工业条码扫描产品硬件总体设计与研究

关键词：工业；扫码器；条码；多色照明

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）28-0102-03

0 引言

随着社会生活水平不断提高，消费者对产品安全和质量的需求日益增长，条码追溯作为一种广泛应用于现代工业生产的技术手段。目前，手机制造企业、电池生产商、PCB 自动化生产线等制造业已广泛应用条码追溯技术。工业制造厂商生产线上的条码类型多样，包括喷墨码、激光镭雕码、撞针打孔码、镜面码等。然而，传统的扫码方式往往需要使用不同类型的扫码器，或借助外置光源辅助条码识读，这不仅增加了产线作业人员的负担，也提高了生产制造成本。

工业扫码器能识别制造场景中各类条码，保证条码识别准确率，提高产线条码识读效率，降低生产制造设备投入成本是必不可少的考量因素。本文将对工业制造场景条码扫码器的硬件设计进行分析研究。

1 工业扫码器硬件设计思路

1） 整机设计需遵循国家安全、质量、环保等相关法规要求。

2） 扫码器定位为工业制造自动化生产线的条码识别设备，设计应符合工业制造应用场景，产品需小型化、耐跌落、识读精准快速。

3） 扫码器主要用于生产线上的工业品条码识读，因此其数据上传接口应适配生产线上常用的通信接口。同时，为确保扫码器能高速识读多色条码，其图像采集应选用支持快速曝光的图像传感器，照明系统则应采用多种颜色的光源和不同的光反射方式。

4） 扫码器主要硬件性能指标要求：运动容差≥2m/s；条码识别精度 3mil；条码识读景深范围宽；条码误码率低于百万分之一。

5） 产品结构设计需满足安装简单、售后维修简便的要求。

2 扫码器硬件总体设计

2.1 主要参数的确定

扫码器的主要性能参数是硬件设计的依据，其中主要包括通信接口、条码识读速率、条码识读精度、环境适应性、可靠性等参数。

2.2 整机方框图

该产品主要由电源模块、晶体电路、复位电路、DDR、flash、图像传感器、照明系统、对焦灯、指示灯、蜂鸣器和输出通信接口组成。为了减小产品体积并方便后期维护，可以将产品分解为主板、Sensor板、接口板和光源板，并通过连接座连接，提高空间利用率。产品整体框图，如图 1 所示。

2.3 整机环境适应性参数设计

产品主要应用于电子制造业、新能源、PCB 生产等行业，这些行业的工作环境复杂且多变。在产品设计过程中，需要充分考虑设备在工业制造生产线中可能面临的环境温度和湿度变化、机台振动、操作人员静电等问题。基于保障产品能够稳定运行，其环境适应性的要求较高：

1） 工作温度：-20℃ ～ 50℃；

2） 工作湿度：0%～95%（无凝结）；

3） ESD：空气±16kV/接触±8kV；

4） IP防护等级：IP67；

5） 振动： 符合IEC 60068-2-6规范要求；

6） 冲击：符合IEC60068-2-27规范要求。

2.4 整机可靠性设计

工业生产制造自动化生产线要求高速高效，设备一旦出现故障就会导致生产线停滞，造成时间和人员成本的损失。工业级读码产品需要具备更高的可靠性，从整个系统架构上进行可靠性设计。产品设计需要满足以下可靠性设计要素：

1） 电路中所涉及的物料均需考虑降额设计。

2） 各个接口部分均需做好ESD、浪涌、雷击等防护。

3） 电路要有电压与电流检测设计，实现过压与过流报警。

4） 抗振措施：对于板卡上具有一定重量的器件或部件，需点胶固定。

5） 系统异常自动恢复机制。

2.5 电源设计

扫码器在补光时需要短时间内提供大电流，这可能会导致系统电源网络的波动。在设计电源方案时，需要收集各个器件的电压和电流需求，并根据芯片的上电时序要求来设计整个产品的系统电源树。基于稳定高效的电源网络设计，我们需要考虑以下因素：

1） 综合考虑电源的转换效率和电源电路成本，做出合理选择。

2） 依据芯片对电源纹波噪声的要求，选择 DCDC或 LDO 方案。输出滤波电路作为电源输出端的关键部分，能有效消除高频噪声和纹波，保证输出电压和电流的稳定。

3） 根据产品的结构尺寸，考虑采用分体电源设计或使用电源管理 IC。

4） 电源布局设计中，需注意环路等效阻抗，尽量降低环路阻抗，以减少电源波动。

5） 在进行大电流电源设计时，需选择合适的控制策略，如积分控制、积分微分控制等，以确保电源的稳定性和瞬态响应性能。在选用控制策略时，需综合考虑系统的稳定性和瞬态响应性能，以优化响应速度和稳态误差。

2.6 复位信号设计

CPU内部通常集成了POR电路。如果没有，可使用外部复位。为确保芯片正常工作，最短复位时间应为100个主时钟周期（请参阅芯片手册）。复位信号通常需要连接100nF电容，以消除复位信号上的抖动，防止误触发复位。在布局时，请将该电容靠近芯片管脚放置。

2.7 CPU模块设计

CPU模块的设计要素包括数据路径、控制单元、存储单元、时钟电路、通信电路以及逻辑门电路的实现。在设计CPU模块时，数据路径的宽度和深度会影响数据处理的速度和效率。控制单元需要负责指挥数据路径的执行顺序和控制信号的产生。存储单元用于存储指令和数据，时钟电路用于提供时钟信号，通信电路用于与外部设备进行通信，逻辑门电路用于实现各种逻辑功能。

在选择CPU时，需要考虑内核架构、主频、运算能力、处理器个数、字长、外接模块接口、功耗等信息。

1） CPU 的内核架构包括指令集架构和微架构。不同的微架构会影响CPU的性能和功耗。

2） CPU 的主频、运算能力及处理器核心数量是CPU处理速度的关键因素。

3） CPU的字长是指CPU一次能够处理的数据位数，它会影响CPU的处理精度。外接模块接口用于连接CPU与外部设备，不同的接口类型会影响CPU的扩展性和应用领域。功耗是指CPU工作时所消耗的能量，它会影响CPU的散热和续航能力。

在设计CPU外部电路时，需要根据产品的功能和性能需求来选择合适的CPU芯片，并合理布局电路，确保电路的稳定性和可靠性。

2.8 内存模块设计

内存主要用于数据缓存，其设计需要考虑CPU平台支持的DDR类型、最大容量和时钟频率。同时，还需要根据图像传感器像素大小、缓存图像数量、主程序资源需求和条码识别速度等因素进行选型。

在选型时，需要综合考虑数据带宽、读写速度、功耗和成本等因素，并选择合适的内存容量和频率，以满足系统的性能需求。此外，还需要考虑内存的可靠性和稳定性，以确保系统的长期稳定运行[1]。

2.9 Flash模块设计

Flash 的选型需根据CPU 支持的类型来确定。

Flash的主要用途包括程序代码存储、系统冗余备份和用户现场数据存储。因此，在选择芯片存储容量时，需确保其满足产品运行的需求。为了未来的扩展性和升级考虑，可适当预留一定的存储空间。

2.10 图像传感器模块

图像传感器的选型与读码速度、识别条码的精度、运动容差等重要参数密切相关。在选型时，需要关注表 1 中的参数，包括图像帧率、像素、曝光方式、图像颜色、图像位数等图像传感器的关键参数。

1） 像素的多少、像元的大小、镜头的焦距和视场角共同决定了扫码器所能拍摄到的图像尺寸和条形码的精度。

2） 根据产品的视场角、景深范围以及最大运动容差，可以计算出条形码在扫码器视野内的停留时间T。通常情况下，需要在视野范围内拍摄3张以上的图像，因此图像传感器的帧率应大于3/T。

3） 工业读码器需要识别高速移动的条形码，因此图像传感器的曝光方式应选择全局曝光。由于彩色图像处理速度远低于黑白图像，因此在大多数情况下，会结合CPU 图像处理模块来选择图像的色彩模式。

4） 成像质量是图像传感器的一个核心指标，它包括暗电流、暗噪声、灰阶等级、信噪比、动态范围和量子效率等。为了满足项目的要求，需要严格控制图像传感器模块的电流纹波噪声，可以采用LDO电源设计。同时，还需要设计散热方案来控制图像模块的温升[2]。

2.11 照明模块

照明系统是呈现条码与背景对比度强弱的关键。由于条码的背景颜色多样，设计照明系统时可以使用不同颜色的灯光进行补光，实现增加条码对比度的目的。

1） 使用同色系的颜色进行照明，可以让特征更亮，接近白色。

2） 使用互补色的颜色进行照明，可以让特征更暗，接近黑色。

3） 白光是混合光，会使所有的颜色产生对比度。

备注：红绿蓝是光谱的三基色，而其中一个颜色的补色光是另外两个颜色的混合色。色环中相对的颜色为互补色，相邻的颜色为同色系[3]。

同时采用直接照明、间接照明两种照明方式，可有效识别各种类型表面不同反光程度的条码，满足不同条码的应用场景需求。

1） 直接照明采用高亮LED白光光源高亮度照明，对于常规条码及低反光条码有着良好的成像效果。

2） 间接照明产生均匀漫反射照明效果，有效解决条码的反光问题，提高条码的成像质量。尤其对于金属反光、不规则、弯曲表面上的码有着明显的优势，有效地弥补了直接照明的劣势[4]。不同的光色和照明方式会使相同的图像传感器拍摄出截然不同的图像，如图 2 所示。

2.12 EMC设计

在工业生产线环境中，电子和机械设备种类繁多，结构复杂，这些设备在线体上协同工作时，容易引发电磁场的相互干扰。因此，在产品电路设计时，必须考虑以下几个方面，以确保产品满足安全和质量要求。

1） 在每块板子的四周预留一圈外壳接地，螺丝孔与外壳接地相连，每块板至少保证有4个连接位置。

2） 各个子板内的时钟类信号，均需要在源端就近串接电阻和电容，以减少对外辐射。

3） 各个子板的对外连接处都需要放置皮法级的电容，为高频噪声提供低阻抗回流路径。

4） 接口电路需要考虑浪涌、静电等措施，通过串接磁珠、共模电感等措施有效减少对外的辐射程度。

5） 照明控制需要考虑储能设计，避免照明的PWM 控制导致线路电源严重抖动，产生低频电源噪声[5]。

3 结束语

通过以上对工业扫码器硬件设计的分析，可以看出，工业扫码器的整体设计是一个较为复杂的系统工程，其应用的行业非常广泛。随着制造行业产品的小型化、多样化，条码也将变得越来越小，同时还将出现各种各样的 DPM 码。工业扫码器也将变得越来越先进。