NL1009156C2 - Optische inrichting voor het uitlezen en decoderen van volgens een barcode aangebrachte en aan elkaar grenzende stroken van verschillende reflectiviteit. - Google Patents

Description

Korte aanduiding:

Optische inrichting voor het uitlezen en decoderen van volgens een barcode aangebrachte en aan elkaar grenzende stroken van verschil-5 lende reflectiviteit.

De uitvinding heeft betrekking op een optische inrichting voor het uitlezen en decoderen van volgens een barcode aangebrachte en aan elkaar grenzende stroken van verschillende reflectiviteit, omvattende 10 een optische aftastinrichting voor het door middel van een lichtbundel aftasten van de stroken, een sensor voor het ontvangen van de gereflecteerde lichtbundel en het omzetten daarvan in een elektrisch sen-soruitgangssignaal, een overgangsdetector voor het detecteren van de niveau-overgangen van het sensoruitgangssignaal en een decodeerinrich-15 ting die op basis van de uitgangssignalen van de overgangsdetector de afgetaste barcode decodeert.

Een dergelijke inrichting, waarbij het traject van sensor tot en met overgangsdetector in analoge elektronica is uitgevoerd, is algemeen bekend.

20 In de praktijk hebben de optische leesinrichtingen voor het lezen en decoderen van barcodes dikwijls te maken met een problematisch kleine signaal-ruisverhouding, met name bij slecht bedrukte barcodes en in geval dicht bij de rand van het leesgebied wordt gelezen. Het is dan niet eenvoudig om op nauwkeurige wijze de overgan-25 gen te bepalen. Deze overgangen worden dikwijls bepaald door het bepalen van de toppen van de eerste-afgeleide van het sensoruitgangssignaal.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een inrichting van de in de aanhef genoemde soort, waarbij ondanks een slechte signaal-30 ruisverhouding van het sensoruitgangssignaal de betrouwbaarheid van het bepalen van de overgangen op eenvoudige wijze kan worden verbeterd en waarbij de kosten van de inrichting tot een minimum wordt beperkt.

Een stap in de goede richting zou zijn het digitaliseren met een analoog-digitaal omzetter, bijvoorbeeld een snelle ADC (analog-35 digital converter). Een dergelijke component heeft echter zijn prijs vanwege de vereiste snelheid, waardoor ook de dissipatie een probleem is.

1009156 2

Het gestelde doel wordt volgens de uitvinding daardoor bereikt, dat de overgangsdetector is voorzien van een comparator en een op de uitgang daarvan aangesloten flipflop, waarbij het sensoruitgangssig-naal wordt toegevoerd aan de ene ingang van de comparator en de uit-5 gang van de flipflop via een of meer eerste integratoren met de andere ingang van de comparator is gekoppeld, een of meer op de uitgang van de flipflop aangesloten tweede integratoren en een hierop aangesloten inrichting voor het bepalen van de posities van de overgangen van de barcode.

10 In beginsel wordt hierbij gebruik gemaakt van een zogenaamde bitstroomconverter die bestaat uit de hierboven genoemde comparator, flipflop en eerste integratoren. Op de uitgang van de bitstroomconverter (van de flipflop) zijn tweede integratoren aangesloten, bij voorkeur digitale integratoren.

15 Bij een uitvoeringsvorm wordt het sensoruitgangssignaal aan de comparator toegevoerd en is het aantal eerste-integratoren gelijk aan het aantal tweede-integratoren, zodat op de uitgang van de laatste van de tweede integratoren het sensoruitgangssignaal optreedt. Uit dit sensoruitgangssignaal kan een eerste-afgeleide signaal worden opge-20 wekt, uit de maxima en minima waarvan de posities van de overgangen van de barcode kunnen worden bepaald.

Bij een andere uitvoeringsvorm worden twee eerste integratoren en één tweede integrator toegepast, waarbij het dan niet meer nodig is een inrichting toe te passen die een eerste-afgeleide signaal opwekt. 25 Het eerste-afgeleide signaal kan worden afgenomen van de uitgang van de tweede integrator, waarbij uit de maxima en de minima van dit eerste-afgeleide signaal de posities van de overgangen vein de barcode worden bepaald.

Bij voorkeur wordt het sensoruitgangssignaal aan de comparator 30 toegevoerd via een eerste-afgeleide-inrichting, die uit het sensoruitgangssignaal een eerste-afgeleide signaal opwekt. Wanneer het aantal eerste integratoren gelijk is aan het aantal tweede integratoren ontstaat dus op de uitgang van de tweede integratoren een eerste afgeleide signaal. Hierbij wordt het voordeel bereikt, dat veel minder last 35 wordt ondervonden van de grote dynamiek van het sensorsignaal als gevolg van omgevingslicht.

Verdere uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn in de volg-conclusies beschreven.

*00915* 3

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen. In de tekeningen tonen:

Fig. 1 een blokschema van een uitvoeringsvorm van de digitale overgangsdetector volgens de uitvinding; 5 Fig. 2 een verdere uitwerking van een bitstroomconverter met twee integratoren;

Fig. 3 ©en blokschema van een bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm van de overgangsdetector volgens de uitvinding;

Fig. 4 een voorbeeld van een convolutiefilter met een cosinus-10 kwadraatfunctie; en

Fig. 5 een voorbeeld van de frequentiekarakteristiek van het convolutiefilter.

In een bekende optische aftastinrichting of laserscanner wordt door middel van een stelsel van lenzen en spiegels, waaronder spiegels 15 die bevestigd zijn aan de as van een motor en daarmee roteren, een vast lijnenpatroon met een laserstraal geschreven. Wanneer de laserstraal een object, bijvoorbeeld een barcode treft, wordt een deel van het licht diffuus gereflecteerd. Een deel van dit gereflecteerde licht wordt door middel van een omgekeerd werkend stelsel van lenzen en 20 spiegels geprojecteerd op een sensor, bijvoorbeeld in de vorm van een fotodiode. In het laatstgenoemde stelsel van lenzen en spiegels wordt grotendeels gebruik gemaakt van de eerder genoemde spiegels die voor het genereren van het aftastlijnenpatroon worden gebruikt, waaronder de roterende spiegels. De momentele hoeveelheid licht die op de sensor 25 invalt, is aldus een maat voor de reflectiviteit van het object ter plaatse van de laservlek.

De hierboven in het kort omschreven optische aftastinrichting is algemeen bekend en de uitvinding is meer in het bijzonder gericht op het ontvanggedeelte van het gereflecteerde licht. Daarom kan hier 30 worden volstaan met het verwijzen naar de stand van de techniek voor de implementatie van de aftastinrichting.

In fig. 1 is het blokschema van een uitvoeringsvorm van een overgangsdetector volgens de uitvinding getoond, welke met voordeel kan worden toegepast in een optische uitlees- en decodeerinrichting 35 voor barcodes. Het door de barcode gereflecteerde lichtbundel valt in op de sensor 1 en wordt daardoor omgezet in een elektrisch signaal, waarbij dit sensoruitgangssignaal een functie is van de hoeveelheid licht die in de tijd gezien door de sensor is ontvangen. Dit sensor- 1009156 4 uitgangssignaal wordt eventueel versterkt en omgezet in een elektrische spanning en daarna toegevoerd aan de ene ingang van de comparator 2. De uitgang van deze comparator 2 is verbonden met de ingang D van de Flipflop 3· Deze flipflop 3 wordt door middel van het kloksignaal k 5 bestuurd. De uitgang Q van de flipflop 3 wordt via een aantal eerste integratoren, waarvan er in fig. 1 als voorbeeld slechts één eerste integrator 4 is aangegeven, toegevoerd aan de andere ingang van de comparator 2. De comparator 2, de flipflop 3 en de integrator 4 vormen een zogenaamde bitstroom-converter. In sommige omstandigheden is één 10 integrator voldoende, echter verdient het in andere gevallen de voorkeur om twee of meer in serie geschakelde integratoren toe te passen, bijvoorbeeld wanneer een nog betere resolutie gewenst is.

De uitgang van de flipflop 3 is tevens verbonden met de ingang van een aantal tweede integratoren 5. waarvan er in fig. 1 als voor-15 beeld slechts één tweede integrator 5 is weergegeven.

Wanneer het aantal eerste integratoren 4 gelijk is aan het aantal tweede integratoren 5, ontstaat bij goede dimensionering op de uitgang van de tweede integrator(en) een signaal dat het sensoruit-gangssignaal zo goed mogelijk benadert. Dit sensoruitgangssignaal 20 wordt toegevoerd aan de inrichting 6, die de posities van de overgangen van de barcode bepaalt. Deze inrichting kan bijvoorbeeld bestaan uit een eerste-afgeleide inrichting, die uit het sensoruitgangssignaal een eerste-afgeleide signaal vormt, waarvan de maxima en minima de posities van de genoemde overgangen van de barcode voor-25 stellen.

Wanneer echter bijvoorbeeld twee eerste integratoren 4 en één tweede integrator 5 worden toegepast, ontstaat op de uitgang van de tweede integrator 5 de eerste-afgeleide van het sensoruitgangssignaal. Bij deze uitvoering is dus geen eerste-afgeleide-inrichting meer 30 nodig. De maxima en minima van het uitgangssignaal van de tweede integrator stellen dan de posities van de overgangen van de barcode voor.

De invloed van onder meer het omgevingslicht brengt met zich mee dat het sensoruitgangssignaal een groot bereikt heeft. Deze invloed kan worden vermeden door bij voorkeur uit het sensoruitgangs-35 signaal eerst de eerste-afgeleide op te wekken door middel van bijvoorbeeld een differentiator. Wanneer het aantal eerste integratoren 4 gelijk is aan het aantal tweede integratoren 5» ontstaat dus op de uitgang van de laatste integrator 5 een eerste-afgeleide signaal, ; 1009156 5 waaruit de posities van de overgangen van de barcode kunnen worden gedetecteerd.

Wanneer er twee of meer eerste integratoren worden toegepast, verdient het de voorkeur telkens tussen twee opeenvolgende integra-5 toren een sommeerinrichting toe te passen. De uitgang van de voorafgaande integrator is verbonden met de ene ingang van de sommeerinrichting, terwijl de uitgang van de sommeerinrichting met de ingang van de daarop volgende integrator is verbonden. De andere ingang van de sommeerinrichting is weer verbonden met de uitgang Q van de flipflop 10 3-

In fig. 2 is een voorbeeld van een bitstroom-converter met twee integratoren weergegeven, alsmede een differentiator voor het opwekken van het eerste-afgeleidesignaal uit het sensoruitgangssignaal. De in fig. 2 getoonde uitvoeringsvorm omvat een differentiator met hoog-15 frequent kantelpunt, bestaande uit een operationele versterker U3, de condensatoren Cj en C2 en de weerstand Rt. Het eventueel versterkte sensoruitgangssignaal wordt toegevoerd aan de condensator Cx. Op de uitgang van de operationele versterker U3 treedt dan het eerste-afgeleidesignaal op, dat is afgeleid uit het sensoruitgangssignaal. De 20 bitstroomconverter bestaat volgens fig. 2 uit twee eerste integratoren, waarbij de ene bestaat uit de operationele versterker U5, de weerstand R2 en de condensator C3. De andere eerste integrator bestaat uit de versterker U/, en de condensator C/,. De sommeerinrichting tussen de integratoren bestaat dan uit de weerstanden R3 en R/,. De 25 uitgangen van de versterkers U3 en U/, worden toegevoerd aan de comparator 2, waarvan de uitgang is aangesloten op de ingang D van de flipflop 3· Het kloksignaal k wordt weer toegevoerd aan de klokingang van de flipflop 3· De Q-uitgang van de flipflop 3 wordt via de weerstand R2 aan de ingang van de eerste integrator U5, C3 toegevoerd. De Q-uitgang 30 van de flipflop 3 is via de weerstand R4 met de ingang van de andere eerste integrator U/,, C4 verbonden.

De flipflop wordt geklokt op bijvoorbeeld 32 MHz. Uit de flipflop komt een bitstroom, vandaar de naam bitstroom-converter. Op elk bemonsteringsmoment treedt dus slechts 1 bit op.

35 Het is de bedoeling dat de twee signalen op de ingangen van de comparator 2 nagenoeg identiek zijn. Als deze identiek zijn of in ieder geval als het signaal uit de tweede integrator voldoende op het signaal uit de differentiator lijkt om daaruit de flanken van de bar- 1009156 6 code te herkennen, dan bevat de bitstroom dus alle benodigde informatie en is digitalisering dus een feit.

De mate waarin de twee signalen op de ingangen van de comparator gelijk zijn, oftewel de resolutie, hangt af van de dimensionering 5 van de schakeling. In de eerste plaats is de klokfrequentie van de flipflop van belang en verder de waarden van de weerstanden en de condensatoren. Het is essentieel dat de integratoren het signaal uit de differentiator kunnen volgen.

Wanneer de bitstroom, die optreedt op de uitgang van de in fig. 10 2 getoonde uitvoeringsvorm, wordt toegevoerd aan twee in serie geschakelde tweede integratoren, stelt het uitgangssignaal van de laatste tweede integrator de eerste-afgeleide van het sensoruitgangs-signaal voor. Dit laatstgenoemde signaal kan worden toegevoerd aan een topdetector. In zijn eenvoudigste vorm neemt de topdetector de lokatie 15 van de hoogste bemonsteringswaarde als overgang in het sensoruitgangs-signaal.

Fig. 3 is een uitvoeringsvorm van een overgangsdetector getoond waarin weinig componenten nodig zijn.

Het uitgangssignaal van de sensor 1 wordt via een eerste-20 afgeleide-inrichting 7 toegevoerd aan de + ingang van de comparator 2, terwijl de uitgang van de comparator 2 is verbonden met de flipflop 3. De uitgang van de flipflop 3 wordt naar de andere - ingang van de comparator 2 teruggekoppeld via twee integratoren 4 en De flipflop 3 wordt bestuurd door het kloksignaal dat wordt toegevoerd aan de 25 ingang k daarvan. De componenten 2, 3. en 7 kunnen worden uitge voerd zoals getoond in fig. 2.

Het uitgangssignaal van de bitstroom-converter (uitgang Q van de flipflop 3) moet tweemaal geïntegreerd (tweede integratoren) worden om de eerste-afgeleide van het signaal uit de sensor 1 te verkrijgen. 30 Een dergelijke dubbele integratie is instabiel als er geen maatregelen getroffen worden, zoals de hierboven beschreven sommeerinrichting. Het verdient echter de voorkeur om zoals in fig. 3 is getoond, voor de twee integratoren een hoogdoorlaatfilter 9 te kiezen. Een extra sommeerinrichting is dan niet noodzakelijk en het weglopen van de schake-35 ling is vermeden. Behalve de eenvoud van het hoogdoorlaatfilter heeft dit nog het voordeel van weinig offset, wat van belang kan zijn bij de topdetectie.

1009156 7

Wanneer het hoogdoorlaatfilter van de derde orde is, zal het uitgangssignaal na dubbele integratie gemiddeld nul zijn, ongeacht het gemiddelde percentage enen in de bitstroom. Dit is van belang voor de topdetector.

5 Hoewel er voor het hoogdoorlaatfilter nog diverse mogelijkheden overblijven, heeft een hoogdoorlaatfilter van het Butterworth type van de derde orde de voorkeur. Dit filter heeft een gunstige frequentieka-rakteristiek en een recht-toe-recht-aan implementatie. De overdracht wordt beschreven in de volgende formule: 10 Z(a)=X(ö)j <o/(-j<a3 - 2üz o0 + 2j ω ω02 + ω03) .

In de formule is X het ingangssignaal, Z het uitgangssignaal en ω0 het kantelpunt van het filter.

15 Uit de formule blijkt dat frequenties ruim boven het kantelpunt tweemaal geïntegreerd worden. Verder is te zien dat offset niet door het filter komt, waarmee aan een belangrijke eis is voldaan.

De ligging van het kantelpunt is kritisch en daarom bij voorkeur softwarematig instelbaar gemaakt. Als het punt te hoog ligt dan 20 worden barcodes die zich vlakbij het ruitje van de scanner bevinden, waar de spotsnelheid het laagst is, moeilijk gedecodeerd. Als daarentegen het punt te laag ligt dan duurt het na opstarten langer voordat het filter ingeslingerd is. Verder slingert het uitgangssignaal van de integrator wat ruimer om de nul heen, waardoor barcodes met een laag 25 contrast moeilijker gedecodeerd worden.

De instelling van het kantelpunt beïnvloedt tevens de verster-kingsfactor van het filter. Om dit te compenseren en om optimaal gebruik te kunnen maken van het bereik van interne variabelen wordt er een schaling voor het ingangssignaal toegepast. De schaling is bij-30 voorbeeld instelbaar.

Opgemerkt wordt, dat het ook mogelijk is het sensoruit-gangsslgnaal niet via de eerste-afgeleide-inrichting 7 maar rechtstreeks aan de + ingang van de comparator toe te voeren. Op de uitgang van de flipflop 3 is slechts een integrator nodig om het eerste-afge-35 leide-signaal van het sensoruitgangssignaal te verkrijgen. Wanneer bijvoorbeeld een hoogdoorlaatfilter 8 wordt toegepast, kan dit eerste-afgeleidesignaal achter de eerste integrator van het hoogdoorlaatfilter 8 worden afgetakt.

1009156 8

Zoals in fig. 3 is getoond, wordt het uitgangssignaal van de flipflop 3 niet direct toegevoerd aan het integrerende hoogdoorlaat-filter 8, maar via een laagdoorlaatfilter 9· Deze tussenschakeling van het laagdoorlaatfilter heeft het voordeel, dat ten eerste 5 frequentiecomponenten hoger dan de hoogste frequentie die nog interessant is, daarmee worden weggefilterd. Ten tweede draagt een laagdoorlaatfilter bij aan de resolutie van het systeem als gevolg van de middelende werking daarvan.

Het is aantrekkelijk als het gemiddelde aantal nullen of enen 10 van de bitstroomconverter afwijkt van 50%* omdat dan discretisatie-effecten resulteren in hogere frequentiecomponenten die weggefilterd worden door het laagdoorlaatfilter.

Hoewel er diverse mogelijkheden zijn om een laagdoorlaatfilter te implementeren heeft een convolutiefilter voordelen. Bij een derge-15 lijk filter wordt steeds een bepaald aantal ingaande samples vermenigvuldigd met coëfficiënten en dan geaccumuleerd. Aangezien de bitstroom alleen maar de getallen nul en één bevat, betekent dit het er wel of niet bij optellen van de coëfficiënten. Dit leidt tot een zeer eenvoudige implementatie van het filter, hetgeen een belangrijk voordeel is 20 van de bitstroommethode.

De functie, waarmee geconvolueerd wordt, moet symmetrisch zijn, opdat het filter geen fasedraaiing zal veroorzaken. Hoewel er voor de functie ook diverse mogelijkheden zijn, waaronder bijvoorbeeld de trapeziumfunctie en Gausssische functie, verdient de cosinuskwadraat-25 functie de voorkeur, omdat deze functie zodanig symmetrisch is dat dezelfde coëfficiënten viermaal bruikbaar zijn. Dit is een implemen-tatievoordeel, terwijl toch goede filtereigenschappen behouden blijven.

De lengte van het filter is bijvoorbeeld vastgesteld op 64 30 samples. In fig. 4 zijn de coëfficiënten van het filter grafisch weergegeven. Het -6 dB punt van het filter ligt precies op fsys/32. (systeemfrequentie gedeeld door 32). Het filter introduceert zoals gezegd geen fasedraaiing en heeft een steile karakteristiek tussen het -6dB punt en fsys/l6. De rimpel is beperkt tot -3I dB. Zie ook figuur 35 5.

Het uitgangssignaal van het hoogdoorlaatfilter 8 wordt toegevoerd aan de inrichting 6, die de overgangen van de barcode uit genoemd uitgangssignaal afleidt.

1009156

Claims (13)

1. Optische inrichting voor het uitlezen en decoderen van volgens een barcode aangebrachte en aan elkaar grenzende stroken van verschil-5 lende reflectiviteit, omvattende een optische aftastinrichting voor het door middel van een lichtbundel aftasten van de stroken, een sensor voor het ontvangen van de gereflecteerde lichtbundel en het omzetten daarvan in een elektrisch sensoruitgangssignaal, een overgangs-detector voor het detecteren van de niveau-overgangen van het sensor-10 uitgangssignaal en een decodeerinrichting die op basis van de uitgangssignalen van de overgangsdetector de afgetaste barcode decodeert, met het kenmerk, dat de overgangsdetector is voorzien van een comparator en een op de uitgang daarvan aangesloten flipflop, waarbij het sensoruitgangssignaal wordt toegevoerd aan de ene ingang van de compa-15 rator en de uitgang van de flipflop via een of meer eerste integra-toren met de andere ingang van de comparator is gekoppeld, een of meer op de uitgang van de flipflop aangesloten tweede integratoren en een hierop aangesloten inrichting voor het bepalen van de posities van de overgangen van de barcode.

2. Optische inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de tweede integratoren digitaal zijn uitgevoerd.

3· Optische inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het aantal eerste integratoren gelijk is aan het aantal tweede integratoren, waarbij uit het uiteindelijke uitgangssignaal van 25 de tweede integratoren een eerste-afgeleidesignaal wordt opgewekt en uit de maxima en minima daarvan de posities van de overgangen van de barcode worden bepaald.

4. Optische inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat twee eerste integratoren en één tweede integrator aanwezig 30 zijn, waarbij uit de maxima en minima van het uitgangssignaal vein de tweede integrator de posities van de overgangen van de barcode worden bepaald.

5. Optische inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het sensoruitgangssignaal aan de comparator wordt toegevoerd 35 via een eerste-afgeleide-inrichting die uit het sensoruitgangssignaal een eerste-afgeleidesignaal opwekt.

6. Optische inrichting volgens conclusie 1, 2, 3. ^ of 5, met het kenmerk, dat bij toepassing van meer dan een integrator, tussen de 1009156 eerste integratoren telkens een sommeerinrichting met zijn ene ingang en uitgang is opgenomen en dat de andere ingang van de sommeerinrichting met de uitgang van de flipflop is verbonden.

7· Optische inrichting volgens een van de conclusies 1-6, met het 5 kenmerk, dat het aantal tweede integratoren onderdeel is van een hoog-doorlaatf ilter.

8. Optische inrichting volgens conclusie 7. «net het kenmerk, dat het hoogdoorlaatfilter van de derde orde is.

9· Optische inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat 10 het hoogdoorlaatfilter van het Butterworth type is.

10. Optische inrichting volgens een van de conclusies 1-6, met het kenmerk, dat voorafgaand aan de tweede integratoren een laagdoor-laatfilter is opgenomen.

11. Optische inrichting volgens conclusie 7. 8 of 9. met het ken-15 merk, dat voorafgaand aan het hoogdoorlaatfilter een laagdoorlaat- filter is opgenomen.

12. Optische inrichting volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat het laagdoorlaatfilter een convolutiefilter is.

13. Optische inrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk, 20 dat de convolutiefunctie een cosinuskwadraatfunctie is. 1009156