CN101263508B - 用于电光读取器的具有双芯片结构的扫描引擎 - Google Patents

Abstract

微处理器(40)和专用集成电路(20)被具体化为两个芯片安装在印刷电路板(61)上，印刷电路板再安装在用在电光读取器中的扫描引擎上。这种双芯片结构是容易配置的而且控制读取器的操作。

Description

用于电光读取器的具有双芯片结构的扫描引擎

相关申请的交叉引用

本申请要求在这里共同转让的2005年9月12日提交的美国临时专利申请第60/716,303号的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及电光读取器，以及具体地说，涉及用于这种读取器的具有双芯片结构的小型扫描引擎，所述双芯片结构易于配置并操作用于控制读取器操作。

背景技术

迄今已经开发了各种电光读取器用于读取标记，例如出现在标签上或物品表面上的条形码符号。条形码符号本身是图形标记的编码图案，包括一系列相互隔开以界定各种宽度的间隔的各种宽度的条，这些条和间隔具有不同的光反射特性。读取器功能通过把图形标记所代表的空间图案电光转换成时变电信号，该电信号再被解码为数据，该数据代表编码在标记中的与物品有关的信息或特征或它的一些特性。

这种数据典型地以数字形式表现并且被用作数据处理系统的输入，用于销售点处理、库存控制、分销、运输和物流等等的应用。这种通用型读取器已经公开在例如美国专利4,251,798；4,369,361；4,387,297；4,409,470；4,760,248；4,896,026；5,015,833；5,262,627；5,504,316；5,625,483和6,123,265中，所有这些作为即时申请被转让给同一受让人，在此通过引用而并入。

一种典型的读取器在其中包括由用户支撑的手持的便携式激光扫描设备。用户瞄准所述设备，以及更具体地说，瞄准激光束到待读的目标符号。读取器内的光源典型地是由激光器驱动电路激励的半导体激光器。使用半导体设备作为光源是特别可取的，因为它们的小尺寸、低成本和低电压要求。激光束典型地被光学组件光学地修改，以便在目标距离处形成某个尺寸的射束点。经常优选的是，在目标距离处在扫描方向上测量的射束点的截面大约与不同光反射区域，即符号的条码和间距之间在扫描方向上的最小宽度相同。

在已知读取器中，激光束被透镜或者其他光学部件沿着光路引向在表面上包含条形码符号的目标。移动束读取器通过利用由马达驱动电路驱动的扫描元件或扫描器件(例如光源本身或安置在光束路径中的镜)的运动，在跨越符号的一行或一系列行中反复扫描光束来操作。扫描部件可以跨越符号扫过射束点并跟踪跨越符号图案的扫描线，或者扫描读取器的视场，或者两者都进行。

读取器也包含用来检测从符号反射或散射的光的传感器或光电检测器。所述光电检测器或传感器被安装在读取器内的光学路径中，使得它具有保证捕获一部分从符号反射或散射的光的视场，所述光被检测并转换成电信号。

在回射光收集中，如在美国专利4,816,661或4,409,470中(这两个专利在这里通过引用而并入)描述的单个光学部件，即往复振动镜跨越目标表面扫描光束并将收集的光引导到检测器。在非回射光收集中，反射的激光不由用来扫描的同一个光学部件收集。而是检测器独立于扫描光束，并且典型地被构造成具有大的视场，使得反射的激光跨越检测器的视场前进。

电子接收器电路接收电信号，以及数字化器将所述信号处理为被扫描的符号所代表的数据的数字表示。例如，由光电检测器产生的模拟电信号可以被数字化器转换为脉冲宽度调制的数字信号，宽度对应于条码和间距的物理宽度。做为选择，模拟电信号可以被软件解码器直接处理。参见例如美国专利第5,504,318号。

解码处理通常以如下方式工作。来自传感器或光电检测器的模拟信号被包含自动增益控制电路的接收器电路放大、滤波和处理。所述脉冲宽度调制的数字信号被施加于微处理器中的尝试解码该信号的软件算法。如果扫描中的开始和停止字符或两者之间的字符被成功和完全地解码，则所述解码处理终止并向用户提供成功读取的指示(例如绿灯和/或听得见的嘟嘟声)。否则，作为微处理器中的软件实现的解码器接收下一扫描，并根据符号体系规范执行下一解码，解码为在符号中编码的数据的二进制表示和如此代表的字母数字字符。

所述二进制数据通过接口电缆或无线通信链路与主计算机通信。所述接口电缆可以是“智能电缆”，如在美国专利5,664,229和5,675,139中描述的，其内容在这里通过引用而并入。

条形码符号以具有各种可能宽度的典型的矩形条或元素构成。根据由使用的代码或“符号体系”规定的一组规则和定义，元素的特殊排列定义所代表的字符。条码和间距的相对尺寸由使用的编码类型确定，如是条码和间距的实际尺寸。每单位长度的字符数量(由条形码符号代表的)被称为符号的密度。为了编码期望的字符序列，元素排列的集合被并置在一起以形成完整的条形码符号，消息的每个字符由它自己的相应元素组来表示。在一些符号体系中，唯一的“开始”和“停止”字符被用来指示条形码何时开始和结束。许多不同的条形码符号体系被广泛使用，包括UPC/EAN、Code 39、Code 128、Codeabar和Interleaved 2of 5。

为了增加可在给定数量的表面面积上表示或存储的数据量，已经开发了一些更紧凑的条形码符号体系。这些代码标准之一：Code 49示范了“二维”符号，通过减少一维符号的垂直高度，然后堆叠这种一维符号的不同行，使得信息水平地和垂直地都被编码。也就是说，在Code 49中，存在条码和间距图案的若干行，代替了“一维”符号中的仅仅一行。Code 49的结构在美国专利4,794,239中描述。另一种二维符号体系被称为“PDF417”，在美国专利5,304,786中被描述。

出于安全方面的原因，存在关于可从电光读取器发射的激光束输出功率的最大值的规定，并且这个最大值取决于当检测到振动扫描元件的驱动的故障时读取器是否能操作关闭激光器。例如，如果没有激光器关闭特征，II级激光器安全设备被限制在1毫瓦的最大激光器输出功率。如果有激光器关闭特征，那么所述设备被允许在发射的固定激光束中输出更高的功率。为了增加的工作范围、环境光抗扰度、更大的扫描线能见度和总之更好的读取器整体性能，更高的激光束输出功率是期望的。

在本领域中已知使用硬件安全电路来检测驱动故障。所述驱动包括马达和产生具有电压或幅度的反馈信号的反馈绕组。所述硬件安全电路监测反馈信号的幅度，并且如果幅度下降到预定阈值以下，则关闭激光器，从而指示驱动故障。

虽然总体上满足它们的本意，上面描述的激光器驱动电路、马达驱动电路、接收器电路、数字化器电路和安全电路通过离散的电气部件来实现，这些占据了不可忽略的空间、并且给读取器增加了额外重量。这些电路在一块或多块印刷电路板上实现，加上上述的读取器的电气和光学部件，组成典型地称为“扫描引擎”的组件或模块。期望所述扫描引擎可互换地用在多种不同操作形式和不同形状因素的读取器中。但是，配置离散电气部件是困难的，典型地特别是在现场手工配置。已知的扫描引擎太大和太重而不能用于需要超小形状因素的那些应用。而且，离散电气部件的安装增加了组装费用。

发明内容

本发明的总目的是，提供一种用于电光读取器中使用的小轻型扫描引擎的改良芯片结构。

本发明的另一个目的是，提供一种高度可配置、高性能、超小形状因素和低组装费用的扫描引擎。

为了保证这些目的以及其它将在下文中明显的目的，本发明的一个特征在于，简单地说，用于控制标记，例如条形码符号的电光读取的双芯片结构。所述结构包括作为第一芯片的ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路)和作为第二芯片的微处理器，两个芯片被共同安装在一块印刷电路板上，并且两个芯片一起负责控制标记的读取。

在所述ASIC上集成了用于激励激光器向标记发射激光束的激光器驱动、用于将激光束扫过标记以便从其反射的扫描器驱动、用于接收指示从标记反射的激光束的模拟接收信号的接收器、和用于数字化接收的信号以产生数字信号的数字化器。在所述微处理器中提供了解码器，用于将所述数字信号解码为对应于所述标记的数据。

在一个优选实施例中，激光器驱动、扫描器驱动、接收器和数字化器中的至少一个具有可调元件，例如数字电位计，以及所述微处理器可操作用于产生用于调节所述可调元件并且反过来用于修改读取的控制信号。所述ASIC上的任何集成的电路产生被所述微控制器处理以产生控制信号的反馈信号。

温度传感器也被优选地集成在所述ASIC上并且可操作用于发送测量的温度给微处理器，微处理器再操作用于响应于温度变化来修改可调元件。

所述ASIC和微处理器、与激光器、扫描器和检测器以及需要的光学器件一起，形成一个自配置的小型扫描引擎或模块，易于安装在小形状因素的部件内来提供电光读取功能。

附图说明

图1是根据本发明的电光读取器的图解示意图；

图2是用于图1中的读取器的扫描引擎的双芯片结构的方框图；

图3是这种结构的细节的电路示意图；以及

图4是用来解释图3中的电路图的操作的一组波形。

具体实施方式

如本文中所使用的，术语“标记”不但广泛地包括通常称为条形码符号的由交替的不同宽度的条和间距组成的符号图案，而且还包括一维或二维的图形图案，例如签名以及字母数字字符。总的来说，术语“标记”可以应用于任何类型的图案或者信息，它们可通过扫描光束和/或光电检测器的视场，以及检测反射或散射光作为在图案或信息的不同点的光线反射变化的表示而被识别或鉴别。条形码符号是本发明能扫描的“标记”的其中一个例子。

图1图解了条形码符号读取器10的一个例子，它是一个外型像枪的设备，具有手枪类型的手柄53。轻塑料外壳55包含光源46、检测器58、光学器件57、ASIC 20、编程微处理器40、和电源或电池62。光透射窗56在外壳55的前端，允许出射光束51射出和进入的反射光束52进入。用户在从读取器10离开条形码符号的位置将读取器10瞄准条形码符号70，即，不碰触所述符号或者跨越所述符号移动。

如在图1中进一步描述的，所述光学器件可包括合适的透镜57(或多透镜系统)，用来将扫描光束聚焦为适当参考平面上的扫描点。所述光源46，譬如半导体激光二极管引导光束进入所述透镜57的光轴，以及所述光束通过部分镀银的镜47和需要的其他透镜或光束成形结构。所述光束被耦合到扫描驱动马达60的振动镜59反射，当触发器54被手动扳动时，马达60将被激励。镜59的振动使得出射光束51以期望图案来回扫描。

各种镜和马达配置可被用来以期望的扫描图案来移动光束。例如，美国专利4,251,798公开了一种在每侧具有平面镜的旋转多边形，每面镜跟踪一条扫过符号的扫描线。美国专利4,387,297和4,409,470都采用了围绕安装有平面镜的驱动轴在各个交替的圆周方向上反复和往复驱动的平面镜。美国专利4,816,660公开了一种由凹面镜部分和平面镜部分组成的多镜结构。美国专利6,929,184公开了一种液体注射成型(Liquid Injection Molded，LIM)马达。

被所述符号70反射的光52通过窗56返回传输到检测器58。在图1所示的示意性读取器10中，反射光离开镜59和部分镀银镜47反射并入射到光敏检测器58上。检测器58产生与反射光52的强度成比例的模拟信号。

ASIC 20，如下描述，包括一个数字化器。ASIC 20和微处理器40安装在一块印刷电路板61上。数字化器处理来自检测器58的模拟信号以产生一个脉冲信号，脉冲之间的宽度和间距对应于所述条码之间的宽度和间距。数字化器作为边缘检测器或波整形电路，以及数字化器所设置的阈值确定模拟信号的那些点代表条码边缘。来自数字化器的脉冲信号被施加到解码器，典型地该解码器作为软件合并到编程微处理器40中，所述编程微处理器40还将具有相关的程序存储器和随机访问数据存储器。所述微处理器解码器40首先确定来自数字化器的信号的脉冲宽度和间距。然后，所述解码器分析所述宽度和间距以找到和解码合法的条形码消息。这包括分析以识别如由适当代码标准定义的合法字符和序列。这也可以包括所述被扫描符号所符合的特殊标准的初始识别。这种标准的识别典型地被称为自动识别。

为了扫描所述符号70，用户瞄准条形码读取器10并操作活动触发开关54来激活光源46、扫描马达60和电路。如果扫描光束51是可见的，操作者能看到出现所述符号的表面上的扫描图案并且因此调整读取器10的瞄准。如果由光源46产生的光束51在边上可见，则可能包含瞄准光线。所述瞄准光线(如果需要)产生一种可见光斑，所述可见光斑就像激光束51一样可被固定或扫描。在扣动触发器之前，用户利用这种可见光把读取器瞄准所述符号。

所述读取器10也可以作为便携式数据收集终端。如果那样的话，读取器10将包含键盘48和显示器49，如前面提到的美国专利4,409,470所描述的。

根据本发明，ASIC 20和微处理器40代表安装在同一块板61上的独特双芯片结构。这两个芯片20、40一起共享读取会话的控制功能。如下面所描述的，微处理器的软件易于被修改和更新，反过来微处理器能够修改和更新所述ASIC的操作和所述读取器的模拟行为。所述板61与激光器46、光学器件57、检测器58和马达60一起支撑在组成上述小型扫描引擎的公共支撑物上。

图2更详细描述了ASIC 20和微处理器40上的功能块。因此，所述ASIC包括接收器22，如前面提到的，接收器22包括增加接收信号的增益的一个或多个固定放大级、从接收信号中滤除噪声的至少一个有源滤波级、以及控制增益的自动增益控制器(Automatic Gain Control，AGC)。所述ASIC也包括一个数字化器24，通过用微分电路、峰值检测器、复用器、逻辑元件和比较器来处理信号来数字化模拟信号。所述ASIC也包括用于激励激光器的激光器驱动电路26和用于检测激光输出何时不在指定限制内的安全电路，所述激光器驱动电路26优选地具有用于削减激光器驱动电流的电子束削波电路，如在下面图3-4中所描述的。所述ASIC还包括马达驱动电路28和安全电路，所述马达驱动电路28用于通过机械滤波器和离散时间信号处理，使用正反馈来激励振动镜59，安全电路用于在激光器或马达故障时去激励马达驱动电路。温度传感器电路30被集成在ASIC中，用来监视其芯片温度以及周围环境温度。这些电路与调压器电路34一起集成在ASIC中。

接收器、马达驱动、激光器驱动和数字化器中的每一个都具有可在所述微处理器40的控制下调整的元件32，如下面所描述的。所述可调元件32包括数字电位计、可编程控制寄存器或开关的一个或多个。

所述微处理器40包括中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)36、模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)38和存储器42。所述微处理器40通过串行接口72与外部主机44通信。所述微处理器40具有通过另一串行接口76与ASIC上的接口74通信的接口78。

在制造过程中，所述微处理器可通过串行接口72与所述主机44交互，以便校准诸如激光器输出功率、镜59的扫描振幅、马达的占空比等等的读取器参数。这些参数可被存储在存储器42中以便在正常操作期间能被恢复。

在读取器操作过程中，所述微处理器可通过串行接口76与所述ASIC 20交互，以便把各自的控制信号指向所述接受机、马达驱动、激光器驱动和数字化器的一个或多个的可调元件32。电路22、24、26、28传导数字反馈信号回到CPU 36。这些电路22、24、26、28以及温度传感器电路30传导模拟反馈信号回到ADC38，以便转换成数字反馈信号。由传感器电路30测量的温度可被所述ASIC中的任何电路22、24、26、28用来调整它们的功能适应温度变化。

因此，所述激光器驱动电流和激光器输出功率可由微处理器监测，以及若激光器故障所述读取器可被关闭。所述微处理器可以控制马达驱动28具有特殊的扫描角，从而在单个扫描引擎配置中支持多个扫描角度。所述微处理器可以分析接收的信号并改变各种可编程参数，例如接收器带宽、数字化器阈值、激光器输出功率、马达幅度、边界阈值、数字化器迟滞等等。所述微处理器可以在每个扫描线的终点关闭激光器(当激光束点的速度接近0时)，从而使得扫描引擎能够以更高的激光输出功率操作以便增加性能。

如先前提到的，所述马达典型地在谐振频率振动镜59。永久磁铁与镜59共同安装。反馈绕组被置于接近所述磁铁而且产生反馈信号，当镜在一个方向上向扫描线的中间移动时，所述反馈信号的幅度增加到最大值，然后当马达暂时停止在所述扫描线的一端时，所述反馈信号的幅度减少到0，以及然后，当镜在相反方向上向下一扫描线的中间移动时，所述反馈信号的幅度减少到最小值，然后当马达暂时停止在所述下一扫描线的另一端时，所述反馈信号的幅度增加到0。该反馈信号具有与用来驱动马达的驱动信号的谐振频率相同的频率。过零检测器被用来产生开始扫描(Start-of-Scan，SOS)信号。通过监测SOS信号，所述微处理器可以改变和更新马达驱动电路28中的可调元件32，从而补偿不希望的驱动频率变化。

温度被所述温度传感器电路30持续检测并送到所述微处理器评估。例如，当温度升高时，具有减小镜59的扫描角的趋势。然后，所述微处理器可以改变马达驱动电路28中的可调元件32来增大扫描角度，从而实现适应温度变化的扫描。

所述微处理器还收集读取器数据并报告给主机44。所述主机可以使用这些报告来远程管理读取器。例如，这些报告包括由所述温度传感器电路30测量的内部芯片温度、由所述激光器驱动电路26检测的激光器输出功率和激光器驱动电流、和由所述马达驱动电路28检测的驱动频率和扫描角度。甚至序列号、零件号、制造日期和软件修改版本都能报告给主机。主机反过来可以启动读取器内固件更新来更新读取器。

因此，诸如马达扫描角度和激光器输出功率的系统参数不再需要在所述读取器外壳被封闭之前通过手动旋转来调整。所述单板设计简化和减少了制造成本，以及当然使得所述扫描引擎具有超小外形因素。

这里描述的结构支持自适应系统，在这个系统中，所述微处理器接收来自ASIC的数字和模拟反馈信号，并改变和连续调节读取器的模拟行为，以最好地与被读取的符号的特性相匹配。所述微处理器中控制读取器的调节的软件或算法可被主机44通过串行接口72容易地访问和修改。

现在转到图3和在图4中描述的它的解释性波形，所述激光器驱动电路26包括激光器功率调节器，它是通过改变施加于激光二极管的前向电流I_Ld来维持稳定的光输出功率的闭环反馈系统。激光二极管组件46是包括激光二极管80(LD)和监测光电二极管82(PD)的3端设备。出射激光的一小部分被耦合到封闭组件46内的监测光电二极管82中。这在所述监测光电二极管中引起与激光器输出功率成比例的光电流I_m。这个光电流I_m是用来调节激光器输出功率的负反馈信号。

误差放大器84比较来自数字电位计86的输入控制电压与由电流/电压转换器88产生并与监测反馈电流成比例的电压信号(Vm)。该负反馈装置和所述放大器84输出的结果误差电压V_o将按照需要改变激光器电流I_LD，以便将所述误差电压驱动到最小值，而且这个行动在激光器组件46的温度改变时以及激光器80老化时，保持激光器的输出功率不变。

在系统中创造主导极点的RC网络为调节器提供回路补偿。该RC网络具有几毫秒的大时间常数，而且因为该回路需要被减缓，开关SW2和SW1被包含进来以提供快速打开和关闭激光器80的手段。例如，在电子束削波模式下，SW1和SW2被用来在激光器的输出中产生短于100微秒的快速升降时间。

来自所述微处理器40的“切断激光器”信号V_c用来操作SW1与SW2，当该信号升高时，SW1和SW2被一致地开路。就像在图3中显示的，SW1被用来向激光器80瞬间去除和施加电流，而SW2作为跟踪和保持电路90的一部分，被用来保持在电流被从激光器80去除之前的时刻存在的控制电压V_c。该跟踪和保持电路90被用来记住激光器的操作点，以便在SW1被闭合时它能够被迅速地重新建立。所述跟踪和保持电路90还为误差放大器84隔离了控制电压(V_c)，因为该放大器对于不是由数字电位计86的激光器功率设置控制命令的激光器的输出变化反应剧烈。电压/电流转换器92被连接在跟踪和保持电路90与开关SW1之间。

在削束模式下，图3的电路有效地消除了每个扫描线的末尾区域，尤其是马达暂停和翻转方向的停留点。在每个停留点，激光器束点比在每个扫描线的中部具有更高强度。通过消除这些高激光器输出强度的区域，平均激光器功率可被增加，从而增加激光器性能，但没有超越平均激光器功率工业标准和安全规则。

如先前所述，温度传感器电路30告知微处理器40环境温度，所述微处理器反过来设置数字电位计86来补偿这种温度变化，尤其是由激光二极管80老化引起的温度变化。

作为新的和期望被专利保护的内容被放在后面的附加权利要求书中。

Claims (8)

1.一种用于控制标记的电光读取的双芯片结构，其特征在于：

构成第一芯片的专用集成电路ASIC，在所述ASIC上集成了用于激励激光器朝向所述标记发射激光束的激光器驱动、用于将激光束扫过所述标记以便从其反射的扫描器驱动、用于接收指示从所述标记反射的激光束的模拟接收信号的接收器、和用于数字化接收信号以产生数字信号的数字化器；

构成操作地与第一芯片连接的第二芯片的微处理器，所述微处理器包含用于将所述数字信号解码为对应于所述标记的数据的解码器；

所述第一和第二芯片共同安装在其上的单个印刷电路板；

其中所述扫描器驱动具有可调元件，所述微处理器操作用于产生用于调节所述可调元件的控制信号，

其中，所述扫描器驱动在标记的读取期间产生反馈信号，并且其中，所述微处理器接收并处理所述反馈信号以产生所述控制信号，以及

其中，所述微处理器中的过零检测器操作用于通过过零检测所述反馈信号来产生开始扫描信号，并且所述微处理器操作用于通过监测所述开始扫描信号以产生所述控制信号。

2.如权利要求1所述的结构，其中，所述激光器驱动、接收器和数字化器中的至少其中之一具有可调元件。

3.如权利要求1或2所述的结构，其中，所述可调元件是数字电位计，具有被所述微处理器控制的设置。

4.如权利要求2所述的结构，其中，所述激光器驱动、接收器和数字化器中的至少其中之一以及所述扫描器驱动在标记的读取期间产生反馈信号，并且其中，所述微处理器接收并处理所述反馈信号以产生所述控制信号。

5.如权利要求1所述的结构，其中，所述芯片通过串行接口操作地连接，并且其中，所述微处理器通过另一串行接口操作地与主机连接。

6.如权利要求1所述的结构，还包括被集成在所述ASIC上的温度传感器，用于测量温度并发送测量的温度给所述微处理器。

7.如权利要求1所述的结构，其中，所述微处理器具有存储器，读取参数被存储在其中并且在标记的读取期间被恢复。

8.如权利要求1所述的结构，其中，所述激光器、ASIC、微处理器和单个印刷电路板被共同安装在电光读取器的扫描引擎中。

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