作者：Jens Wallmann

工廠自動(dòng)化和貨物跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要能夠讀取熱敏打印、激光雕刻或金屬點(diǎn)陣等代碼標(biāo)簽類型的光學(xué)條形碼閱讀器。解碼傳送帶上快速移動(dòng)且變化的代碼標(biāo)簽需要讀取器具有低延遲、高分辨率圖像處理能力，能夠準(zhǔn)確解碼損壞或臟的條形碼。盡管照明條件不利、標(biāo)簽方向不可預(yù)測(cè)以及標(biāo)簽幾何形狀不均勻，但閱讀器必須在惡劣的環(huán)境中可靠地運(yùn)行。

為了滿足這些需求，同時(shí)滿足成本和時(shí)間限制，工業(yè)工廠設(shè)計(jì)人員可以使用現(xiàn)成的條形碼閱讀器，這些閱讀器可以輕松配置以適應(yīng)各種目標(biāo)應(yīng)用。

本文簡(jiǎn)要討論了條碼標(biāo)準(zhǔn)和閱讀器要求，然后介紹了歐姆龍自動(dòng)化和安全公司合適的基于圖像的條碼閱讀器，這些閱讀器可在現(xiàn)場(chǎng)輕松配置，并受到各種彩色光和濾光器模塊的支持。本文討論了支持的代碼標(biāo)準(zhǔn)、布線以及如何配置讀者的軟件。

條形碼標(biāo)準(zhǔn)的類型

條形碼有多種類型，每種都有獨(dú)特的功能和要求。圖 1 顯示了線性 (1D) 條形碼、堆疊線性、矩陣 (2D) 和點(diǎn)碼符號(hào)的示例，以及在具有不同對(duì)比度和分辨率質(zhì)量的不同材料上直接零件打標(biāo) (DPM) 的照片。

圖 1：讀碼器需要支持各種代碼，包括線性 (1D) 條形碼、堆疊線性條形碼、二維矩陣符號(hào)和點(diǎn)碼符號(hào)(頂部)。 DPM 具有各種對(duì)比度和分辨率特性(底部)。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

圖 2 右側(cè)的 2D 矩陣說(shuō)明了 QR 碼的結(jié)構(gòu)：四個(gè)方形參考標(biāo)記定義代碼標(biāo)簽的讀取方向，而兩個(gè)斑馬條紋表示讀取時(shí)鐘。超過(guò)一半的單元包含用戶數(shù)據(jù)字;其余的作為糾錯(cuò)冗余。

圖 2：QR 碼向數(shù)據(jù)字添加糾錯(cuò)以及參考和時(shí)鐘標(biāo)記(左)。可調(diào)節(jié)的糾錯(cuò)級(jí)別可以重建 7% 到 30% 的丟失符號(hào)區(qū)域(右)。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

如果使用 Reed-Solomon 算法生成 QR 碼符號(hào)，則糾錯(cuò)可以重建 7% 到 30% 的丟失符號(hào)區(qū)域，具體取決于所選級(jí)別(圖 2，右)。根據(jù) ISO/IEC 24778，Aztec 碼是一種適用于空間受限應(yīng)用的 2D 點(diǎn)陣碼，可以在任何方向上讀取，并指定 5% 至 95% 的可調(diào)節(jié)誤差校正。

集成圖像處理的基于圖像的條碼讀取器

Omron 的緊湊型 MicroHAWK V430-F系列條碼閱讀器就是一個(gè)很好的例子，它展示了閱讀器的先進(jìn)性和功能。這些閱讀器可以在充滿挑戰(zhàn)的工廠環(huán)境中可靠地讀取各種表面上的各種矩陣條形碼。它們使用強(qiáng)大的糾錯(cuò)算法以高達(dá)每秒 60 幀 (fps) 的速度解碼損壞和不完整的符號(hào)。先進(jìn)的光學(xué)器件將單色或彩色圖像傳感器與高達(dá) 5 兆像素 (MP) 的分辨率以及各種固定或自動(dòng)對(duì)焦選項(xiàng)相結(jié)合。

V430 -F000L12M-SRX單色條碼讀取器的分辨率為 1280 x 960 像素 (1.2 MP)(圖 3)。它集成了一個(gè)景深為 1160 毫米 (mm) 的自動(dòng)對(duì)焦鏡頭、八個(gè)紅色聚光 LED 和一個(gè) 800 兆赫 (MHz) 圖像處理器，全部集成在一個(gè)尺寸為 44.5(寬)x 25.5(高)x 56.9(深)毫米的封裝中。

圖 3：所示為帶有集成照明的 V430-F000L12M-SRX 讀碼器(左)，并通過(guò) LED 環(huán)和擴(kuò)散器模塊進(jìn)行擴(kuò)展(右)。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

V430-F 閱讀器具有 IP67 防護(hù)等級(jí)，可以在工業(yè)生產(chǎn)區(qū)域輕松進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝和配置。板載圖像處理可捕獲一維、二維和點(diǎn)陣碼，并在對(duì)比度較差的條件下檢測(cè) DPM。其錯(cuò)誤和圖像處理算法可以解碼損壞、骯臟、模糊或扭曲的代碼標(biāo)簽，并將其輸出為純 ASCII 文本。

V430-F 系列的一些重要特性包括：

代碼標(biāo)準(zhǔn)支持：

ISO/IEC 15415：DataMatrix(ECC200、GS1)、QR 碼、Micro QR

ISO/IEC TR 29158：DataMatrix(ECC200、GS1)

ISO/IEC 15416：代碼 128/GS1-12、UPC/EAN (JAN)、ITF、代碼 39、代碼 93、Codabar

ISO/IEC 16022：數(shù)據(jù)矩陣(ECC200、GS1)

三種分辨率選項(xiàng)：

752 x 480 (0.3 MP) 或 1280 x 960 (1.2 MP) 單色，以及 2592 x 1944 (5.0 MP) 彩色

50 至 300 毫米自動(dòng)對(duì)焦、75 至 1200 毫米自動(dòng)對(duì)焦和定焦

焦距：廣角、中焦或窄/長(zhǎng)

讀取周期為 32 毫秒 (ms)，幀速率高達(dá) 60 fps

電源電壓為 5 至 30 伏，可選以太網(wǎng)供電 (PoE)(模式 B)，電流消耗為 180 毫安 (mA) @ 24 伏

三個(gè)由光耦合器隔離的輸入/輸出 (I/O) 控制端口

通過(guò) RS-232、TCP/IP、以太網(wǎng)/IP 或 Profinet 進(jìn)行通信

最多可連接八個(gè)讀卡器的菊花鏈

WebLink 圖形用戶界面 (GUI)，用于基于瀏覽器的配置和監(jiān)控

V430 -F000W12M-SRP版本使用廣角鏡頭，并在其圖像處理固件中提供Plus模式，而不是X模式糾錯(cuò)。 Plus 模式適用于標(biāo)簽等高對(duì)比度代碼，而 X-Mode 先進(jìn)的符號(hào)定位、分析和重建算法使其適用于所有標(biāo)簽，包括低打印級(jí)代碼和 DPM。 F430 系列設(shè)備具有雙重功能，這意味著它們可以同時(shí)作為條形碼讀取器和視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行。

附加模塊提高對(duì)比度

F430 系列提供多種選項(xiàng)來(lái)滿足應(yīng)用需求。例如，易于安裝的附加模塊，例如帶有 8 個(gè)或 24 個(gè)紅色、白色、藍(lán)色或紅外 LED 的環(huán)形燈 ( V430-AL )，擴(kuò)展了條碼讀取器的對(duì)比度范圍。此外，顏色和偏振濾光片以及擴(kuò)散器 ( V430-AF ) 還可減少來(lái)自光滑表面的雜散光和眩光(圖 4)。

圖 4：漫射器和偏振濾光片可減少反射和雜散光，從而提高對(duì)比度并減少讀取錯(cuò)誤。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

連接條形碼閱讀器

V430-F 條碼閱讀器有兩個(gè) M12 插座和多個(gè)連接選項(xiàng)(圖 5)。通信插座允許主機(jī) PC 通過(guò)以太網(wǎng)/IP、TCP/IP 或 Profinet 讀取解碼數(shù)據(jù)，配置和監(jiān)控條碼讀取器，并可選擇通過(guò) PoE(模式 B)供電。第二個(gè)插頭連接到用于過(guò)程控制的可編程邏輯控制器 (PLC)，并包括觸發(fā)輸入、RS-232 接口和三個(gè) I/O 切換信號(hào)。它還用于為 V430-F 供電。條碼閱讀器的解碼數(shù)據(jù)讀取、配置和監(jiān)控也可以通過(guò) V430-F 的 RS-232 終端完成。

圖 5：V430-F 條碼閱讀器連接選項(xiàng)包括以太網(wǎng)、I/O 控制線、RS-232 和電源線。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

Omron 為 V430 系列 ( V430-W ) 提供配置的以太網(wǎng)、I/O 和 RS-232 電纜。當(dāng) V430-F 與外圍組件(例如光電傳感器、輔助 LED 燈和電源)一起安裝時(shí)，98-000103-02 接口提供了一個(gè)有用的四路分配點(diǎn)。

WebLink 用戶界面

與條形碼閱讀器集成的 WebLink 服務(wù)器為用戶提供了一個(gè) GUI，通過(guò)在瀏覽器中輸入 http://192.168.188.2 即可調(diào)用該 GUI。設(shè)計(jì)人員可以從這里控制、監(jiān)控、配置和讀取 V430-F。

圖 6：可以通過(guò) WebLink 用戶界面控制、讀取和配置 V430-F。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

<開(kāi)始>選項(xiàng)卡包含所有連接的閱讀器的特定于型號(hào)的信息，并且是創(chuàng)建配置文件的起點(diǎn)。 <設(shè)置>選項(xiàng)卡在左側(cè)顯示重要的配置設(shè)置，而中間區(qū)域顯示相機(jī)圖像并提供圖像處理工具來(lái)定義條形碼捕獲區(qū)域。右側(cè)的輸出窗口連續(xù)顯示解碼后的條形碼數(shù)據(jù)字，也可以通過(guò) WebLink 終端進(jìn)行跟蹤或通過(guò) RS-232 接口讀出。

配置參數(shù)

為了顯著加速解碼，設(shè)計(jì)人員可以精確界定檢測(cè)區(qū)域，定義預(yù)期的代碼類型并優(yōu)化設(shè)置圖像處理算法。他們還可以修改解碼數(shù)據(jù)字的輸出格式并插入、交換或提取字符。

通過(guò)終端命令行使用 K 命令或直接更改 WebLink 菜單項(xiàng)<高級(jí)設(shè)置>中的值，設(shè)計(jì)人員可以配置以下功能區(qū)域的參數(shù)：相機(jī)設(shè)置、通信、讀取周期、符號(hào)體系、I/O、符號(hào)質(zhì)量、匹配字符串、診斷、圖像存儲(chǔ)和配置數(shù)據(jù)庫(kù)。

一旦在相機(jī)觀察區(qū)域中制作了感興趣窗口 (WOI) 部分，所有相關(guān)的代碼標(biāo)簽區(qū)域(稱為感興趣區(qū)域 (ROI))就會(huì)在內(nèi)部定義。最多可以在配置數(shù)據(jù)庫(kù)中以代碼方式配置最多 10 個(gè)這樣的 ROI。在<運(yùn)行>模式下，V430-F 可以在這些參數(shù)組之間切換。

各種特殊算法可以改善較差的符號(hào)質(zhì)量，并通過(guò)<高級(jí)解碼參數(shù)>菜單項(xiàng)進(jìn)行配置：

2D 損壞模式可以解碼網(wǎng)格對(duì)齊扭曲或單元配準(zhǔn)不良的符號(hào)。左上角的圖 7 顯示了其工作原理。該功能可通過(guò)串行命令 啟用(0/1 = 禁用/啟用)。

嘗試形態(tài)學(xué)操縱應(yīng)用形態(tài)學(xué)膨脹或腐蝕并嘗試解碼。圖 7 的右上角顯示了它如何增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度并降低噪聲。該算法通過(guò)串行命令啟用。

圖 7：損壞模式、形態(tài)學(xué)和放大/縮小等圖像處理算法甚至可以解碼較差的圖像質(zhì)量。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

Curved 2D專為數(shù)據(jù)矩陣和 QR 碼符號(hào)而設(shè)計(jì)。

如果紅線和綠線之間的長(zhǎng)度比(如圖 8 所示)大于 20:1，則將激活 Curved 2D 算法。該功能通過(guò)串行命令啟用。

圖 8：Curved 2D 圖像處理算法自動(dòng)檢測(cè)彎曲代碼標(biāo)簽并在解碼前對(duì)其進(jìn)行糾正。 (圖片來(lái)源：歐姆龍)

符號(hào)質(zhì)量將根據(jù) ISO/IEC 15416 輸出從 A 到 F 等級(jí)的詳細(xì)評(píng)估。可以使用串行命令。串行命令 以文本報(bào)告響應(yīng)，該報(bào)告總結(jié)了 ISO/IEC15416 的分級(jí)(表 1)。

表 1：串行命令 使用總結(jié) ISO/IEC15416 分級(jí)的文本報(bào)告進(jìn)行響應(yīng)。 (表來(lái)源：歐姆龍)

結(jié)論

緊湊型基于圖像的 V430-F 系列讀碼器能夠在充滿挑戰(zhàn)的工廠環(huán)境中高速、可靠地解碼不同表面上的各種代碼標(biāo)準(zhǔn)。如圖所示，強(qiáng)大的集成圖像處理功能可以通過(guò)瀏覽器輕松配置，使設(shè)計(jì)人員無(wú)需專業(yè)的圖像處理經(jīng)驗(yàn)即可啟動(dòng)并運(yùn)行條形碼閱讀器。