基于摄像头的条形码识别系统的技术.docx
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基于摄像头的条形码识别系统的技术
基于摄像头的条形码识别系统设计
基于摄像头的条形码识别系统设计
摘要：
条码技术是实现POS系统、EDI、电子商务、供应链管理的技术基础，是物流管理现代化的重要技术手段。
本课题是在光电转换的基础上，通过AT89C51单片机为核心处理芯片，对条形码进行识别的。
条形码的识别主要包括扫描装置和译码装置两部分。
扫描器通过反射原理和光电转换原理，获得与条形码相对应的电信号。
经过放大整形的电信号经过译码器进行译码，最后得到的数据传输给计算机进行处理。
关键字:
条形码、数字式CCD摄像头、AT89C51单片机、译码器
1前言
1.1条形码技术
二十一世纪是一个信息经济的时代，信息经济就是指以现代信息技术等高科技作为物质力量，信息产业起主导作用的，基于信息、知识以及智力的一种新型经济。
条形码技术就是其中及其重要的一环，它在日常生活中随处可见，可以说有商品的地方就有条形码的存在，条形码技术为人们的生活带来了极大的便利。
自动识别技术（AutomaticIdentificationTechnology）是应用一定的识别装置，能自动获取被识别物品的相关信息，并且能提供给后台计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。
自动识别技术是一项综合性的科学技术，需以计算技术、通信技术以及光电技术等为基础。
自动识别技术自诞生以来在全球范围内得到迅猛发展，形成了包括条形码识别技术在内的多种集计算机、光、电、通信技术为一体的高新技术。
条形码技术是在计算机应用和实践中产生并发展起来的一种广泛应用于商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域的自动识别技术，具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，在当今的自动识别技术中占有重要的地位。
现如今条码辨识技术已相当成熟，其读取的错误率约为百万分之一，首读率大于98%，是一种可靠性高、输入快速、准确性高、成本低、应用面广的资料自动收集技术。
世界上约有225种以上的一维条码，每种一维条码都有自己的一套编码规格，规定每个字母是由几个线条（Bar）及几个空白（Space）组成，以及字母的排列。
一般较流行的一维条码有39码、EAN码、UPC码、128码，以及专门用于书刊管理的ISBN、ISSN等。
1.1.1国内条形码发展现状
上世纪70年代末到80年代初，对条形码技术的研究还一直相当落后，处于跟踪、了解国外技术资料的阶段，从80年代中期开始随着我国一些高等院校、科研部门及一些出口企业对条形码的重视，议事日程上开始有了关于条形码技术研究和推广的内容，我国条形码技术进入了高速发展阶段。
政府有关部门开始高度重视条形码技术的推广应用，1988年12月28日，经国务院批准，国家技术监督局成立了“中国物品编码中心”（ArticleNumberingCenterofChina，ANCC）。
该中心的任务是研究、推广条形码技术；统一组织、协调、管理我国的物品编码与自动识别标识工作，这为我国全面开展条形码技术研究、推广创造了有利条件。
中国物品编码中心于1991年4月代表我国加入EAN。
同年五月，中国制定并颁发了有关条形码的一系列国家标准，并于1992年1月1日开始实行。
2001年12月11日我国正式加入了世界贸易组织（WTO），为了适应加入WTO的需要，使条形码技术面向更加广阔的国际市场，中国物品编码中心于2003年4月启动“中国条码推进工程”。
零售业是我国现在条形码技术应用最广泛的领域。
虽然目前我国商品条形码用户有十余万家，条形码标识也已经应用于一百万种商品，采用自动扫描条形码的商店达到了数万家，使得我国的商品在国际市场上保持有很强的竞争力。
但相对于国外而言其应用层次比较低，仍有很大的发展空间。
目前我国的条形码技术发展正在与其它技术相互渗透、相互促进，这将改变传统产品的结构和性能。
近年来，条形码技术与以便携式嵌入式设备为代表的移动计算技术、电子商务的结合都显示出巨大的发展潜力和广阔的市场前景。
但国内与国外发展状况相比，中国的条形码自动化技术产业还有相当大的差距，中国的条码自动化技术要迎接挑战、抓住机遇，适应中国特色的发展要求。
1.1.2国外条形码发展现状
就国际角度来看，条码技术的研究已经取得了长足的发展，而且推广应用也日趋成熟。
这主要是由于条形码技术起源于国外，从上个世纪20年代首次提出至今已经发展了将近一个世纪。
条形码标识表示已由一维发展到信息量更大、可靠性更高的二维，目前又出现了集两者优点于一身的复合码，其实质就是把两者叠加在一起，这样可以实现读取商品自身信息的同时还能够获取商品物流特征的描述信息；条形码的介质由常规的不干胶材料、纸质等发展到特殊介质，能适应更加恶劣商品包装环境；条形码的应用已不再仅仅停留在商业领域，而是已经扩展到物流、金融等经济领域，而且与其它技术融合，形成了面向企业信息化管理的深层次的集成。
目前，国际上条码技术的发展主要呈现如下几个特点。
（1）发展速度迅猛。
（2）集成其它自动识别技术。
（3）标准化。
（4）应用纵深发展。
1.2条形码技术优势
在众多自动识别技术中条形码技术是迄今为止最方便、经济和实用的自动识别技术，总结其广泛应用大概源于以下几个优点
（1）可靠准确。
有相关资料显示键盘平均每输入300个字符就会有一个错误，而条形码的输入错误率大概只有键盘输入的五十分之一，如果加上校验位的话出错率就是微乎其微了，大概在千万分之一左右。
（2）数据输入速度快。
与键盘输入对比，通常一个程序员每分钟打90个字，那么1.6秒可输入12个字符或字符串，而使用条码，效率大概要提高五倍，完成同样的工作大约只要0.3秒。
（3）经济便宜。
推广应用费用低是条形码技术相比于其它自动识别技术的最大优势。
（4）应用灵活。
作为一种识别手段在应用方面条形码技术可单独使用，也可和有关设备组成能够实现自动式的系统。
而且，在没有条形码识读器设备时还可手工键盘输入。
（5）自由度大。
随着条形码识读设备的不断发展，识读设备与条形码标签的相对位置越来越远。
即使条形码标签垂直部分有缺损也不影响识读条形码所包含的信息，这是由于条形码的信息表达只是在一维方向，而且同一条码上所表示的信息完全相同并连续。
（6）设备简单。
无论是光笔还是激光识读器、图像条形码识读器其结构通常简单易操作，并不需要额外专门训练。
（7）易于制作。
条形码不像电子标签，它编写简单、可印刷，而且对制造设备没特殊要求。
因而在自动识别领域条形码被称为“可印刷的计算机语言”。
1.3本课题主要研究的内容及意义
条形码技术是在计算机、光电技术和通信技术基础上发展起来的一项综合性科学技术，是信息数据自动识别、输入的重要方法和手段。
本课题是在光电转换的基础上，通过AT89C51作为核心处理芯片，对条形码进行识别的。
一套条形码识别系统，它由条形码扫描器，放大整形电路，译码接口电路和计算机系统等部分组成。
条形码识别技术可分为硬件技术和软件技术。
条形码识别硬件技术主要解决将条形码符号所代表的数据转化为计算机可读的数据以及与计算机之间的数据通信。
硬件支持系统可以分解成光电转换技术、译码技术、通信技术以及计算机技术，光电转换系统除了传统的光电技术外，目前主要采用电荷耦合器件—CCD图像感应器技术、激光技术等。
本课题采用CCD图像感应原理。
软件技术主要解决数据处理、数据分析、译码等问题。
数据通信是通过软硬件技术的结合来实现的。
越来越发达完善的条形码技术不仅在国际范围内为商品提供了一套可靠地代码标识体系，而且为产、供、销等各个环节提供了通用的语言，为实现商业数据的自动凭票供应和电子数据交换奠定了基础，同时推动了电子商务的发展。
人们可以通过电子信息交换系统及时、准确地获得所需要的商业信息，提高生产和经营的效率。
2条形码的编码原理
2.1条形码的基本概念及其结构
2.1.1条形码的基本概念
（1）条码
将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。
条码中的条、空分别由深浅不同且满足一定光学对比度要求的两种颜色（通常为黑、白色）表示。
条为深色，空呈浅色。
这组条、空和相应的字符代表相同的信息。
前者用于机器识读，后者供人直接识读或通过键盘向计算机输入数据使用。
对于两种元素宽条形码，宽元素的逻辑值为1，窄元素的逻辑值为0；对于多种元素宽度为条，则逻辑值为1；若单位元素是空，则逻辑值为0。
条形码符号空的反射率RL和条的反射率RD之差与空的反射率的比值，用符号PCS表示，即PCS=（RL-RD）/RL
（2）代码
一组由字符、符号或信号码元以离散形式表示信息的明确的规则体系。
代码就是程序员用开发工具所支持的语言写出来的源文件。
（3）码制
条形码的编码要求，数字系统的主要功能是处理信息。
因此必须将信息表示成能够识别的电路，便于运算存储的形式。
（4）条码字符集
条码字符集是指某种码制所表示的全部字符的集合。
EAN／UPC码/交插25条码：
仅能表示“0~9”10个数字字符。
库德巴条码：
可表示数字“0~9”，还有只能用作起始/终止符的a,b,c，d四个字符。
39条码：
能表示字母、数字和其它一些符号共43个字符。
（5）连续性与非连续性
连续性是指每个条码字符之间不存在间隔，例如UPC-E,每个字符由2条2空组成。
非连续性是指每个条码字符之间存在间隔，例如库德巴码，每个字符表示4条3空。
如图2-1所示：
A连续性条形码B非连续性条形码
图2-1；连续性与非连续性条形码
（6）定长条码与非定长条码
定长条码是指仅能表示固定字符个数的条码。
如：
EAN-13条码
非定长条码是指能表示可变字符个数的条码。
如：
EAN-128条码
2.1.2条形码符号的结构
一个完整的条形码符号是由两侧静区、起始字符、数据字符、校验字符和终止字符组成。
如图2-2所示一个条形码符号的完整结构。
图2-2条形码结构图
静区：
通常是白色，没有任何印刷符和条形码信息，位于条形码的两侧。
静区的作用就是提示阅读器准备扫描条形码符号。
起始字符：
条形码符号的第一位字符，它的特殊条空结构用于识别条码符号的开始。
数据字符：
由条形码字符组成，用于代表一定的原始数据信息。
终止字符：
条形码符号的最后一位字符，它的特殊条空结构同于识别条形码符号的结束。
当采用校验字符时，终止字符还能指示阅读器对于数据字符实施校验计算。
2.2条形码的编码方法
2.2.1宽度调节编码法
条码符号中的条和空由宽、窄两种单元组成的条码编码方法。
宽单元（条或空）表示二进制的“1”，窄单元（条或空）表示二进制的“0”。
宽单元通常是窄单元的2~3倍。
39条码、库德巴条码、25条码及交叉25条码均属宽度调节法。
25条码是一种只有条表示信息的非连续型条码。
条码字符由规则排列的５个条构成，其中有两个宽条单元，其余是窄条单元。
如图2-3所示
图2-3宽度调节编码法（25码）
2.2.2模块组配编码法
条码符号的字符由规定的若干个模块组成的条码编码方法。
条与空是由模块组成的，一个模块宽度的条模块表示二进制的“1”，而一个模块宽度的空模块表示二进制的“0”。
EAN条码、UPC条码、93条码均属模块组配型条码。
商品条码模块的标准宽度是0.33mm，它的一个字符由2个条和2个空构成，每一个条或空由1-4个标准宽度模块组成，每个条码字符的总模块为7。
如图2-4所示
图2-4模块组配编码法
2.2.3交叉25码编码
交叉二五条码是一种条与空均表示信息的条码，它的每一个条码数据符由5个单元组成，其中两个是宽单元（用二进制“1”表示），三个是窄单元（用二进制“0”表示）。
所有的宽单元相等，所有的窄单元相等。
如图2-5所示
图2-5交叉25码
交叉25码的特点：
（1）只能表示数字0~9（0：
nnwwn，1：
wnnnw，2：
nwnnw，3：
wwnnn，
4：
nnwnw，5：
wnwnn，6：
nwwnn，7：
nnnww，8：
wnnwn，9：
nwnwn
n-窄，w-宽）
（2）组成条码的字符个数应为偶数，当字符为奇数时，应在左侧补0变成偶数。
（3）条码为定长或可变长度。
（4）连续性条码，所有条与空都表示代码，第一个字符由条开始，第二个由空开始。
3条形码光电转换系统
3.1条形码识别基本原理
组成条行码的一组粗细不同，按照一定的规则安排间距的平行线条图形，常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）组成的。
条形码识别系统由条形码扫描器、放大整形电路、译码接口电路和计算机系统等部分组成，如图1所示。
条形码识别基本原理，就是利用光学系统读取条形码符号，由光电转换器将光信号转换成电信号，并通过电路系统对电信号进行放大和整形，最后以二进制脉冲信号输出给译码器。
条形码识别系统主要由条形码扫描器和条形码译码器组成。
当扫描器扫读条形码符号时，光敏元件将扫描到的光信号转变为模拟电信号，模拟电信号经过放大、滤波、整形等信号处理，转变为数字信号。
译码器按一定的译码逻辑对数字脉冲进行处理后，便可得到与条形码符号相对应的数字代码。
3.2条形码扫描器传感器CCD
3.2.1CCD基本介绍
CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
其显著特点是：
1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。
因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。
3.2.2CCD工作原理
CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。
线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。
所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。
线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。
它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像（线阵CCD如右图所示）。
面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。
图3-1CCD工作原理
3.3摄像头
3.3.1摄像头的基本构成
摄像头主要有镜头、CCD图像传感器、预中放、AGC、A/D、同步信号发生器、CCD驱动器、图像信号形成电路、D/A转换电路和电源的电路构成。
摄像头的主要图像传感部件是CCD（ChargeCoupledDevice），即电荷耦合器件，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点，CCD是电耦合器件（ChargeCoupleDevice）的简称，它能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移，也可将储存之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像元件，是代替摄像管传感器的新型器件。
3.3.2摄像头的基本原理
摄像头的工作原理是：
被摄物体反射光线，传播到镜头，经镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过预中放电路放大、AGC自动增益控制，于由图像处理芯片处理的是数字信号，所以经模数转换到图像数字信号处理IC（DSP）。
同步信号发生器主要产生同步时钟信号（由晶体振荡电路来完成），即产生垂直和水平的扫描驱动信号，到图像处理IC。
然后，经数模转换电路通过输出端子输出一个标准的数字信号图像。
将数字信号图像直接作为输出对象传输给单片机处理。
3.3.3数字式CCD摄像头
本系统所采用的是数字式CCD摄像头，数字式摄像头的主要技术措施有三点：
（1）按应用需求设计CCD驱动电路及工作参数;
（2）CCD图像信号经线性放大后在摄像机内立即数字化，直接输出数字图像;
（3）按CCD象元一一对应数字化采样。
数字式CCD摄像头具有以下优点：
（1）较高的空间分辨率：
由于采样按象元一一对应的采样，中间没有低通过程，因而不仅在水平和垂直方向的最高分辨率上可基本接近CCD芯片水平和垂直象元数，最充分地利用了CCD芯片分辨率，而且各象元信号之间的相关性也降到最低程度，使得到的数字图像在空间频率的高频段的响应也大大地提高。
另外，在这种方式下，分辨率没有上限，换句话说，就可以认为CCD芯片有多高的分辨能力，数字式摄像头输出的数字图像的分辨率就有多高。
（2）失真最小的线性放大：
为了保持各象元信号之间的空间不相关性，采用带宽高于图像带宽10倍以上的宽带线性放大，既保证空间分辨性又保证了信号的线性度，A/D转换也可按信号的实际动态范围而设定理想的电压转换范围，最充分地利用A/D的精度。
（3）灵活的积分时间和帧频：
由于可以根据需要设计驱动电路，因而将摄像头设计成高帧频或长积分时间，有极大的灵活性。
另外，A/D采样的对位即使在帧频不稳的情况下，仍然可保持与CCD象元信号的绝对严格的同步对位，所以能直接得到有实际意义和准确精度的数字图像，保证了空间量测量的高精度和高稳定度。
（4）低噪声：
数字式CCD摄像头的模拟信号的流程仅为CCD—相关取样—线性放大—A/D，其中的相关取样部分是降噪环节，线性放大在选用宽带低噪声放大器后可基本保持不引进更多的噪声，而在A/D性能足够好的条件下，A/D过程的噪声也能控制到适当的水平，在A/D转换之后的信号却为数字信号，基本上可不引进噪声。
（5）方便灵活的数字接口：
CCD应用于科学测量必须由计算机（或微处理器）进行数字图像处理，从而得到有用的信息。
因此，数字式CCD摄像头便具有了天然的数字接口，可方便地与存贮器、微机单片机或微数学处理器（DSP）等联体。
表3-1CN-5400带自动光圈黑白CCD摄像头技术特性
型号
CN-5400
CN-5408
CN-5416
摄像器件
1/2″CCD
象素数
EIA510（H）×492（V）CCIR500（H）×582（V）
象素尺寸（μm）
EIA12.7（H）×9.8（V）CCIR12.7（H）×8.3（V）
同步系统
内同步
扫描方式
2：
1隔行扫描
解像度
水平420线
信噪比（dB）
大于46（AGCOFF）
伽玛特性
0.45
最低照度（lx）
0.2，F1.4
视频输出
1VP-P，75Ω
电源（VDC）
12
消耗电流（mA）
180
镜头（mm）
5，3.6，7.5
尺寸（mm）
46（W）×34（H）×48（L）
工作温度（℃）
-10～40
重量（g）
150
4条形码译码器硬件设计
4.1译码器
4.1.1译码器的基本概念
条形码译码器是将扫描条形码符号所输出的脉冲数字信号解译成计算机可识别的信号，并通过数据通信技术将条形码符号表示的数据传给计算机。
为了解译条形码符号所表示的数据，条形码译码器必须具备以下功能：
·测量条形码符号每个元素的宽度。
·确认位于符号两侧的有效静区。
·通过起始字符、终止字符判别条形码符号的码制及扫描方向。
·将每个元素宽度量化成相应码制的若干个单位元素宽度。
·确保被量化的元素宽度与所译码制的编码规则一致。
·将条码符号所表示的数据转换成计算机可识别的数据，并传输给计算机。
·显示条形码符号所表示的数据，从而使蜂鸣器、显示灯指示阅读成功。
通常条形码译码器采用微处理器及相应的硬件来完成上述功能。
4.1.2单片机AT89C51的简介
本系统采用的是AT89C51单片机作为核心的译码芯片。
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外部中断口，2个16可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
主要功能特性：
表4-1AT89C51单片机特点
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·32可编程I/O线
·可编程串行通道
·两个16位定时器/计数器
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·1个串行中断
·128*8位内部RAM
·2个外部中断源
·三级程序存储器锁定
·可直接驱动LED
·3级加密位
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
4.2数据输入接口电路及脉宽测量方法
4.2.1扫描器输入接口电路
扫描器扫描条形码符号时发出一系列脉冲数字信号，条形码译码器必须精确测量这一脉冲信号宽度，才能正确解译条形码符号所表示的数据。
脉冲宽度的测量方法有很多，对于采用89C51微处理器的译码器，最简单的方法是采用其定时器进行脉宽测量。
微处理器提供两个16位定时器0和定时器1，它们可设置成定时器或者计数器。
每个定时器/计数器在专用的寄存器TMOD中有一个控制位，用于选择定时器工作方式或者计数器工作方式。
用作定时器时，定时器计数器周期，即每个机器周期寄存器加1.
由于机器周期包括12个振荡周期，因此计数速率是振荡频率的1/12；用作计数器时，寄存器在其对应的外输入端T0或T1有一个负跳变时加1，由于条形码译码器要测量脉冲宽度，因此可以采用定时工作方式。
定时器有4中工作方式可供选择，在这里选方式1，它是16位计数器。
信号C/T=0，为定时器功能，TR0=1，GATE=1且INT0=1时，定时器开始测量脉冲宽度。
4.2.2脉宽测量方法
脉宽测量中会遇到这样的问题，何时对定时器采集的数据进行提取？
显然，利用外部中断信号是比较方便的。
扫描器发出的脉冲信号可以直接作用于INT0，如图，从扫描器输出信号可知，扫描器在扫描空时产生下降沿信号，假设在脉冲下降沿产生中断后开始记录数据，此处数据采集的是一个元素条的宽度，元素空的宽度被丢掉。
因此，必须采取适当的硬件电路对扫描器的输出信号进行调整，才能使定时器记录每一个元素的宽度。
图A第一种连接方法
图B第二种连接方法
图4-4两种方法测量元素宽度
方法之一：
把扫描器的输出信号取反，其原始信号与取反信号分别与INT0和INT1相连，如图B，并同时采用定时器0和定时器1.扫描器输入的信号经过74LS04后，可以吧其取反，然后将两个信号输入至单片机进行处理。
设外部中断0、外部中断1均为下降沿触发，则当INT1第一个脉冲下降沿触发中断时，中断服务程序启动定时器0，记录条的脉宽，关闭定时器1，读出定时器1中的数据（前一个空的脉宽）。
当INT0的第一个脉冲下降沿触发中断时，中断服务程序启动定时器1记录空的脉宽，关闭定时器0，读出定时器0中的数据，此数据便是条1的脉宽。
以此类推，可以测出所有条空的脉宽。
这种方法的优点是硬件电路简单，缺点是多占用了外部中断1和定时器1。
图4-5输入信号与单片机连接方法一
方法二：
对扫描器输出的脉冲数字信号进行变换，然后与INT0相连，其硬件电路如图所示：
在此电路中，采用
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