（信号与信息处理专业论文）产品信息自动采集系统的网络终端机研究.pdf

摘要 摘要 在工业生产领域，随着流水线生产技术的应用和产品种类、数量的增加，产 品身上承载的关于生产、储存和管理等方面的信息量越来越大。人工统计、分类、 管理的方法已经难以满足要求。为此，实现产品信息的在线实时采集和智能化信 息管理，是降低人工统计劳动强度，提高产品信息采集准确性、可靠性和管理效 率的有效方法。 本文研究并设计了两种适用于食品简易包装的产品信息自动采集系统的网 络终端机方案，分别是基于条码技术和基于图像处理技术的产品信息自动采集系 统的网络终端机。 基于条码技术的产品信息自动采集系统的网络终端机由工业级条码识读器、 物位传感器、数据处理模块、按键显示模块以及通信传输模块构成，研究的重点 是各个模块的硬件融合和软件设计。 基于图像处理的产品信息自动采集系统的网络终端机可以弥补条码方案成 本较高和抗褶皱、抗污染能力弱的不足，更适合于食品塑料简易软包装的产品标 识信息的采集。它采用工业级照相机对产品包装进行拍照，然后通过软件算法将 印于包装上的产品信息提取出来，研究的内容主要包括网络终端机各个硬件模块 的融合和软件设计，重点研究的是基于图像处理的产品信息自动采提取算法。 论文主要进行了以下几个方面的工作： 1 、全面了解信息自动采集技术的相关知识以及发展状况，分析课题的应用 背景和功能要求。 2 、给出基于条码技术的产品信息自动采集系统网络终端机整体实现方案。 3 、完成了基于条码技术的网络终端机的各个模块的硬件设计，包括条码识 读器、物位检测模块，数据处理模块、按键显示模块和通信传输模块，以及系统 软件的设计。 4 、设计了基于图像处理的产品信息自动采集系统的网络终端机整体架构， 包括硬件架构设计和软件架构设计。 5 、研究并设计基于图像处理的产品信息自动提取算法，实现对产品信息的 自动定位与提取。主要内容包括图像的输入、图像预处理、产品信息区域定位和 产品信息字符提取。 关键词信息采集；网络终端；条码技术；图像处理；字符提取 a bs t r a c t a b s t r a c t i ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o nf i e l d ，w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ef l o wl i n ep r o d u c t i o na n d t h ei i l c r e m e n to ft h ev a r i e t ya n dq u a n t i t yo ft h ep r o d u c t ，m o r ea n dm o r ep r o d u c t i n f o r m a t i o no np r o d u c t i o n ，s t o r a g ea n dm a n a g e m e n tw e r eg e n e r a t e d t h e m a n u a l s t a t i s t i c s c l a s s i f i c a t i o na n dm a n a g e m e n ta r ed i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t s o ，t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h er e a lt i m ec o l l e c t i o na n di n t e l l i g e n tm a n a g e m e n to f t h ep r o d u c t i n f b 锄a t i o no nt h ef l o wl i n ei st h ee f f e c t i v ew a yt om i t i g a t et h e l a b o u ri n t e n s i t y , i m p r o v et h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo f t h ep r o d u c ti n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n dt h e e f f i c i e n c yo ft h ep r o d u c ti n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t t h e 帆os c h e m e sf o rn e t w o r kt e r m i n a l o fa u t o m a t i cp r o d u c ti n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c ha r es u i t a b l ef o rf o o df l e x i b l ep a c k a g e ，a r er e s e a r c h e da n d d e s i 呈皿e di nt h i sp a p e r t h e ya r eb a s e d o nb a rc o d et e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n g r e s p e c t i v e l y t h en e t w o r kt e r m i n a lo ft h ea u t o m a t i cp r o d u c ti n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nb a rc o d et e c h n o l o g yi sc o m p o s e do fi n d u s t r i a lb a rc o d er e a d e r , l e v e l n 锄s d u c e r d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，k e y b o a r da n dd i s p l a ym o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n m o d u l e t h ee m p h a s e so ft h er e s e a r c ha r et h ei n t e g r a t i o no fe v e r yh a r d w a r em o d u l e s a n ds o f t w a r ed e s i g n t h en e t w o r kt e r m i n a lo ft h ea u t o m a t i cp r o d u c ti n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do ni m a g ep r o c e s s i n gc o u l do v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fh i g hc o s ta n dw e a k c a p a b i l i t yo fa n t i - w r i n k l ea n da n t i - p o l l u t i o no f t h eb a rc o d es c h e m e ，a n di ti sm o r e s u i t a b l ef o rp r o d u c ti n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nf o rt h ef o o dp l a s t i c s f l e x i b l ep a c k a g e t h i sn e t w o r kt e m i n a lu s e st h ei n d u s t r i a lc a m e r at o t a k et h ep i c t u r eo ft h ep r o d u c t p a c k a g e ，a n dt h e ne x t r a c t st h ep r o d u c ti n f o r m a t i o nf r o mt h ep a c k a g ei m a g e w i t h i n f o 锄a t i o nl o c a l i z a t i o na n de x t r a c t i o na l g o r i t h m t h em a i nc o n t e n t so f t h er e s e a r c h a r et h ei n t e g r a t i o no fh a r d w a r em o d u l e sa n ds o f t w a r ed e s i g n t h ep r o d u c ti n f o r m a t i o n e x t r a c t i o na l g o r i t h mi st h ee m p h a s i so f t h er e s e a r c h t h em a i nt a s k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 a c q u a i n t i n gc o m p r e h e n s i v ek n o w l e d g e a b o u t a c q u i s i t i o na n di t sd e v e l o p m e n ts t a t u s a n a l y s i n gt h e f u n c t i o nd e m a n do ft h i sa s s i g n m e n t t h ea u t o m a t i ci n f o r m a t i o n a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n d 北京t _ , l k 大学t 学硕十学何论文 2 d e s i g n i n gt h ew h o l es c h e m ef o rn e t w o r kt e r m i n a lo f t h ea u t o m a t i cp r o d u c t i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nb a r c o d et e c h n o l o g y 3 a c c o m p l i s h i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ea u t o m a t i cp r o d u c t i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nn e t w o r kt e r m i n a lb a s e do nb a rc o d et e c h n o l o g y , i n c l u d i n g t h ei n d u s t r i a lb a rc o d er e a d e r , l e v e lt r a n s d u c e r , d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，k e y b o a r da n d d i s p l a ym o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n m o d u l e 4 d e s i g n i n gt h ew h o l ef r a m e w o r ko ft h en e t w o r kt e r m i n a lo ft h ea u t o m a t i c p r o d u c ti n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gt h e h a r d w a r ef r a m e w o r kd e s i g na n dt h es o f t w a r ef r a m e w o r kd e s i g n 5 r e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n gt h ep r o d u c ti n f o r m a t i o n e x t r a c t i o na l g o r i t h m ， a c c o m p l i s h i n gt h ea u t o m a t i cl o c a l i z a t i o na n d e x t r a c t i o no ft h ep r o d u c ti n f o r m a t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c hi n c l u d et h ei n p u to ft h ei m a g e ，i m a g ep r e p r o c e s s i n g ， t h el o c a l i z a t i o no ft h ep r o d u c ti n f o r m a t i o na r e a , t h ee x t r a c t i o n o ft h ep r o d u c t i n f o r m a t i o nc h a r a c t e r s k e yw o r d si n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ；n e t w o r kt e r m i n a l ；b a rc o d et e c h n o l o g y ；i m a g e p r o c e s s i n g ；c h a r a c t e r se x t r a c t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j l 塞工些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：左丝丝【日期：星邃至：三翌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：埠导师签名： 砌缸。 日期：地基：5 ：；望 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第。1 章绪论 随着科学技术的发展，人类社会的生产力得到了不断的提高，人类在单位时 间内创造的物质财富越来越多。如何对这些大量的物质财富进行有效的管理，已 经成为一个越来越突出的问题。以工业生产为例，从人类文明开始到工业革命之 前，受科技水平的制约，人类社会生产力水平不高，生产的产品种类和数量相对 较少，人工管理可以满足当时的需要；工业革命之后，特别是流水线生产技术应 用于生产之后，产品的种类和数量大大增加，产品身上承载的关于生产、储存和 管理等方面的信息量越来越大，人工统计、分类、管理的方法不仅增加了劳动者 的劳动强度，消耗大量的人力、物力资源，而且在速度、准确性和数据分析上己 难以满足要求。 为此，人类发明了各种产品信息采集和管理设备、装置，以期把人类从繁重 重复的工作中解放出来。早期的产品信息采集和管理设备，由于智能化程度低， 只能简单的将产品分类，然后将不同产品送入不同的流水线，相当部分的数据处 理都是通过人工手工录入，即所谓的补丁数据。这样不仅数据量十分庞大，劳动 强度大，而且数据误码率较高，也失去了实时的意义。随着计算机技术，信息 技术和通信技术的发展，由智能终端和计算机负责采集、传输、管理产品信息成 为可能。智能终端可以实时自动采集并处理生产线上的产品信息数据，并将其实 时传送至产品信息数据库，大大提高产品信息采集和传输的速度、准确性和稳定 性，运行在计算机上的大型管理软件( 如s a p ) 为产品信息的管理提供了高效、 可靠和方便的方法，使管理者能够实时掌握生产线上的生产情况，为生产物流的 实时调整，财务情况的及时汇总以及决策的正确制定提供必要的参考依据。 本课题所研究的产品信息自动采集系统的网络终端机应能够在生产线上自 动对产品信息进行采集和处理，并可以通过网络将信息实时、安全地传输到数据 服务器处理中心，这样可以大大提高生产线的效能和产品管理水平，对提高劳动 生产率具有重要意义。 北京丁业大学丁学硕士学位论文 1 2 信息自动采集技术研究现状 信息自动采集技术是一门集计算机、信息处理、通信技术、光磁、物理、机 电技术为一体的高新技术，近几十年在全球范围内得到了迅猛发展，并在诸多领 域得到广泛应用。例如在超市购物，使用的是条码识别技术；银行卡消费或者取 款，采用的是磁条技术；传真、扫描、复印等，采用的是光学字符识别技术；公 交i c 卡、小区门禁、办公室门禁，多是采用非接触i c 卡技术。 总的来说，按照当前信息自动采集技术发展的现状，信息自动采集技术根据 采集对象的特征可以分为两大类，包括数据采集技术和特征提取技术。数据采集 技术的基本特征是需要被采集物体上具有特定的信息标识载体，如条码标签等： 特征提取技术的基本特征是根据被采集物体本身的行为特征，包括静态的，动态 的和属性的特征，来完成数据的自动采集。 、 数据采集技术根据信息标识载体的种类可分为： 1 、光存储器，包括条码( 一维、二维) 、光学字符识别( o p t i c a lc h a r a c t e r r e c o g n i t i o n ，o c r ) 等。 2 、磁存储器，包括磁条、非接触磁卡、磁光存储等。 3 、电存储器，包括触摸式存储、r f i d ( 无芯片、有芯片) 、智能i c 卡( 接 触式、非接触式) 等。 特征提取技术根据行为特征的种类可分为： 1 、静态特征，包括视觉特征、能量特征、指纹特征、掌纹特征等。 2 、动态特征，包括声音特征、键盘敲击等 3 、属性特征，包括化学感觉特征、物力感觉特征、生物抗体病毒特征等。 对于生产流水线上的产品信息自动采集，根据生产环境和效率、产品质量控 制和生产成本的要求，一般采用非接触式的数据采集技术。在非接触式数据采集 技术中，条码技术应用十分广泛；而光学字符识别技术能够弥补条码技术的某些 不足，应用前景也十分广阔；此外，r f i d 技术以其体积小、容量大、非可视识 别等优点正吸引着更多的目光，有望成为这一领域下一代的主流技术。 条码技术最早出现在2 0 世纪4 0 年代的美国。7 0 - - 一8 0 年代后，随着计算机 技术、自动识别技术、印刷技术和现代物流技术的发展，条码技术在国际上得到 了广泛的应用。我国于2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初开始研究，并在部分行业 完善了条码管理系统，如邮电、银行、连锁店、图书馆、交通运输及各大企事业 单位等。条码技术有如下一些特点： 1 、输入数据快：与键盘输入相比，条码输入的速度是键盘输入的5 倍，并 且能够实现“即时数据输入 。 2 、可靠性高：键盘输入数据的出错率为三百分之一，而条码技术的误码率 第1 覃绪论 低于百万分之一。 3 、采集信息量大：一维条码一次可采集几十位字符的信息，二维条码更可 以携带数千个字符的信息，并具有一定的自动纠错能力。 4 、灵活实用：条码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和有关 识别设备组成一个系统实现自动识别，还可以和其它控制设备连接起来实现自动 化管理。 随着条码技术的普及，与条码识读器结和的具有数据存储、处理、通信传输 功能的数据采集终端成为国外相关领域公司的开发重点，如美国的i n t e r m e c 公 司、s y m b o l 公司，日本的d e n s o 公司、c a s i o 公司，它们已经开发出种类丰 富的商用数据采集终端。国内条码技术的研究起步较晚，目前从事数据采集终端 开发的主要有福建新大陆( n w e w l a n d ) 公司、上海力象( a r g o x ) 公司等。 这些数据采集终端的c p u 采用a r m 、i n t e lx s c a l e 等，操作系统采用l i n u x 、 w i n c e 、p a l mo s 等，通信方式包括r s 2 3 2 、u s b 、红外和各种无线网络，部分 高端产品还具有掌上电脑功能。 目前各公司开发的数据采集终端多以手持或便携式为主，虽然其数据处理和 传输功能十分强大，但并不适合直接用于生产线上产品信息的采集。用于生产线 上采集产品信息的信息自动采集终端要固定在生产线上，要求其条码扫描器达到 工业级标准，并具有全方向、宽视场、大景深识别范围，适合传送带上运动产品 条码信息的可靠识别；并能与物位传感器结合判断生产线上产品的状态；还要配 以键盘和显示装置显示现场信息以提示人员操作；同时还能够通过以太网与数据 服务器通信，而且设备要适应在低温、高湿和电磁干扰环境下工作。综合以上因 素考量，目前市场上没有满足这一特定需要的工业低成本方案。 光学字符识别技术的发展已有数十年的历史，其中国内外对基于图像的字符 识别技术的研究非常活跃，提出了一些算法，取得了一定进展。在这之中，研究 较多的应用领域有：汽车牌照字符的提取与识别囝1 卯，文本图像中字符的定位与 分割【6 】【7 】，票据、证件中字符的定位与识别【8 删以及门牌字符的定位与识别 1 0 】【l l 】。 字符区域的定位与字符提取是字符识别的前提和关键，它直接决定识别的效果。 而往往因为应用领域的不同，字符区域的定位和字符提取缺少通用的适用法则及 算法，往往需要针对具体应用领域设计其定位与提取算法。而在字符识别环节， 其输入数据往往已不包含，或包含很少具体应用领域的特殊性，因此可以借鉴一 些成熟的模式识别算法。在本课题中，产品信息印于包装袋上，而目前对于产品 包装袋上产品信息定位与提取算法的研究较少，因此需要针对这一应用领域设计 其定位与提取算法。 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n r f i d ) 技术是一种利用射频通信 实现的非接触式自动识别技术。该技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞 机的敌我目标识别。2 0 世纪9 0 年代以来，随着大规模集成电路、通信网络、信 北京工、j p 大学工学硕士学位论文 息安全等技术的发展，r f i d 技术得到了快速的发展，已经进入商业化应用阶段。 近年来，我国已初步开展了r f i d 相关技术的研发及产业化工作，并在部分应用 领域开始应用，但基础相对薄弱，缺乏核心技术，应用分散，不具备规模优势【1 2 】。 r f i d 技术按照能量供给方式不同可分为有源、无源和半有源三种；按照工作频 率的不同，r f i d 标签可分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 和微波频 段( m w ) 。目前，国际上r f i d 的应用以l f 和h f 标签产品为主。在本课题中， 单个产品的价格低，但数量巨大，若每个产品包装都贴上r f i d 标签，按目前的 r f i d 技术造价，其成本将大大高于以条码和字符识别的产品信息自动采集方案。 因此，考虑到目前的技术成本，r f i d 方案并不适合本课题，但随着成本的降低， r f i d 可以考虑作为下一代产品信息自动采集系统的技术方案。 1 3 本论文的主要任务 本论文的主要任务是在了解各种信息自动采集技术的基础上，根据课题中的 产品信息自动采集系统的具体要求，分别设计基于条码技术和基于图像处理技术 的产品信息自动采集系统的网络终端机，实现产品信息的自动采集和处理，具体 内容包括如下几个方面： 1 、设计基于条码技术的产品信息自动采集系统的网络终端机的整体架构。 2 、设计基于条码技术的产品信息自动采集系统的网络终端机的各个硬件模 块和系统软件。 3 、设计基于图像处理的产品信息自动采集系统的网络终端机的整体架构， 包括硬件架构设计和软件架构设计。 4 、研究并设计基于图像处理的产品信息自动提取算法，实现对产品信息的 自动定位与提取。 第2 章基于条码技术的产品信息自动采集系统的网络终端机设计 第2 章基于条码技术的产品信息自动采集系统的网 络终端机设计 2 1 系统整体方案设计 针对本课题所应用的产品生产流水线领域，设计一套基于条码技术的产品信 息自动采集系统，该系统的实现结构如图2 一l 所示。 ，。 i ， t i l l ：生产羧l t 1 ：生产翻搿 i 。二 图2 - 1 系统结构图 其中，网络终端机安装在流水线的上方，主要由物位传感器、条码识读器、 数据处理模块、通信传输模块和按键显示模块构成。物位传感器放置在条码识读 器的前面，即网络终端机的入口处，其作用是监测流水线上的物流状态，指示系 统是否处理条码识读器读出的数据，为系统判断流水线是否出现异常提供依据。 条码识读器负责识别条码标签，将条码信息转换为字符信息，并将这些信息转换 成数字信号，由r s 2 3 2 串口或其它通信接口输出。条码识读器应选择具有全方 向、宽视场、大景深识别范围，适合检测流水线上运动产品条码信息的工业级产 品。数据处理模块是系统的核心，负责处理来自物位传感器的模拟信号和来自条 码识读器的数字信号，对来自控制面板的按键操作做出反应，将相关信息显示在 控制面板的数码管和各种指示灯上，将处理的结果通过网络通信模块传送至数据 库。因此，需要选择具有处理混合信号能力，片上资源丰富的处理芯片搭建数据 处理模块。通信传输模块负责将数据处理模块处理后的数据打包成符合t c p i p 协议的数据包，通过局域网发送至数据库。按键显示模块主要负责向现场工作人 北京工业大学工学硕十学位论文 员提供现场信息，并允许工作人员对出现的异常情况进行人工干预。 2 2 条码技术简介 条码是由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的标记，用以表达一定的 信息。 69 02o 89 9 4 2 6 2 图2 2 条码样例 条码通常用来对物品进行标识，这个物品可以是用来进行交易的一个贸易项 目，也可以是一个物流单元。所谓对物品的标识，就是首先给某一物品分配一个 代码，然后以条码的形式将这个代码表示出来，并且标识在物品上，以便识读设 备通过扫描识读条码符号而对该物品进行识别。 个完整的条码符号由两侧空白区、起始字符、数据字符、校验字符( 可选) 和终止字符以及供人识读字符组成，如图2 3 所示。 图2 3 条码符号结构 其中空白区( c l e a r a r e a ) 是条码起始符、终止符两端外侧与空韵反射率相同 的限定区域；起始符( s t a r tc o d e ) 是位于条码起始位置的若干条与空，用来标识 一个条码符号的开始，识读设备确认此字符存在后开始处理扫描脉冲；终止符 ( s t o pc o d e ) 是位于条码终止位置的若干条与空，用来标识最后一个条码符号： 条码数据符( b a rc o d ec h a r a c t e rs e t ) 是表示特定信息的条码字符；条码校验符( b a r 臻e鞭憎m隧h鞯继秘“畴 第2 章基于条码技术的产品信息自动采集系统的网络终端机设计 c o d ec h e c kc h a r a c t e r ) 是表示校验码的条码字符，用来判定此次识读是否有效， 通常是一种算数运算的结果；工人识别的字符位于条码字符的下方，与相应的条 码字符相对应。 条码按照不同的分类方法，不同的编码规则可以分成许多种，现在己知的世 界上正在使用的条码有2 5 0 多种【1 3 1 。一维条码是通常所谓的传统条码，按照条码 长度来分可分为定长和非定长条码，按照应用可分为商品条码和物流条码，其中 商品条码包括e a n 码和u p c 码，物流条码包括1 2 8 码、i t f 码、3 9 码、库德巴 ( c o d a b a r ) 码等。二维条码根据构成原理、结构形状的差异，可分为行排式二 维条码( 2 ds t a c k e db a rc o d e ) 和矩阵式二维条码( 2 dm a t r i xb a rc o d e ) 两大类。 条码识读设备是条码技术的重要一环，其一般工作原理为：由光源发出的光 线经过光学系统照射到条码符号上面，被反射回来的光经过光学系统成像在光电 转换器上，使之产生电信号，信号经过电路放大后产生模拟电压，它与照射到条 码符号上被反射回来的光成正比，再经过滤波、整形，形成与模拟信号对应得方 波信号，经译码器解释为计算机可以直接接收的数字信号。 2 3 网络终端机系统的硬件设计 2 3 1 硬件框架设计 将网络终端机的功能进行抽象总结，得到如图2 4 所示的系统功能框架图。 图2 4 系统功能框架图 - ，r - 潞 一 网 一 - - ：! 量型：奎兰! 兰至兰薹堡篁圣 2 32 物位检测模块设计 根据文献【1 4 15 的研究，决定物位检测模块采用物位传感器监测流水线e 的物流状态。所谓物位是液位、料位和界位的统称。根据工作原理的不同，物 位传感器可以分为静压式、浮力式、点穴式、声学式、光学式和核辐射式。本系 统采用的物位传感器是p i l 公司的超声波距离传感器，型号为 p 4 7 一f 4 v 一2 d 一1 d 0 3 0 0 e ，如图2 5 所示。 一 、 - ：o ? ， 一， 一。毒：i ，一。： 幽2 5 超声波距离传感器 该传感器具有如下一些主要参数： 最小铡量距离：1 0 0 唧 最大测量距离：6 0 0 n 吼 输出范围：4 2 0 m a 灵敏度：3 2ua m m 工作温度：1 5 1 7 5 反应时词( 9 0 o f f i n a lv a l u e ) ：5 0 m s 它的线性响应范围如图2 6 所不。 图26 传感器的线性响应范围 另外，超声距离波传感器只能在定三维空间范围内可靠地测量其与一个物 体之间的距离，超过该空间范围，测量结果将不可靠。该传感器的有效空间测量 叁 茎：茎薹二圣：! 圣查墼耋坌至呈! 塑垂耋重薹墼塑丝茎耋尘垒窒 范丽如图27 所示。 图2 7 超声波距离传感器的空间测量范围 包括物位传感器在内的网络终端机安装于流水线上方，距离流水线的传送带 有一定的高度。当物位传感器与流水线传送带之间没有其它物体阻挡时，物位传 感器测量的是传感器与传送带之间的距离，并将其转换为电流信号，通过外接电 阻，将其转换成符合数据处理模块a d c 电压转换范围的电压信号。当流水线上 有产品经过系统的物位传感器下方时，由于产品的阻挡，此时物位传感器测量的 是传感嚣与产品上表面之间的距离。因为产品有一定的厚度，因此后者的距离要 小于前者的距离，导致其转换的电压信号发生变化，通过数据处理模块监测该电 压的变化，达到监测流水线上物流状态的目的。 2 3 3 条码识读器 本文设计的网络终端机采用美国m e t r o l o g i c 公司的t e c h8 工业条码扫描器 如图2 - 8 所示。 凹2 - 8 t e c h8 工业条码扫描器 该工业条码扫描器主要用于较小空间的近距离扫描，配有r s 2 3 2 串口，防 水防震，支持传送带的最高速度0 ：8 m s ，因此适合应用于本课题中产品流水线上 条码识读的应用场合。它提供全向扫描和光栅扫描两种模式，前者适用于条码标 ：! 量三兰奎耋三茎至圭耋堡兰圣 签方向不确定的情况，后者适用于条码标签位置和方向都确定的情况；它最小可 识读的条码宽度是o1 9 m m ；它的扫描景深如图2 - 9 所示。 图2 - 9 t e c h8 工业条码扫描嚣的扫描景深 通过配置软件m e t r o s e t ，可以对t e c h8 工业条码扫描器进行配置，包括对通 信接口的配置，以及对可识读的条码种类的配置等，如图2 - 1 0 所示。 睁引鲥舒 一 母国 ? 嚣= ? 1 ，o ， 蠡! ：= _ 一f “鼍冀划：糍董燕。 篙扩? 嚣l ”= = 5 兰_ i - 一 警 。拦。= =。 ? = = 。点篓弦 ： 竞赢。1 ：= 翟。，i “篇；_ 二川i ，一一l i ：= ： 绥雾蓬誉翟 图2 1 0 t e c h8 工业条码扫描器配置软件 完成对条码扫描器的配置工作后，条码扫描器的识读结果将通过r s 2 3 2 串 口传送至数据处理模块。 2 34 数据处理模块设计 本系统以s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司的高性能单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心搭建数 据处理模块该单片机具有较强的数据处理能力，以及丰富的片上资源可以满 足系统的设计要求。它具有如下一些特性： 第2 章基于条码技术的产品信息自动采集系统的网络终端机设计 高速、流水线结构的与8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核，比标准8 0 5 1 快9 倍以 上( 可达2 5 m i p s ) 有8 个8 到i o 口。 一个1 2 位 。 通用数字i 0 端口，独特的数字开关阵列可以把内部资源定向 位8 通道和一个8 位8 通道的a d c ，带p g a 和模拟多路开关 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式。 6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器，4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片 内r a m ，可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口。 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口；5 个通用的1 6 位 定时器，具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列。 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器。 作为混合信号s o c 微控制器，c 8 0 5 1 f 0 2 0 因此搭建系统时基本不用扩展其他外围芯片。 脚图如图2 1 1 所示。 片上集成了很多常用的功能模块， 它的封装结构为t q f p 一1 0 0 ，其引 图2 1 1c 8 0 5 1 f 0 2 0 引脚图 数据处理模块的主要功能是：处理物位传感器的模拟信号，需要用到1 路 北京t 业大学工学硕士学位论文 a d c ；接收条码识读器的串口数据，并将处理后的数据通过另一个串口发送至网 络通信模块，故需要2 个u a r t 接口；还需要使用若干通用i o 口与控制面板进 行通信；时钟电路使用c 8 0 5 1 f 0 2 0 的内部时钟；此外还需要复位电路、供电电 路和j t a g 接口电路等。数据处理模块的电路组成图如图2 1 2 所示。 图2 1 2 数据处理模块的电路组成图 2 3 4 1 供电电路 供电电路原理图如图2 1 3 所示。 图2 1 3c 8 0 5 1 f 0 2 0 供电电路原理图 供电电路采用了两个电源芯片，分别为国家半导体公司电源芯片l m 2 9 4 0 ， 其输出为5 v ；另外一个为s i p e x 公司的l d o ( 低压差) 型电源芯片s p x l l1 7 m 3 3 3 ， 其稳压输出得到3 3 v 电压，作为c 8 0 5 1 f 0 2 0 的电源。 因为c 8 0 5 1 f 0 2 0 上既有模拟功能模块，如a d c ，又有数字功能模块，如u a r t 接口，因此应使用模拟电源和数字电源分别为模拟部件和数字部件供电。为了降 低噪声和干扰，数字电源与模拟电源通过0 欧电阻( 或者电感) 进行隔离，分别给 c 8 0 5 1 f 0 2 0 提供数字电源与模拟电源。除此之外，每个芯片电源管脚前与地之间 都连接了去耦电容以减小串扰。 第2 章基于条码技术的产品信息自动采集系统的网络终端机设计 2 3 4 2 复位电路 复位电路原理图如图2 1 4 所示。 牛路：一= 嚣 复位电路 图2 1 4 c 8 0 5 1 f 0 2 0 复位电路原理图 这是典型的r c 复位电路。当按键按下后，复位引脚r s t 电平被强制拉低， 导致c 8 0 5 1 f 0 2 0 强制进入复位状态。当没有按键时，电路中的电阻电容会拉高 r s t 引脚的电平，防止强噪声引起复位。 2 3 4 3 物位传感器信号输入电路 物位传感器信号输入电路与c 8 0 5 1 f 0 2 0 连接如图2 1 5 所示。 一 由于物位传感器输出的是电流信号，需要外加电阻将电流信号转换成电压信 号，然后此电压加在c 8 0 5 1 f 0 2 0 的a d c 输入端口，将其转换成数字量。 图2 1 5 物位传感器信号输入电路原理图 a 琳o o a d j o 1 a d 的2 a 矾0 1 3 a d j o 4 a 掰o 5 a 掰o 6 a 矾o 7 2 3 4 4j t a g 接口电路 数据处理模块的j t a g 接口电路采用标准的1 0 针j t a g 仿真调试接口。j t a g 信号的定义及与c 8 0 5 1 f 0 2 0 连接如图2 1 6 所示。 d 犍嚣 日 n 图2 1 6j t a g 接口电路原理图 - 1 3 - 北京t i i ! 大学工学硕士学位论文 置量舅曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼鼍曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼! ii 舅曼! 寰曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曹皇蔓! 曼鼍曼曼曼曼! 曼曼曼皇曼量皇皇皇曼皇曼曼量 2 3 4 5 串口通信电路， 因为数据处理模块需要接收条码识读器的串口数据，并将处理后的数据通过 另一个串口发送至通信传输模块，故需要2 个串口，而c 8 0 5 1 f 0 2 0 片上刚好集 成了2 个u a r t 串口，可以满足系统的设计要求。串口通信电路原理图如图2 1 7 所示。 气怨三 图2 1 7 串口通信电路原理图 瓤 l j 、 v - - o 。，- o 0 r - o 1 一曲 旬 在串口通信电路中采用m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 芯片作为r s 2 3 2 电平转换芯 片，它具有与c 8 0 5 1 f 0 2 0 一样的供电电压，较低的电流消耗( 3 0 0 p a ) 和较高的 传输速率( 1 2 0 k b p s ) 。 2 3 5 按键显示模块设计 按键显示模块主要负责向现场工作人员提供现场信息，并允许工作人员对出 现的异常情况进行人工干预。考虑到所需l e d 数码管和按键数目较多，而 c 8 0 5 1 f 0 2 0 上的i 0 口资源有限，且按键扫描和数码管显示需要占用c 8 0 5 1 f 0 2 0 大量处理时间和软件、硬件资源，加重c 8 0 5 1 f 0 2 0 的负荷，所以本系统采用了 一款数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片c h 4 5 2 。按键显示模块的电路连接图 如图2 1 8 所示。 第2 章基于条码技术的产品信息自动采集系统的网络终端机设计 兰i 2l 县 g譬 。f 。i ， 暑 - _ 0- 4 f 畦麓盏l2 鹣 2 日日。日日。日日。日日 半乒， ，善i i i i j oi i， i ：j -川 _j- l 二u ， 、 m ： j f 上 mj i _ ； “d 啊 翟甚基1 7 1 7 1 。 硒 嚣 盘匠工i 警 。l 。 ：j ， ，“! 亨3 a 。i 吼臣巴啦啦 墨 h 型： 善二：l 卺执 口1 野-i = 1 莩五。广“。 r k 卜 r 咯一r r 吩h 卜r 。_广唷一 1 _ _ p r 1 r 一； 争痔 产广鸭h ，一 广呻p 一广- 窖时p _ 1 = 一l_ jr 1 一 4 啼一r 。“禽一 广产r _ 呻，一 广嚏p 一广 1 rl 图2 1 8 按键显示模块电路原理图 - 一 c h 4 5 2 内置时钟振荡电路，可以动态驱动8 位数码管或6 4 位l e d ，同时还 可以进行6 4 键的按键扫描。在显示驱动方面，动态显示扫描控制，直接驱动8 位数码管、6 4 位l e d 或6 4 级光柱；可选数码管的段与数据位相对应的不译码 方式或b c d 译码方式；支持数码管的字数据左移、右移、循环左移和循环右移； 可以进行扫描极限控制，只为有效数码管分配扫描时间。在键盘控制方面，内置 6 4 键键盘控制器，基于8 8 矩阵键盘扫描；定期在显示驱动扫描过程中插入键 盘扫描；内置去抖电路；键盘中断，可以选择低电平有效输出或低电平脉冲输出。 单片机可以通过4 线串行接口或2 线串行接口控制c h 4 5 2 。c h 4 5 2 的数码管显 示驱动和键盘扫描控制之间相互独立，单片机可以通过操作命令分别启用、关闭 和设定这两个功能。c h 4 5 2 的4 线接口是由硬件实现的，单片机可以频繁地通 过串行接口进行高速操作，而不会降低c h 4 5 2 的工作效率；c h 4 5 2 的2 线串行 接口是由硬件和软件共同实现的，所以不适合不间断地频繁操作。本系统采用4 线串行接口的c h 4 5 2 。 2 3 6 通信传输模块设计 网络终端机采用n e t c o m 1 0 s 作为网络通信传输模块。n e t c o m 1 0 系列 是周立功公司开发的一款串口转以太网设备，它内部集成了t c p i p 协议栈，可 以将r s 2 3 2 接口上的数据传送到1 0 m 的以太网上，完成嵌入式设备的网络功能。 通信传