条码扫描器硬件设计.docx
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条码扫描器硬件设计.docx
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条码扫描器硬件设计
TheHardwareDesignofBarcodeScanner
摘要
论文首先介绍了条码扫描器的发展趋势以及国内外的概况,并且对单片机的结构和特
点进行了详细的阐述,然后在此基础上进行系统的设计。
设计的主要内容有:
单片机、无线传输系统、条码扫描系统、供电系统、键盘系统、报警提示系统和显示系统。
系统的核心模块包括单片机、无线传输模块以及条码扫描模块。
单片机采用的为SoC单片机芯片,
并且对此芯片以及各应用模块的应用的进行了详细的介绍和说明。
系统设计了单片机的I/O接线图,并且设定了各个管脚的功能。
无线传输系统采用STR-11微功率无线数据传
输模块,介绍了此模块的特点、连接端子定义及连接示意图。
条码扫描系统选用了SE-923II类激光扫描引擎,详细介绍了激光扫描器的各个部件。
关键词条码扫描器单片机
Abstract
Firstofall,thepaperintroducedthedevelopingtrendsandtheoverviewathomeandabroadofthebarcodescanner,setoutthestructureandcharacterofthesinglechipalso.Thenitdesignsthesystembasingonthesinglechip.Themaindesignincludessomeaspects,forexample,thesinglechip,thesystemofwirelesstransmission,thesystemofbarcodescanning,thesystemofpowersupply,thesystemofkeyboard,thesystemofalarmingandthesystemofdisplaying.ThesystemusesthesinglechipofSoC.Itintroducestheapplicationofthechipandappliedmodule.Thesystemdesignsthehookupofthesinglechip,andenactmentsthefunctionofeverypin.Itdesignstheprogramofsystembasingonworkprincipleofsinglechip.WirelesstransmissionsystemadoptsSTR-11micropowerwirelessdatatransmissionmodule,andintroducesthecharacteristics,theterminalsdefinitionandconnectionschemesofthemodule.BarcodescanningsystemchoosestheSE-923IIlaserscanningengine,introduceslaserscannerpartsindetail.
KeyWordsbarcodescannersinglechip
第1章设备选取方案4
1.1单片机的选取方案4..
1.1.151系列单片机4.
1.1.261系列单片机4.
1.2无线数据传输模块的选择方案5.
1.3条码扫描模块的选择方案.5..
1.4一些辅助器件的选择方案6.
1.4.1电源模块6..
1.4.2充电模块6..
1.4.3LED显示模块6..
1.4.4系统工作框图6.
第2章C8051F022单片机8
2.1CIP-51内核8..
2.2片内存储器1.0.
2.3JTAG调试和边界扫描1.0
2.4可编程数字I/O和交叉开关1.1
2.5可编程计数器阵列.1.1
2.6串行端口12
2.712位模/数转换器1.2
2.8比较器和DAC12
第3章无线传输的应用14
3.1STR-11微功率无线数据传输模块特点1.4
3.2STR-11系列微功率无线数据传输模块的使用方法15
3.2.1电源1.5
3.2.2STR-11连接端子的定义.15
3.2.3STR-11的连接示意图1.6
3.2.4信道、接口、数据格式设定16
3.2.5休眠功能说明1.7
第4章条码扫描的选择与应用18
4.1激光源1.8.
4.2光学扫描系统1.9
4.3光接收系统1.9
4.4光电转换、信号放大及整形20
4.5译码21.
第5章一些辅助器件的选择与应用22
5.1电源模块22.
5.2LED显示模块23
5.3键盘输入电路24
5.4报警提示系统25
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谢辞错误!
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参考文献26
被发达国家誉为“自动键盘技术”的条码技术是随着计算机的发展和推广应用,自
70年代以来迅速兴起的一种自动识别技术。
1981年世界性的物品统一编码组织一一国际物品编码协会EAN成立。
至今,已有50多个国家和地区加入EAN,还有许多国家和地区纷纷成立编码机构。
世界上约有30万家公司和企业采用条码技术。
条码技术应用最广泛的领域是通用商品流通销售领域的自动销售点管理(POS)系统。
欧美、日本的POS系
统普及率已达到95%以上,目前建立商品信息电子数据交换(EDI)系统,在全球推广无纸张贸易。
1991年4月,中国物品编码中心正式加入ENA。
目前,我国采用POS系统的商店接近200个,采用条码技术的公司和企业近6万家。
在条码技术中,条码扫描器是一个主要的硬件设备。
1991年全球条码扫描器市场年销售量已达到75万台,市场年销售额已达6.1亿美元,其中激光条码扫描器占市场的68%。
我国仅国营商业企业就有128万个,商业网点720多万个,POS系统发展潜力极大,在未来的几年内,条码扫描器的国内需求量约为20万台。
条码扫描器的发展动向是以红光半导体激光器为光源的激光条码扫描器。
1、条码扫描器的国内外概况
条码技术是迄今为止最经济、准确、方便的垫子计算机数据输入手段之一。
人们根据不同的用途和需要设计了各种类型的条码扫描器。
条码扫描器有很多种分类方法。
按扫描光源的种类,分为激光式和普通光式;按光电转换器的种类,分为结型光电接收器式和电荷耦合器(CCD)式;按扫描方式,分为手动扫描和自动扫描;按扫描器的安装情况,分为手持式和固定安装式;按扫描器的工作距离和扫描景深大小,分为接触式和非接触式;按扫描时光束情况,分为固定光束式和移动光束式;按扫描光束方位多少,分为单方位式和多方位式。
目前市销的条码扫描器种类如下:
(1)LED光笔条码扫描器
LED光笔条码扫描器是以发光二极管(LED)为光源,以光电二极管为光电转换器,属手持式固定光束手动扫描接触式条码扫描器。
其特点是小巧灵活、价格低廉。
尤其适合用于办公自动化管理等领域。
(2)卡槽式条码扫描器
卡槽式条码扫描器是以LED为光源,以光电二极管为光电转换器,属固定安装固定光束手动扫描接触式条码扫描器。
其特点是可与译码电路做成一体,具有较强的通讯能力与数据处理能力,使用时手动带有条码符号的卡片价格低廉。
尤其适用于考勤和保安系统。
(3)宽槽型CCD条码扫描器
宽槽型CCD条码扫描器是以LED为光源,以电子自动扫描的电荷耦合器CCD元件为光电转换器,有手持式和固定安装式两种类型,均属固定光是自动扫描接触式条码扫描器。
其特点是无任何运动部件,性能可靠,易于操作,但所阅读的条码符号的长度受扫描器的CCD元件尺寸限制,价格适中。
尤其适合用于银行、图书管理等领域。
以上三种条码扫描器均为普通光源接触式条码扫描器,目前有国产产品。
(4)单方位移动光束激光条码扫描器
单方位移动光束激光条码扫描器是以一激光器或半导体激光器为光源,以光电二极管
为光电转换器,以旋转多面镜或振镜偏转器为光束自动扫描机构,有手持式和固定安装式
两种类型,均属单方位移动光束自动扫描非接触式条码扫描器。
其特点是工作距离和扫描
景深大,易于操作,首读率和精度高,价格较高。
手持式单方位移动光束激光条码扫描器尤其适用于系统及海关、医药和军械管理等领域固定安装式单,方位移动光束激光条码扫描器尤其适用于邮政信件自动分检和自动化生产管理等领域。
(5)多方位移动光束激光条码扫描器
多方位移动光束激光条码扫描器是以激光器为光源,以光电二极管为光电转换器,以
旋转多面镜组或振镜偏转器组或旋转多面镜和振镜偏转器组合为多方位移动光束自动扫描机构,属固定安装多方位移动光束自动扫描非接触式条码扫描器。
其特点是有一定的工
作距离和扫描景深,全向自动扫描,扫描频率、首读率和精度均高,价格也高。
尤其适用于和邮政信件自动分检等领域。
2、条码扫描器的主要技术指标和发展趋势
(1)条码扫描器的主要技术指标
条码扫描器的分辨率和扫描景深是其两个主要技术指标。
条码扫描器的分辨率是指条码扫描器在识读条码符号时,能够分辨出的条(空)宽度的最小值。
通常,按能分辨条码符号中最窄元素宽度x的大小来划分条码扫描器的分辨率。
能分辨x0.15~0.30mm条码符号的条码扫描器为高分辨率条码扫描器;能分辨x0.30~0.45mm条码符号的条码扫描
器为中分辨率条码扫描器;能分辨x0.45mm条码符号的条码扫描器为低分辨率条码扫描器。
在扫描器设计中,要求扫描光束的光点直径D(椭圆形的光点指短轴尺寸)与所
扫描的条码符号中最窄元素宽度x满足
Dkx(0-1)
式中k为经验系数,最佳的匹配情况是k0.8~1o
扫描景深(DOF)是指条码扫描器在识读条码符号时工作距离的变化范围,定义为扫描光点直径D不大于条码符号最窄元素宽度x的•一2倍时工作距离的变化范围。
即在扫
描景深内要求最大光点直径Dmax与所扫描的条码符号中最窄元素宽度x满足
当条码扫描器光深为普通光时,扫描景深很小,均属接触式条码扫描器。
使用时对软包装商品条码符号难以阅读,使应用领域受到限制。
因其难以在条码技术应用最广泛的领域POS系统中推广应用,没有发展前途。
当条码扫描器光源为激光器时,若激光束束腰
1
光斑直径20满足(0-1)式,而距束腰光斑-DOF处光斑直径2满足(0-2)式,则根
2
据基模高斯光束的性质,扫描景深DOF与激光束束腰光斑半径°和所扫描的条码符号中
最窄元素宽度x满足
式中为激光束波长。
(2)激光条码扫描器的发展新动向
1974年第一台固定安装式HeNe激光条码扫描器在美国问世,用于超级市场和仓库,而后一直到1982年才研制出第一台手持式移动光束HeNe激光条码扫描器。
这种条码扫描器虽然较重且需要较大的驱动电源,但由于其使用方便、功能齐全而被广泛采用,并逐步占领了大部分国际条码扫描器市场。
为了缩小体积、减轻重量,1986年开始研究
使用半导体激光器作为条码扫描器光源,出现了以近红外光半导体激光器为光源的激光条码扫描器,因其无法识别热印纸和蓝绿色符号的条码,故无法推广应用。
1987年,波长
670nm的红光半导体激光器投产问世以后,激光条码扫描器就展开了一场光源战役,发展趋势是以红光半导体激光器为光源的激光条码扫描器。
因其具有体积小、重量轻、无需
外部驱动电源、成本低且能有效识别热印纸和蓝绿色符号的条码等众多优点,故将逐步取
代手持式He-Ne激光条码扫描器。
1993年,彼长630nm的红光半导体激光器开始进入市场。
因各种技术印刷的条码符号对630nm的红光都可获得满意的对比度,且光电转换器在630nm波长也可获得满意的光谱灵敏度,以及在亮环境中具有高的可见度等优点,波长630nm的红光半导体激光器即受到了条码扫描器研制者和制造商的关注,在条码扫描器光源领域正成功地对发光二极管、HeNe激光器和波长670nm的半导体激光器进行挑战,成为条码扫描器的理想光源。
目前,条码扫描器的发展新动向是以波长630nm的红光半导体激光器为光源的半导体激光条码扫描器。
第1章设备选取方案
条码扫描器工作需要多组功能模块的共同协调作用完成。
该系统需要的功能模块主要包括:
单片机、无线传输模块、条码扫描模块,另外还要包括电源及充电模块、LED显
示模块、键盘输入模块和报警提示模块的一些辅助器件。
1.1单片机的选取方案
单片机是该系统的核心器件,系统的所有功能都要有单片机来处理实现。
因此,单片
机的选取非常重要。
随着科技日新月异的发展,单片机的型号和种类越来越多,而且功能都各不相同,因此单片机的可选方案非常多,单片机的选取既要符合自己设计的需要又要有很好的实用性,另外还要考虑到单片机的性价比。
1.1.151系列单片机
我们一般所说的51系列单片机,是MCS-51系列及其兼容的单片机。
MCS-51系列单片机是由Intel公司生产的,包括8031、8051、8052、8071、8052等。
MCS-51系列单片机是最早最基本的单片机,也是功能最简单的单片机。
现在随着电子工业的发展,各大芯片厂商提供了很多与其兼容的单片机。
比如Atmel
公司的AT89C系列、AT89S系列,还有Philip公司的8XC552系列,以及新华龙公司的C8051系列等。
51系列单片机系统兼容方便程序移植以及系统的升级,使用起来非常方便。
另外,51系列单片机具有性能好、速度快、体积小、价格低廉、可重复编程和功能扩展方便等特点,因而在广大领域得到了广泛的应用。
新华龙的C8051F022:
C8051F022是美国Cygnal公司推出的高速、高性能单片机中的代表产品,是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC),具有功能全面、应用广泛、性价比高等优点。
它具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核,指令系统完全相同,熟悉MCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易地掌握C8051F。
单周期指令运行速度是8051的12倍,全指令集运行速度是原来的9.5倍。
供电电压2.7V-3.6V,功耗低。
1.1.261系列单片机
61系列单片机现在应用的不是很多,我们接触到的主要是凌阳公司的单片机。
凌阳的十六位单片机的CPU内核采用凌阳公司最新推出的卩’nsp(MicrocontrollerandSignalProcess。
,读为Micro-n-SP)16位微处理器芯片。
围绕『nSP(TM)所形成的16位卩’nSP(TM)系列单片机,采用的是模块式集成结构,它以卩‘nSP(TM)内核为中心集
成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。
卩’nSP(TM)内核是一个通用的核结构。
除此之外的其它功能模块均为可选结构,亦即这种结构可大可小或可有可无。
借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成,便可形成各种不同系列派生产品,以适合不同的应用场合。
这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。
『nSP(TM)系列芯片有以下特点:
1体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展;
2、具有较强的中断处理能力;
3、高性能价格比;
4、功能强、效率高的指令系统;
5、低功耗、低电压;
综合个单片机各个方面的特点,虽然61单片机是16位的而且也有很多好的特点,但本方案对这些要求不高,而且61单片机应用不是很多,因此最终使用了51系列由新华龙公司生产的C8051F022单片机。
1.2无线数据传输模块的选择方案
无线传输模块采用STR-11微功率无线数据传输模块。
该无线模块具有接收发射合一、体积小、外围器件少,内置天线,可直接与MCU串口相接等优点,本扫描器使用了单片机的一个TTL串行口直接控制这一无线传输模块,平时该模块处于休眠状态,当有无线传送请求时,单片机用一个I/O信号将其激活,响应无线传送请求。
1.3条码扫描模块的选择方案
系统选择的条码扫描器件是SE-923II类激光扫描引擎。
该扫描引擎体积小、重量轻、亮度明亮、扫描速度最快。
该激光扫描器具有功耗低、扫描速度快、精度高、自动识别等一维条码标致等特点。
扫描器使用了单片机的另一个TTL串行口直接与扫描模块通讯,用户通过按键来触发扫描,扫描模块把一维或二维码的信息通过串口发到单片机。
扫描模块在扫描不成功时给单片机发送错误的声音提示;在长时间不进行扫描时,扫描模块自动转入休眠状态,以减少功耗。
1.4一些辅助器件的选择方案
1.4.1电源模块
电源模块由两部分组成,1AH的锂电池和电源稳压芯片MAX604。
MAX604芯片是一种低压差、低功耗线性稳压器,用来保证系统工作电压的稳定。
锂电池随着使用时间的增加,电量将会逐渐降低,不能有效保证系统稳定工作。
因此在锂电池后端加一片MAX604,电压始终稳定在3.3V。
1.4.2充电模块
充电模块是用来在电池的电量不足的情况下,及时的对电池进行充电。
锂电池的电量
参数为:
正常情况下电压是3.6V,电压低于2.5V时,就要对电池进行充电,充电最高电压可以达到4.1V。
在系统中要实时检测电池电压,当电池电压过低时,能及时提醒用户充电,以防止电池电压过低继续使用时,损坏电池。
1.4.3LED显示模块
液晶显示屏是用来显示系统所需要的各种参数信息的,它不仅可以让用户很明了的看到该系统的运行状态,而且还便于用户根据自己的需要对系统进行必要的操作。
因此选取
一块既符合单片机的运行需要又能方便用户操作的显示屏尤为重要。
扫描器显示液晶屏采用KS0741芯片,该芯片本身自带驱动模块,驱动模块与CPU的接口有串行或并行两种控制方式,本扫描器采用并行控制方式。
该液晶屏功耗较低,工作电流仅为毫安级。
它可以显示文字与图片,该液晶屏最多可以显示8*16个汉字。
能为用户显示各种信息。
1.4.4系统工作框图
条码扫描器通常也被称为:
条码扫描枪或条码阅读器,是用于读取条码所包含信息的阅读设备,条码扫描器的基本工作原理为:
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一模拟电压,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的方波信号,经译码器解释为计算机可以直接接受的数字信号。
下面为本系统的大体程序框图:
图1.1系统结构框图
PC机
>RS232
第2章C8051F022单片机
2.1CIP-51内核
C8051F022器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片,具有64个数字I/O引脚。
下面列出了一些主要特性:
1、高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS);全速、非侵入式
的在系统调试接口(片内);真正12位、100ksps的8通道ADC,带PGA和模拟多路开关;真正8位500ksps的ADC,带PGA和8通道模拟多路开关;两个12位DAC,具有可编程数据更新方式;64K字节可在系统编程的FLASH存储器;4352(4096+256)字节的片内RAM;可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口;硬件实现的SPI、
SMBus/l2C和两个UART串行接口;5个通用的16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、VDD监视器和温度传感器。
2、具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F022是真正能独立工作的片上系统。
所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。
FLAS存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新8051固件。
片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不
占用片内资源)、全速、在系统调试。
该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。
在使用JTAG调试时,所有的模拟和数字外设都
可全功能运行。
3、每个MCU都可在工业温度范围(-45T到+85T)内用2.7V-3.6V的电压工作。
端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。
C8051F022为100脚TQFP封装。
C8051F02x系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。
CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容,可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件,包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间及8/4个字节宽的I/O端口。
CIP-51采用流水线结构,与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
在一个标准的8051中,除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期,最大系统时钟频率为12-24MHZ。
而对于
CIP-51内核,70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期,只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。
CIP-51共有111条指令。
下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系:
表2.1指令周期表
执行周期数
1
2
2/3
3
3/4
4
4/5
5
8
指令数
26
50
5
16
7
3
1
2
1
模拟电源数字电源复位电路时钟电路模/数转换
器等
CIP-51工作在最大系统时钟频率25MHz时,它的峰值性能达到25MIPS
地址
P6接口
数据总线
数据
P7接口
图2.18051F022框图
C8051F02X系列MCU对CIP-51内核和外设有几项关键性的改进,提高了整体性能,
更易于在最终应用中使用
扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源(标准8051只有7个中断源)。
允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预,因而有更高的执行效率。
在设计一个多任务实时系统时,这些增加的中断源是非常有用的。
MCU可有多达7个复位源:
一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。
/RST引脚是双向的,可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。
除了VDD监视器和复位输入引脚以外,每个复位源都可以由用户用软件来禁止。
在一次上电复位之后的MCU初始化期间,WDT可以被永久性使能。
MCU内部有一个独立运行的时钟发生器,在复位后被默认为系统时钟。
如果需要,时钟源可以在运行时切换到外部振荡器,外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。
时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的,它允许MCU从一个低频率(节电)外部晶体源运行,当需要时再周期性地切换到高速(可达16MHz)的内部振荡器。
2.2片内存储器
CIP-51有
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