工業(yè)條碼掃描產(chǎn)品硬件總體設(shè)計(jì)與研究

關(guān)鍵詞：工業(yè)；掃碼器；條碼；多色照明

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）28-0102-03

0 引言

隨著社會(huì)生活水平不斷提高，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品安全和質(zhì)量的需求日益增長(zhǎng)，條碼追溯作為一種廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)手段。目前，手機(jī)制造企業(yè)、電池生產(chǎn)商、PCB 自動(dòng)化生產(chǎn)線等制造業(yè)已廣泛應(yīng)用條碼追溯技術(shù)。工業(yè)制造廠商生產(chǎn)線上的條碼類型多樣，包括噴墨碼、激光鐳雕碼、撞針打孔碼、鏡面碼等。然而，傳統(tǒng)的掃碼方式往往需要使用不同類型的掃碼器，或借助外置光源輔助條碼識(shí)讀，這不僅增加了產(chǎn)線作業(yè)人員的負(fù)擔(dān)，也提高了生產(chǎn)制造成本。

工業(yè)掃碼器能識(shí)別制造場(chǎng)景中各類條碼，保證條碼識(shí)別準(zhǔn)確率，提高產(chǎn)線條碼識(shí)讀效率，降低生產(chǎn)制造設(shè)備投入成本是必不可少的考量因素。本文將對(duì)工業(yè)制造場(chǎng)景條碼掃碼器的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

1 工業(yè)掃碼器硬件設(shè)計(jì)思路

1） 整機(jī)設(shè)計(jì)需遵循國(guó)家安全、質(zhì)量、環(huán)保等相關(guān)法規(guī)要求。

2） 掃碼器定位為工業(yè)制造自動(dòng)化生產(chǎn)線的條碼識(shí)別設(shè)備，設(shè)計(jì)應(yīng)符合工業(yè)制造應(yīng)用場(chǎng)景，產(chǎn)品需小型化、耐跌落、識(shí)讀精準(zhǔn)快速。

3） 掃碼器主要用于生產(chǎn)線上的工業(yè)品條碼識(shí)讀，因此其數(shù)據(jù)上傳接口應(yīng)適配生產(chǎn)線上常用的通信接口。同時(shí)，為確保掃碼器能高速識(shí)讀多色條碼，其圖像采集應(yīng)選用支持快速曝光的圖像傳感器，照明系統(tǒng)則應(yīng)采用多種顏色的光源和不同的光反射方式。

4） 掃碼器主要硬件性能指標(biāo)要求：運(yùn)動(dòng)容差≥2m/s；條碼識(shí)別精度 3mil；條碼識(shí)讀景深范圍寬；條碼誤碼率低于百萬(wàn)分之一。

5） 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足安裝簡(jiǎn)單、售后維修簡(jiǎn)便的要求。

2 掃碼器硬件總體設(shè)計(jì)

2.1 主要參數(shù)的確定

掃碼器的主要性能參數(shù)是硬件設(shè)計(jì)的依據(jù)，其中主要包括通信接口、條碼識(shí)讀速率、條碼識(shí)讀精度、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等參數(shù)。

2.2 整機(jī)方框圖

該產(chǎn)品主要由電源模塊、晶體電路、復(fù)位電路、DDR、flash、圖像傳感器、照明系統(tǒng)、對(duì)焦燈、指示燈、蜂鳴器和輸出通信接口組成。為了減小產(chǎn)品體積并方便后期維護(hù)，可以將產(chǎn)品分解為主板、Sensor板、接口板和光源板，并通過(guò)連接座連接，提高空間利用率。產(chǎn)品整體框圖，如圖 1 所示。

2.3 整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性參數(shù)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品主要應(yīng)用于電子制造業(yè)、新能源、PCB 生產(chǎn)等行業(yè)，這些行業(yè)的工作環(huán)境復(fù)雜且多變。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮設(shè)備在工業(yè)制造生產(chǎn)線中可能面臨的環(huán)境溫度和濕度變化、機(jī)臺(tái)振動(dòng)、操作人員靜電等問(wèn)題?；诒Ｕ袭a(chǎn)品能夠穩(wěn)定運(yùn)行，其環(huán)境適應(yīng)性的要求較高：

1） 工作溫度：-20℃ ～ 50℃；

2） 工作濕度：0%～95%（無(wú)凝結(jié)）；

3） ESD：空氣±16kV/接觸±8kV；

4） IP防護(hù)等級(jí)：IP67；

5） 振動(dòng)： 符合IEC 60068-2-6規(guī)范要求；

6） 沖擊：符合IEC60068-2-27規(guī)范要求。

2.4 整機(jī)可靠性設(shè)計(jì)

工業(yè)生產(chǎn)制造自動(dòng)化生產(chǎn)線要求高速高效，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障就會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線停滯，造成時(shí)間和人員成本的損失。工業(yè)級(jí)讀碼產(chǎn)品需要具備更高的可靠性，從整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要滿足以下可靠性設(shè)計(jì)要素：

1） 電路中所涉及的物料均需考慮降額設(shè)計(jì)。

2） 各個(gè)接口部分均需做好ESD、浪涌、雷擊等防護(hù)。

3） 電路要有電壓與電流檢測(cè)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓與過(guò)流報(bào)警。

4） 抗振措施：對(duì)于板卡上具有一定重量的器件或部件，需點(diǎn)膠固定。

5） 系統(tǒng)異常自動(dòng)恢復(fù)機(jī)制。

2.5 電源設(shè)計(jì)

掃碼器在補(bǔ)光時(shí)需要短時(shí)間內(nèi)提供大電流，這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電源網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)。在設(shè)計(jì)電源方案時(shí)，需要收集各個(gè)器件的電壓和電流需求，并根據(jù)芯片的上電時(shí)序要求來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)產(chǎn)品的系統(tǒng)電源樹(shù)。基于穩(wěn)定高效的電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，我們需要考慮以下因素：

1） 綜合考慮電源的轉(zhuǎn)換效率和電源電路成本，做出合理選擇。

2） 依據(jù)芯片對(duì)電源紋波噪聲的要求，選擇 DCDC或 LDO 方案。輸出濾波電路作為電源輸出端的關(guān)鍵部分，能有效消除高頻噪聲和紋波，保證輸出電壓和電流的穩(wěn)定。

3） 根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸，考慮采用分體電源設(shè)計(jì)或使用電源管理 IC。

4） 電源布局設(shè)計(jì)中，需注意環(huán)路等效阻抗，盡量降低環(huán)路阻抗，以減少電源波動(dòng)。

5） 在進(jìn)行大電流電源設(shè)計(jì)時(shí)，需選擇合適的控制策略，如積分控制、積分微分控制等，以確保電源的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)性能。在選用控制策略時(shí)，需綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)性能，以優(yōu)化響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差。

2.6 復(fù)位信號(hào)設(shè)計(jì)

CPU內(nèi)部通常集成了POR電路。如果沒(méi)有，可使用外部復(fù)位。為確保芯片正常工作，最短復(fù)位時(shí)間應(yīng)為100個(gè)主時(shí)鐘周期（請(qǐng)參閱芯片手冊(cè)）。復(fù)位信號(hào)通常需要連接100nF電容，以消除復(fù)位信號(hào)上的抖動(dòng)，防止誤觸發(fā)復(fù)位。在布局時(shí)，請(qǐng)將該電容靠近芯片管腳放置。

2.7 CPU模塊設(shè)計(jì)

CPU模塊的設(shè)計(jì)要素包括數(shù)據(jù)路徑、控制單元、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘電路、通信電路以及邏輯門電路的實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)CPU模塊時(shí)，數(shù)據(jù)路徑的寬度和深度會(huì)影響數(shù)據(jù)處理的速度和效率?？刂茊卧枰?fù)責(zé)指揮數(shù)據(jù)路徑的執(zhí)行順序和控制信號(hào)的產(chǎn)生。存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，時(shí)鐘電路用于提供時(shí)鐘信號(hào)，通信電路用于與外部設(shè)備進(jìn)行通信，邏輯門電路用于實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。

在選擇CPU時(shí)，需要考慮內(nèi)核架構(gòu)、主頻、運(yùn)算能力、處理器個(gè)數(shù)、字長(zhǎng)、外接模塊接口、功耗等信息。

1） CPU 的內(nèi)核架構(gòu)包括指令集架構(gòu)和微架構(gòu)。不同的微架構(gòu)會(huì)影響CPU的性能和功耗。

2） CPU 的主頻、運(yùn)算能力及處理器核心數(shù)量是CPU處理速度的關(guān)鍵因素。

3） CPU的字長(zhǎng)是指CPU一次能夠處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，它會(huì)影響CPU的處理精度。外接模塊接口用于連接CPU與外部設(shè)備，不同的接口類型會(huì)影響CPU的擴(kuò)展性和應(yīng)用領(lǐng)域。功耗是指CPU工作時(shí)所消耗的能量，它會(huì)影響CPU的散熱和續(xù)航能力。

在設(shè)計(jì)CPU外部電路時(shí)，需要根據(jù)產(chǎn)品的功能和性能需求來(lái)選擇合適的CPU芯片，并合理布局電路，確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。

2.8 內(nèi)存模塊設(shè)計(jì)

內(nèi)存主要用于數(shù)據(jù)緩存，其設(shè)計(jì)需要考慮CPU平臺(tái)支持的DDR類型、最大容量和時(shí)鐘頻率。同時(shí)，還需要根據(jù)圖像傳感器像素大小、緩存圖像數(shù)量、主程序資源需求和條碼識(shí)別速度等因素進(jìn)行選型。

在選型時(shí)，需要綜合考慮數(shù)據(jù)帶寬、讀寫(xiě)速度、功耗和成本等因素，并選擇合適的內(nèi)存容量和頻率，以滿足系統(tǒng)的性能需求。此外，還需要考慮內(nèi)存的可靠性和穩(wěn)定性，以確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

2.9 Flash模塊設(shè)計(jì)

Flash 的選型需根據(jù)CPU 支持的類型來(lái)確定。

Flash的主要用途包括程序代碼存儲(chǔ)、系統(tǒng)冗余備份和用戶現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。因此，在選擇芯片存儲(chǔ)容量時(shí)，需確保其滿足產(chǎn)品運(yùn)行的需求。為了未來(lái)的擴(kuò)展性和升級(jí)考慮，可適當(dāng)預(yù)留一定的存儲(chǔ)空間。

2.10 圖像傳感器模塊

圖像傳感器的選型與讀碼速度、識(shí)別條碼的精度、運(yùn)動(dòng)容差等重要參數(shù)密切相關(guān)。在選型時(shí)，需要關(guān)注表 1 中的參數(shù)，包括圖像幀率、像素、曝光方式、圖像顏色、圖像位數(shù)等圖像傳感器的關(guān)鍵參數(shù)。

1） 像素的多少、像元的大小、鏡頭的焦距和視場(chǎng)角共同決定了掃碼器所能拍攝到的圖像尺寸和條形碼的精度。

2） 根據(jù)產(chǎn)品的視場(chǎng)角、景深范圍以及最大運(yùn)動(dòng)容差，可以計(jì)算出條形碼在掃碼器視野內(nèi)的停留時(shí)間T。通常情況下，需要在視野范圍內(nèi)拍攝3張以上的圖像，因此圖像傳感器的幀率應(yīng)大于3/T。

3） 工業(yè)讀碼器需要識(shí)別高速移動(dòng)的條形碼，因此圖像傳感器的曝光方式應(yīng)選擇全局曝光。由于彩色圖像處理速度遠(yuǎn)低于黑白圖像，因此在大多數(shù)情況下，會(huì)結(jié)合CPU 圖像處理模塊來(lái)選擇圖像的色彩模式。

4） 成像質(zhì)量是圖像傳感器的一個(gè)核心指標(biāo)，它包括暗電流、暗噪聲、灰階等級(jí)、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍和量子效率等。為了滿足項(xiàng)目的要求，需要嚴(yán)格控制圖像傳感器模塊的電流紋波噪聲，可以采用LDO電源設(shè)計(jì)。同時(shí)，還需要設(shè)計(jì)散熱方案來(lái)控制圖像模塊的溫升[2]。

2.11 照明模塊

照明系統(tǒng)是呈現(xiàn)條碼與背景對(duì)比度強(qiáng)弱的關(guān)鍵。由于條碼的背景顏色多樣，設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)可以使用不同顏色的燈光進(jìn)行補(bǔ)光，實(shí)現(xiàn)增加條碼對(duì)比度的目的。

1） 使用同色系的顏色進(jìn)行照明，可以讓特征更亮，接近白色。

2） 使用互補(bǔ)色的顏色進(jìn)行照明，可以讓特征更暗，接近黑色。

3） 白光是混合光，會(huì)使所有的顏色產(chǎn)生對(duì)比度。

備注：紅綠藍(lán)是光譜的三基色，而其中一個(gè)顏色的補(bǔ)色光是另外兩個(gè)顏色的混合色。色環(huán)中相對(duì)的顏色為互補(bǔ)色，相鄰的顏色為同色系[3]。

同時(shí)采用直接照明、間接照明兩種照明方式，可有效識(shí)別各種類型表面不同反光程度的條碼，滿足不同條碼的應(yīng)用場(chǎng)景需求。

1） 直接照明采用高亮LED白光光源高亮度照明，對(duì)于常規(guī)條碼及低反光條碼有著良好的成像效果。

2） 間接照明產(chǎn)生均勻漫反射照明效果，有效解決條碼的反光問(wèn)題，提高條碼的成像質(zhì)量。尤其對(duì)于金屬反光、不規(guī)則、彎曲表面上的碼有著明顯的優(yōu)勢(shì)，有效地彌補(bǔ)了直接照明的劣勢(shì)[4]。不同的光色和照明方式會(huì)使相同的圖像傳感器拍攝出截然不同的圖像，如圖 2 所示。

2.12 EMC設(shè)計(jì)

在工業(yè)生產(chǎn)線環(huán)境中，電子和機(jī)械設(shè)備種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這些設(shè)備在線體上協(xié)同工作時(shí)，容易引發(fā)電磁場(chǎng)的相互干擾。因此，在產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮以下幾個(gè)方面，以確保產(chǎn)品滿足安全和質(zhì)量要求。

1） 在每塊板子的四周預(yù)留一圈外殼接地，螺絲孔與外殼接地相連，每塊板至少保證有4個(gè)連接位置。

2） 各個(gè)子板內(nèi)的時(shí)鐘類信號(hào)，均需要在源端就近串接電阻和電容，以減少對(duì)外輻射。

3） 各個(gè)子板的對(duì)外連接處都需要放置皮法級(jí)的電容，為高頻噪聲提供低阻抗回流路徑。

4） 接口電路需要考慮浪涌、靜電等措施，通過(guò)串接磁珠、共模電感等措施有效減少對(duì)外的輻射程度。

5） 照明控制需要考慮儲(chǔ)能設(shè)計(jì)，避免照明的PWM 控制導(dǎo)致線路電源嚴(yán)重抖動(dòng)，產(chǎn)生低頻電源噪聲[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)工業(yè)掃碼器硬件設(shè)計(jì)的分析，可以看出，工業(yè)掃碼器的整體設(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其應(yīng)用的行業(yè)非常廣泛。隨著制造行業(yè)產(chǎn)品的小型化、多樣化，條碼也將變得越來(lái)越小，同時(shí)還將出現(xiàn)各種各樣的 DPM 碼。工業(yè)掃碼器也將變得越來(lái)越先進(jìn)。