实施紧凑型高性能跟踪和追溯系统

作者：Jens Wallmann

投稿人：DigiKey 欧洲编辑

工厂自动化和货物跟踪系统设计人员需要能够读取热敏打印、光刻或金属点阵等条码标签类型的光学条码读取器。要解码传送带上快速移动且不断变化的条码标签，需要读取器具备低延时、高分辨率的图像处理功能，能够准确解码损坏或脏污的条码。尽管存在光照条件不佳、标签方向不可预测及标签形状凹凸不平等情况，但读取器必须在恶劣环境中保持可靠运行。

为了在符合成本与时间限制的同时满足这些需求，工业工厂设计人员可以使用现成即用的条码读取器，这些读取器可以根据各种目标应用场景而随时配置。

本文简要讨论了条码标准和读取器要求，随后介绍了 [Omron Automation and Safety]的基于图像的合适条码读取器，这些读取器可在现场轻松配置，并辅以各种彩灯和滤光片模块。本文讨论了支持的条码标准、布线以及如何配置读取器软件。

条码标准类型

条码类型多种多样，而且每种类型都具有独特功能和要求。图 1 所示为线性（一维）条码、堆叠式线性条码、矩阵（二维）条码和 DotCode（点码）符号示例，以及在不同材料上以不同对比度和分辨率质量进行直接零件标记 (DPM) 的照片。

图 1：读取器需要支持各种条码，包括线性（一维）条码、堆叠式线性条码、二维矩阵符号和 DotCode（点码）符号（上图）。DPM 具有不同的对比度和分辨率特性（下图）。（图片来源：Omron）

图 2 右侧的二维矩阵显示了二维码结构：四个正方形参考标记定义了条码标签的读取方向，而两条斑马线则表示读取时钟。一半以上的单元格包含用户数据字，其余的作为纠错冗余位。

图 2：二维码在数据字（左）中添加了纠错及参考和时钟标记。可调节的纠错级别可重建 7% 至 30% 的丢失符号区域（右图）。（图片来源：Omron）

如果使用 Reed-Solomon 算法生成二维码符号，纠错功能可以重建 7% 至 30% 的丢失符号区域，具体取决于所选的级别（图 2，右图）。根据 ISO/IEC 24778 标准，Aztec 码是一种适用于空间受限应用的二维点阵码，可在任何方向读取，并规定了 5% 至 95% 的可调纠错率。

基于图像的条码读取器集成了图像处理功能

Omron 的小型 MicroHAWK[V430-F]系列条码读取器可以充分展示读取器的先进性与功能发展。这些读取器可以在严苛工厂环境中可靠地读取各种表面上的不同矩阵条码。使用功能强大的纠错算法，以高达 60 fps 的速度解码受损和不完整的符号。先进的光学器件结合了单色或彩色图像传感器，分辨率高达 5 MP，并提供各种定焦或自动对焦选项。

[V430-F000L12M-SRX]单色条码读取器的分辨率为 1280 x 960 像素 (1.2 MP)（图 3）。该读取器集成了一个景深达 1160 mm 的自动对焦镜头、8 个红色聚光灯 LED 和 800 MHz 的图像处理器，封装尺寸为 44.5 mm（宽）x 25.5 mm（高）x 56.9 mm（深）。

图 3：所示为集成照明功能的 V430-F000L12M-SRX 条码读取器（左），以及扩展增加 LED 环形灯和漫射器模块（右）。（图片来源：Omron）

V430-F 读取器具有 IP67 防护等级，可在工业生产区域现场轻松安装和配置。板载图像处理功能可捕捉一维、二维和点阵码，并在对比度较低的条件下检测 DPM。设备的错误和图像处理算法可以解码损坏、脏污、模糊或扭曲的条码标签，并将其输出为纯 ASCII 文本。

V430-F 系列的一些重要功能包括：

• 支持的条码标准：
  • ISO/IEC 15415：DataMatrix（ECC200、GS1）、二维码、微型二维码
  • ISO/IEC TR 29158：DataMatrix（ECC200、GS1）
  • ISO/IEC 15416：条码 128/GS1-12、UPC/EAN (JAN)、ITF、条码 39、条码 93、Codabar
  • ISO/IEC 16022：DataMatrix（ECC200、GS1）
• 三种分辨率选项:
  • 752 x 480 (0.3 MP) 或 1280 x 960 (1.2 MP) 单色，2592 x 1944 (5.0 MP) 彩色
• 50 至 300 mm 自动对焦、75 至 1200 mm 自动对焦和定焦
• 焦距：广角、中焦或窄角/长焦
• 读取周期为 32 ms，速度高达 60 fps
• 电源电压为 5 至 30 V，可选以太网供电 (PoE)（模式 B），24 V 时的电流消耗为 180 mA
• 三个输入/输出 (I/O) 控制端口由光耦合器隔离
• 通过 RS-232、TCP/IP、以太网/IP 或 Profinet 通信
• 菊花链最多可连接 8 个读取器
• 基于浏览器进行配置和监控的 WebLink 图形用户界面 (GUI)

[V430-F000W12M-SRP]版本使用广角镜头，其图像处理固件采用 Plus Mode 替代 X-Mode 纠错。Plus Mode 适用于标签等高对比度条码，而 X-Mode 的积极符号定位、分析和重建算法使其适用于所有标签，包括低印刷级条码和 DPM。F430 系列设备具有双重功能，即可以同时作为条码读取器和视觉检测系统运行。

附加模块可提高对比度

F430 系列有多种选项，可满足各种应用需求。例如，易于安装附加模块，如带有 8 或 24 个 LED（红色、白色、蓝色或红外）的环形灯 ([V430-AL])，可扩展条码读取器的对比度范围。此外，彩色和偏振滤光片及漫射器 ([V430-AF]) 还能减少来自光滑表面的杂散光和眩光（图 4）。

图 4：漫射器和偏振滤光片可减少反光和杂散光，从而提高对比度并减少读取误差。（图片来源：Omron）

连接条码读取器

V430-F 条码读取器配备两个 M12 插座，支持多种连接选项（图 5）。通信插座允许主机 PC 通过以太网/IP、TCP/IP 或 Profinet 读取解码数据，配置和监控条码读取器，并可选择通过 PoE（模式 B）供电。第二个插头连接到用于过程控制的可编程逻辑控制器 (PLC)，包括一个触发输入端、一个 RS-232 接口和三个输入/输出切换信号。还可使用该插头为 V430-F 供电。条码读取器的解码数据读取、配置和监控也可通过 V430-F 的 RS-232 终端完成。

图 5：V430-F 条码读取器的连接选项包括以太网、I/O 控制线、RS-232 和电源线。（图片来源：Omron）

Omron 为 V430 系列 [(V430-W]) 提供经过配置的以太网、I/O 和 RS-232 电缆。如果 V430-F 搭载安装光电传感器、辅助 LED 灯和电源等外设元器件，则 [98-000103-02] 接口可提供实用的四路分配点。

WebLink 用户界面

与条码读取器集成的 WebLink 服务器可为用户提供图形用户界面，用户只需在浏览器中输入 http://192.168.188.2 即可调用。设计人员可以从中控制、监控、配置和读出 V430-F。

图 6：可通过 WebLink 用户界面控制、读取和配置 V430-F。（图片来源：Omron）

（开始）选项卡包含所有已连接读取器的型号特定信息，可以从这里开始创建配置文件。（设置）选项卡左侧显示重要的配置设置，中间区域显示摄像头图像，并提供图像处理工具来界定条码捕捉区域。右侧的输出窗口连续显示已解码的条码数据字，这些数据字也可通过 WebLink 终端进行跟踪或通过 RS-232 接口读出。

配置参数

为了显着加快解码速度，设计人员可以精确划分检测区域，定义预期的条码类型，并优化设置图像处理算法。还可以修改解码数据字的输出格式，并插入、交换或提取字符。

无论是通过终端命令行使用 K 命令，或直接更改 WebLink 菜单项 （高级设置）中的值，设计人员可以配置以下功能区的参数：摄像头设置、通信、读取周期、符号、I/O、符号质量、匹配字符串、诊断、图像存储和 配置数据库 。

一旦在摄像头可视范围制作了感兴趣窗口 (WOI) 部分，所有相关的条码标签区域（称为感兴趣区域 (ROI)）就会在此区域内定义。最多可在配置数据库中配置 10 个此类 ROI。在 （运行）模式下，V430-F 可以在这些参数集之间切换。

各种特殊算法可以提高较差的符号质量，可通过 （高级解码参数）菜单项进行配置：

• 二维损坏模式可以解码网格对齐扭曲或单元格注册不良的符号。图 7 左上角显示了其工作原理。可通过串行命令
• 尝试形态操纵应用形态扩张或侵蚀，并尝试解码。图 7 右上角展示该算法如何增加信号强度并减少噪音。可通过串行命令

图 7：图像处理算法（如损坏模式、形态学和放大/缩小）使劣质图像也能解码。（图片来源：Omron）

• 曲面二维专为数据矩阵和二维码符号设计。
  如果红线和绿线的长度比（如图 8 所示）大于 20:1，则将激活曲面二维算法。可通过串行命令

图 8：曲面二维图像处理算法可自动检测曲面条码标签，并在解码前予以矫正。（图片来源：Omron）

• 根据 ISO/IEC 15416 标准，符号质量将输出 A 至 F 级的详细评估结果。可使用串行命令 *quiet zone> （K726、光圈、整体、边缘确定、解码、对比度、最小反射率、最小边缘对比度、调制、缺陷、可解码性和静态区域）分别启用每个参数。串行命令

表 1：串行命令

总结

基于图像的 V430-F 系列条码读取器结构紧凑，可在严苛的工厂环境中高速可靠地解码不同表面上的各种条码标准。如图所示，强大的集成图像处理功能可通过浏览器轻松配置，设计人员无需专门的图像处理经验即可启动并运行条码读取器。