(chǎn)生不同方向的光束圖案，允許它們讀取呈現(xiàn)給它的條形碼它們中的大多數(shù)使用單個旋轉(zhuǎn)多面鏡和幾個固定鏡的排列來產(chǎn)生它們復(fù)雜的掃描圖案。

激光掃描器的解析度通過閱讀器發(fā)出的光點(diǎn)大小來衡量。如果此光點(diǎn)比條形碼中的任何條形或空間寬，則它將與兩個元素（兩個空格或兩個條形）重疊，并且可能產(chǎn)生錯誤的輸出。另一方面，如果使用太小的光點(diǎn)，則它可能會誤解條形碼上的任何點(diǎn)，從而導(dǎo)致最終輸出錯誤。最常用的尺寸是13thou（密耳，又稱英絲，是一個長度的單位，代表千分之一英寸。13thou=0.013in或0.33mm），但有些激光掃描器可以讀取尺寸小至3（0.003in或0.075mm）的條碼。大多數(shù)制造商以mil為單位公布條形碼解析度，mil與thou通用。必須以高解析率列印較小的條形碼才能準(zhǔn)確讀取。

3.2 ?CCD條碼閱讀器

（1）主要技術(shù)原理

CCD條碼閱讀器使用稱為CCD（Charge-Coupled Device電荷耦合器件）的半導(dǎo)體器件，其將光訊號轉(zhuǎn)化成電訊號。該器件使用在讀取器頭部排成一排的數(shù)千個微型光傳感器數(shù)組。每個傳感器都會測量緊靠其前方的光線強(qiáng)度。CCD讀取器中的每個單獨(dú)的光傳感器都非常小，并且因?yàn)橛袛?shù)千個傳感器排成一排，所以通過順序該行中每個傳感器中的電壓，在讀取器中產(chǎn)生于條形碼中的圖案相同的電壓模式。CCD讀取器和激光讀取器之間的重要區(qū)別在于CCD讀取器測量來自條形碼的反射的環(huán)境光，而激光讀取器測量來自讀取器自身的特定波長的發(fā)射光。

基于CCD方法的條形碼掃描器具有內(nèi)置燈，照射目標(biāo)條形碼對其進(jìn)行補(bǔ)光，并通過CCD捕獲其反射光以進(jìn)行讀取。條形碼被捕獲一次，并允許快速閱讀。因?yàn)闆]有活動部件，抗沖擊性極佳。

CCD感光元件是一個基于模擬訊號的設(shè)備。當(dāng)光投射到其表面時，將有訊號電荷產(chǎn)生。電荷訊號可以轉(zhuǎn)化成電壓，并按指定的時序?qū)D像信息輸出。接下來其他電路將這些訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號，以便微處理器進(jìn)行處理。

在一個用于感光的CCD中，有一個光敏區(qū)域（矽的外延層），和一個由移位寄存器制成的傳感區(qū)域（狹義上的CCD）。圖像透過透鏡投影在一列電容上（光敏區(qū)域），導(dǎo)致每一個電容都積累一定的電荷，而電荷的數(shù)量則正比于該處的入射光強(qiáng)。用于線掃描的一維電容陣列，每次可以掃描一單層的電容（如圖5所示）;而陣列中最后一個電容里的電荷，則將傳給一個電荷放大器，并將轉(zhuǎn)化為電壓訊號。通過重復(fù)這個過程，控制回路把整個陣列中的電荷轉(zhuǎn)化為一系列的電壓訊號并將這些訊號取樣，數(shù)碼化后輸出至后續(xù)電路處理。

（2）基本工作原理

接通電源后初始化過程和激光掃描設(shè)備大致相同，這里不在贅述。當(dāng)處理器收到觸發(fā)訊號后，驅(qū)動LED光源為目標(biāo)條形碼進(jìn)行補(bǔ)光，反射光線經(jīng)透鏡聚焦于CCD感光區(qū)域。白色條紋很好地反射光線，而黑色條紋幾乎不反射任何光線。CCD感測器將條形碼反射的光訊號轉(zhuǎn)換為有規(guī)律起伏的電訊號經(jīng)放大整形后輸送至MCU進(jìn)行解碼（如圖6）?；竟ぷ髟砣鐖D7。

3.3 ?基于攝像頭的掃描器

（1）CMOS與CCD的比較

二維成像掃描器是一種較新型的條碼閱讀器。他們使用相機(jī)和圖像處理技術(shù)來解碼條形碼?；跀z像機(jī)的條碼掃描器使用與CCD條形碼閱讀器相同的CCD或CMOS（在消費(fèi)級領(lǐng)域，早期主要以CCD傳感器為主流，現(xiàn)多被CMOS傳感器所替代）技術(shù)的小型攝像機(jī)，除了沒有單行傳感器外攝像機(jī)有數(shù)千至數(shù)萬行傳感器排列成二維陣列，以便它們可以生成一幅圖像。

CMOS傳感器通常比CCD傳感器消耗更少的功率，具有更少的圖像滯后，并且需要較少的專業(yè)制造設(shè)施。CMOS傳感器已經(jīng)在許多消費(fèi)應(yīng)用中找到了市場，特別是照相手機(jī)。它們還被用于其他領(lǐng)域，包括數(shù)字放射成像，軍用超高速圖像采集，安全攝像頭和光學(xué)滑鼠。制造商包括Aptina Imaging（該公司于2014年被安森美半導(dǎo)體收購），佳能，三星，意法半導(dǎo)體，東芝，OmniVision Technologies，索尼和Foveon等。CMOS型傳感器被廣泛使用，從高端數(shù)碼攝影到手機(jī)相機(jī)。

為了達(dá)到各種大批量應(yīng)用所需的性能水平，CMOS傳感器像素設(shè)計(jì)和制造技術(shù)現(xiàn)在比許多人預(yù)測的更接近CCD。集成和功耗是CMOS技術(shù)的決定性優(yōu)勢，而CCD保留了更高的成本效益適用性和性能。與最初的前景相反，加工晶圓的成本已經(jīng)證明不如CMOS的自動化優(yōu)勢。然而，晶圓尺寸，規(guī)模經(jīng)濟(jì)和代工廠特定的成本模型可能是支持一種技術(shù)而不是另一種技術(shù)的更大因素。無論晶圓尺寸如何，為了填充因子和其他原因，轉(zhuǎn)向更深亞微米技術(shù)的必要性已經(jīng)提供了制造過程中的工藝控制和清潔度（與不太先進(jìn)的制造工藝相比），可以提高產(chǎn)量，特別是對于大型芯片-區(qū)域傳感器。CCD技術(shù)的性能與CMOS技術(shù)不同。通常，在傳感器設(shè)計(jì)和制造過程中，使用CCD技術(shù)實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用的性能差異成本要低于CMOS。CMOS在整合度，低能耗和單電壓供應(yīng)能力方面做得很好，而密集的迭代工藝工程和器件設(shè)計(jì)使圖像質(zhì)素更高。

（2）CMOS與CCD的成本因素

將CMOS圖像質(zhì)量提高到與CCD相當(dāng)?shù)拇罅抗に嚬こ毯椭圃觳襟E的數(shù)量需要比最初預(yù)測的更昂貴的晶片處理。成本通常收到特定代工廠的商業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)和競爭動機(jī)的更大影響，而不是技術(shù)本身的選擇。用于制造CMOS和CCD圖像傳感器的晶圓尺寸往往存在明顯的差異，尺寸取決于代工廠是基于晶圓廠還是無晶圓廠以及是否正在調(diào)整、折舊邏輯或存儲器生產(chǎn)設(shè)施。例如：第三方代工廠通?？缮a(chǎn)CMOS圖像傳感器的200mm晶圓，而CCD代工廠通常生產(chǎn)150mm晶圓生產(chǎn)線。CMOS與CCD的封裝生產(chǎn)在150mm、200mm和300mm線上完成。更大的晶圓尺寸減少了每單位硅處理的人工成本。因此CCD或CMOS的較大晶片尺寸的可用性可能是整體生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的一個重要因素。制造一個或另一個的成本還取決于可用的晶片處理類型以及下游傳感器生產(chǎn)數(shù)量是否將承擔(dān)前期開發(fā)成本。

（3）與CCD相比，CMOS的優(yōu)勢

CMOS傳感器的一大優(yōu)點(diǎn)是它通常比CCD傳感器便宜，通常還具有更好的暈染控制（即從過度曝光的像素到其他附近像素的光電荷放電，亦成為開花或高光溢出）。在三傳感器相機(jī)系統(tǒng)中，使用單獨(dú)的傳感器與分束器棱鏡一起分辨圖像的紅色、綠色和藍(lán)色分量，三個CMOS傳感器是可以相同的，而大多數(shù)分光棱鏡要求其中一個CCD傳感器具有成為另外兩個的鏡像，以兼容的順序讀出圖像。與CCD傳感器不同，CMOS傳感器具有反轉(zhuǎn)傳感器元件尋址的能力。

（4）與CCD相比，CMOS的缺點(diǎn)

由于CMOS傳感器通常在大約1/60s或1/50s內(nèi)捕獲一行（取決于刷新率），因此可能導(dǎo)致[滾動快門]效果，其中圖像歪斜（向左傾斜或者右邊，取決于相機(jī)或拍攝對象的移動方向）。例如，當(dāng)跟蹤高速行駛的汽車時，汽車不會扭曲，但背景看起來會傾斜。幀傳輸CCD傳感器或[全局快門]CMOS傳感器沒有這個問題，而是立即將整個圖像捕獲到幀存儲器中。CMOS像素中的有源電路占據(jù)表面上的一些區(qū)域，該區(qū)域不是光敏的，降低了器件的光子檢測效率（背照式傳感器可以緩解這個問題）。但幀傳輸CCD對于幀存儲節(jié)點(diǎn)也具有大約一半的非敏感區(qū)域，因此相對優(yōu)勢取決于比較哪種類型的傳感器。

（5）基于CMOS攝像機(jī)的條碼閱讀器原理

如圖8所示，外界光線經(jīng)過鏡頭聚焦照射至CMOS圖像傳感器的感光區(qū)域，圖像傳感器將光線轉(zhuǎn)換為數(shù)碼化的圖像訊號（通常是RGB888或ITU-RBT.656傳輸）送至MCU進(jìn)行圖像處理。當(dāng)MCU接收到一幅圖像訊號后進(jìn)行圖像修正、條形碼解碼及數(shù)據(jù)輸出，完成一系列解碼動作。因?yàn)榍岸瞬杉氖钦嬅妫瑮l形碼程式解碼時是對整幅圖像做逐行掃描，所以對二維條碼進(jìn)行譯碼?；倦娐方Y(jié)構(gòu)如圖9。

4 ?總 結(jié)

通過對上述基于三種技術(shù)的條碼掃描器的基本工作原理可知，激光條碼閱讀器因?yàn)槭强繂我卉壽E行程的往復(fù)式線性掃描來產(chǎn)生激光束同時偵測目標(biāo)條形碼反射回的激光強(qiáng)弱，所以僅可讀取一維的條形碼（圖10）。并且經(jīng)過實(shí)際測驗(yàn)可知，電子設(shè)備的顯示熒幕不會反射激光，所以激光掃描器無法讀取手機(jī)或電腦顯示熒幕，但激光掃描器對于識讀列印不良，褶皺甚至撕裂的條形碼的能力及其靈敏程度高于CCD和二維影像式條碼閱讀產(chǎn)品;而基于單行CCD技術(shù)的掃描器既可以感知物體反射的光又可以偵測電子顯示屏發(fā)出的光線強(qiáng)弱，所以CCD掃描器相比較于激光掃描器多了可以讀取電子屏幕的功能，但因?yàn)槠鋬H具備單行CCD取景器，所以亦只可以讀取一維條形碼;基于CMOS技術(shù)的條形掃描器對目標(biāo)物體進(jìn)行多行多列矩陣式掃描，最終產(chǎn)生一幅畫面，屬于整幅圖像采集所以其既可以讀取一維條碼又可以讀取二維條碼。具體優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

基于攝像機(jī)的條形碼掃描設(shè)備除了手持式和平臺式的專業(yè)設(shè)備外，還有以下幾種：

（1）大型視野讀取器

使用高分辨率工業(yè)相機(jī)同時捕獲多個條形碼。出現(xiàn)在照片中的所有條形碼立即被譯碼（ImageID專利和代碼創(chuàng)建工具）或使用插件（例如Barcodepedia使用閃存應(yīng)用程式和一些用于查詢數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)攝像頭），已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了解決給定的選項(xiàng)任務(wù)。

（2）手機(jī)攝像頭

雖然沒有自動對焦的手機(jī)相機(jī)不適合閱讀一些常見的條形碼格式，但有針對手機(jī)進(jìn)行了二維條形碼優(yōu)化，以及QR碼（快速響應(yīng)）代碼和數(shù)據(jù)矩陣代碼，無論有沒有自動對焦，都可以快速準(zhǔn)確地讀取。

手機(jī)相機(jī)為消費(fèi)者開辟了許多應(yīng)用。例如：

①電影：DVD/VHS電影目錄;

②音樂：CD目錄-掃描時播放MP3;

③書籍目錄和設(shè)備。

a.雜貨，營養(yǎng)信息，使用最后一個項(xiàng)目時的購物清單等。

b.個人財(cái)產(chǎn)清單（用于保險和其他目的）在進(jìn)入時掃描到個人財(cái)務(wù)軟件中。之后，掃描的收據(jù)圖像可以自動與相應(yīng)的條目相關(guān)聯(lián)。之后，條形碼可用于快速清除不需要保留用于稅收或資產(chǎn)清單目的的紙質(zhì)副本。

c.如果零售商在允許下載電子副本的收據(jù)上設(shè)置條形碼或在2D條形碼中編碼整個收據(jù)，消費(fèi)者可以輕松地將數(shù)據(jù)導(dǎo)入個人財(cái)務(wù)，財(cái)產(chǎn)庫存和雜貨管理軟件?？梢宰詣幼R別在掃描器上掃描的收據(jù)，并將其與財(cái)務(wù)和財(cái)產(chǎn)清單軟件中的相應(yīng)條目相關(guān)聯(lián)。

d.消費(fèi)者從零售商角度進(jìn)行跟蹤（例如，通過讓消費(fèi)者掃描QR碼來跟蹤消費(fèi)者在銷售點(diǎn)購買的會員卡計(jì)劃）。

許多使用手機(jī)的企業(yè)應(yīng)用程序出現(xiàn)了：

訪問控制（例如，場地的票證驗(yàn)證），庫存報(bào)告（例如，跟蹤交付），資產(chǎn)跟蹤（例如，防偽）。

（3）智慧型手機(jī)

智慧型手機(jī)可以透過自己的Google Goggles應(yīng)用程式（現(xiàn)為GoogleLens）在Google的行動Android作業(yè)系統(tǒng)中使用。諾基亞的Symbian作業(yè)系統(tǒng)具有可掃描條形碼的條形碼掃描器，而mbarcode是Maemo作業(yè)系統(tǒng)的條形碼閱讀器。在AppleIOS中，條形碼閱讀器不會自動包含在內(nèi)，但有超過50種免費(fèi)或付費(fèi)應(yīng)用程式可用，具有掃描功能和硬鏈接到URI。借助BlackBerry設(shè)備，APPWorld應(yīng)用程序可以原生掃描條形碼。WindowsPhone8能夠通過Bling搜索用于程式掃描條形碼。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-12-5

作者簡介：張曉京（1966-），男，漢族，廣東廣州人，中級職稱，本科，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)（移動物聯(lián)）。