CN108647541A - 一种条码扫描芯片以及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种条码扫描芯片以及扫描方法，其光电探测器、信号处理模块、反馈系统、译码器系统、控制器以及接口模块；所述光电探测器与所述信号处理模块相连接，所述信号处理模块依次与所述译码器系统和控制器以形成扫描支路，所述信号处理模块与所述反馈系统连接以形成反馈支路，所述反馈系统作用于所述光电探测器，并用于获取光电探测器采集的光电信号的噪声等效功率，根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压。本申请通过增设反馈系统，并通过所述反馈系统计算所述光电信号的噪声等效功率，依据计算得到的噪声等效功率向光电探测器施加偏压，这样可以改善信噪比，又保证了光响应率以及采集光线的亮度，从而提高扫码的效率与正确率。

Description

一种条码扫描芯片以及扫描方法

技术领域

本申请涉及扫描芯片技术领域，特别涉及一种条码扫描芯片以及扫描方法。

背景技术

现有的条形码扫描设备中的扫描芯片一般包括光电探测器、译码器系统、控制器以及接口模块，通过光电探测器检测反射光线并进行光电转换以得到光电信号，在通过译码器系统、控制器以及接口模块将光电信号携带的信息发送至外部设备。其中，所述探测器普遍采用较为成熟的商业光电传感器，如硅基二极管型光电传感器、CdS半导体探测器、金属-硅肖特基型光电探测器等。但是，传统PN结型光电探测器响应速度较低，并且对微弱光线不敏感，所采集的扫码反射光信号微弱，造成信号对比度低，稳定性差的问题，出现扫码失败的现象频率高。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本申请旨在提供一种条码扫描芯片以及扫描方法，通过采用石墨烯嵌入式碳膜传感单元提高光电探测器的光响应率，以实现快速准确扫码。

为了解决上述技术问题，本申请所采用的技术方案如下：

一种条码扫描芯片，其包括：光电探测器、信号处理模块、反馈系统、译码器系统、控制器以及接口模块；所述光电探测器与所述信号处理模块相连接，所述信号处理模块依次与所述译码器系统和控制器以形成扫描支路，所述信号处理模块与所述反馈系统连接以形成反馈支路，所述反馈系统作用于所述光电探测器，并用于获取光电探测器采集的光电信号进行噪声等效功率计算，根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压。

所述条码扫描芯片，其中，所述光电探测器包括：底座、设置于所述底座上的外壳以及设置于底座上的引脚，所述底座与所述外壳形成的容纳空间内设置有石墨烯嵌入式碳膜传感单元以及透镜，所述外壳远离底座一端设置有探测器凹槽，并且所述探测器凹槽前方设置有电子光阑；光线通过所述电子光阑进入探测器凹槽，经过探测器凹槽的光线通过透镜照射于石墨烯嵌入式碳膜传感单元而进行光电转换。

所述条码扫描芯片，其中，所述石墨烯嵌入式碳膜传感单元包括负电极、石墨烯嵌入式碳膜面阵、导电硅基板以及正电极；所述负电极、石墨烯嵌入式碳膜面阵、导电硅基板以及正电极依次堆叠设置。

所述条码扫描芯片，其中，所述石墨烯嵌入式碳膜通过ECR等离子体低能照射方式生长于所述导电硅基板上。

所述条码扫描芯片，其中，所述反馈系统还用于调整所述光电探测器的电子光阑，以调整所述光电探测器的分辨率。

所述条码扫描芯片，其中，所述反馈系统包括反馈芯片以及偏压电路，所述反馈芯片用于计算光电信号的噪声等效功率，所述偏压电路用于根据所述噪声等效功率对所述光电探测器施加偏压。

所述条码扫描芯片，其还包括接口模块，所述接口模块与所述控制器相连接，用于将译码器系统识别的信息传输至外部设备。

一种条码扫描方法，其应用如上任一所述的条码扫描芯片，所述方法包括：

光电探测器采集反射激光信号，将所述激光信号转换为第一光电信号并将所述第一光电信号传输至信号处理模块；

信号处理模块将所述第一光电信号转换为第一条码波，并将所述第一条码波输出至反馈系统；

反馈系统根据所述第一条码波计算第一光电信号的噪声等效功率，并根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压；

施加偏压后的光电探测器将采集到的第二光电信号传输至信号处理模块；

信号处理模块将所述第二光电信号转换为第二条码波，并将所述第二条码波传输至译码器系统；

译码器系统对所述第二条码波进行译码，并将译码得到的字符信息通过控制器传输至外部设备。

所述条码扫描方法，其中，所述反馈系统根据所述第一条码波计算第一光电信号的噪声等效功率，并根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压具体为：

所述反馈系统根据所述第一条码波计算所述第一光电信号的噪声等效功率，并根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压以及调节所述光电探测器的电子光阑。

有益效果：与现有技术相比，本申请提供了一种条码扫描芯片，其光电探测器、信号处理模块、反馈系统、译码器系统、控制器以及接口模块；所述光电探测器与所述信号处理模块相连接，所述信号处理模块依次与所述译码器系统和控制器以形成扫描支路，所述信号处理模块与所述反馈系统连接以形成反馈支路，所述反馈系统作用于所述光电探测器，并用于获取光电探测器采集的光电信号进行噪声等效功率计算，根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压。本申请通过增设反馈系统，并通过所述反馈系统计算所述光电信号的噪声等效功率，依据计算得到的噪声等效功率向光电探测器施加偏压，这样可以改善信噪比，又保证了光响应率以及采集光线的亮度，从而提高扫码的效率与正确率。同时，所述光电探测器利用碳膜中的石墨烯边界量子势阱对光生电子的俘获效应产生强烈的光电信号，提高了光电探测器采集微弱光线的能力，从而提高了扫码工作的效率，并且能更好地解决模糊条码的问题。

附图说明

图1为本申请提供的条码扫描芯片的一个实施例的结构原理图。

图2为本申请提供的条码扫描芯片的一个实施例中光电探测器的结构示意图。

图3为本申请提供的条码扫描芯片的一个实施例中条码扫描信号处理图。

图4为本申请提供的条码扫描芯片的一个实施例中噪声等效功率（NEP）和光响应率（R）与偏压的光电特性曲线图。

图5为本申请提供的条码扫描方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

本申请提供一种条码扫描芯片以及扫描方法，为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

下面结合附图，通过对实施例的描述，对申请内容作进一步说明。

本实施例提供了一种条码扫描芯片，如图1所示，所述条码扫描芯片包括光电探测器1、信号处理模块2、反馈系统3、译码器系统4、控制器5以及接口模块6；所述光电探测器1与所述信号处理模块2相连接，所述信号处理模块2依次与所述译码器系统4、控制器5以及接口模块6相连接以形成扫描支路，所述信号处理模块2与所述反馈系统3连接以形成反馈支路，所述反馈系统作用于所述光电探测器1。当条码扫描芯片用于扫描条码时，条形码反射的激光被光电探测器1采集并产生光电信号，光电探测器1将光电信号传输到信号处理模块2，信号处理模块2将所述光电信号转换为条码波（如图3所示，优选为整形的矩形波），并将所述条码波传输至译码器系统4，所述译码器系统4进行硬件译码以及字符校验，当校验正确时，控制器5输出停止工作信号至外部的扫描器设备，避免重复扫码的发生；同时控制器5将校验正确的字符传输到接口模块6输出至外部计算机系统。此外，在信号处理模块2转换得到条码波后，反馈系统3根据所述电路实时参数计算所述光电信号的噪声等效功率NEP，并且依据计算得到的噪声等效功率NEP向光电探测器施加偏压，这样可以改善信噪比，又保证了光响应率以及采集光线的亮度，从而提高扫码的效率与正确率。其中，所述电路实时参数包括可以暗电流、电量以及光响应率。

所述光电探测器采用高灵敏光电探测器，如图2所示，所述光电探测器包括：底座14、外壳16以及引脚15，所述外壳16设置于所述底座14的一侧，所述引脚15设置于所述底座14的另一侧，并且所述外壳16、底座14以及引脚15成三极管封装模式布置。所述外壳16与所述底座14相配合而形成具有透光口的容纳空间，所述容纳空间内设置有石墨烯嵌入式碳膜传感单元以及透镜9，所述透镜9与所述石墨烯嵌入式碳膜传感单元并排设置，并且所述石墨烯嵌入式碳膜传感单元位于所述透镜9与所述底座14之间。所述透镜9与所述透光口相对设置，光线通过所述透光口照射于所述透镜9上，所述透镜9折射的光线可照射于所述石墨烯嵌入式碳膜传感单元上。本实施例通过透镜9将光线折射于石墨烯嵌入式碳膜传感单元，石墨烯嵌入式碳膜传感单元利用碳膜中的石墨烯边界量子势阱对光生电子的俘获效应产生强烈的光电信号，提高了光电探测器采集微弱光线的能力，从而提高了扫码工作的效率。

进一步，所述外壳16可以为长方形结构，其远离底座14一端设置有探测器凹槽8，所述探测器凹槽8与所述容纳空间相连接，所述透镜9设置于所述探测器凹槽8内并通过所述探测器凹槽8固定。所述透光口由所述探测器凹槽8的开口形成，这样光线可以通过探测器凹槽8的开口照射于透镜9上。此外，所述外壳16前端设置有电子光阑7，使得光线通过电子光阑7后进入探测器凹槽8的开口。其中，所述电子光阑7包括第一光阑和第二光阑，所述第一光阑与第二光阑间隔设置，并且第一光阑与第二光阑之间设置有间隙，所述间隙与所述探测器凹槽8的开口相对设置，光线通过所述间隙射入所述探测器凹槽8的开口内。在本实施例中，所述第一光阑和/或第二光阑可沿垂直于透镜的光轴方向移动，以调整第一光阑与第二光阑之间的间隙。

同时在本实施例中，所述石墨烯嵌入式碳膜传感单元包括负电极12、石墨烯嵌入式碳膜面阵10、导电硅基板11以及正电极13；所述负电极12、石墨烯嵌入式碳膜面阵10、导电硅基板11以及正电极13依次堆叠设置。其中，所述的石墨烯嵌入式碳膜面阵优选为由4*4的规则组合阵型；所述导电硅基板13表面的石墨烯嵌入式碳膜面阵10是通过ECR等离子体低能电子照射生长方式形成的，所述导电硅基板13优选为P型导电硅基板。所述的石墨烯嵌入式碳膜10生长方式为ECR等离子体低能电子照射生长，所述的P型导电硅基板13与石墨烯嵌入式碳膜10形成无需外加电场的天然P-N结。这样由于势阱原理，石墨烯嵌入式碳膜面阵10能够产生强烈的光电流，极大地提高光响应率。此外，所述石墨烯嵌入式碳膜10优选为纳米级的薄膜状的石墨烯嵌入式碳膜。

同时在本实施例中，所述反馈系统3作用于所述光电探测器1，所述反馈系统3控制所述电子光阑7，以通过调整电子光阑7的门孔来调整光电探测器的分辨率。也就是说，反馈系统通过调整第一光阑和第二光阑的位置来调整电子光阑的门孔的大小，当波形平坦光点直径大时，减小光阑门孔距离，当波形尖锐光点直径小，增大光阑门孔距离，这样可以提高扫描分辨率，从而提高条码扫描芯片的灵敏性。

所述反馈系统3包括反馈芯片和偏压电路，所述反馈芯片信号处理模块处理得到的条码波的波形进行计算，以得到所述光电信号的噪声等效功率NEP，再根据所述噪声等效功率NEP向光电探测器施加偏压。其中，所述噪声等效功率NEP为使光电探测器输出的信号等于噪声电压或电流所需要最小的入射信号辐射功率，所述噪声等效功率NEP的单位为W/Hz^1/2，并且其计算公式为：

NEP=(2qI_dark)^1/2/R

其中，Idark为暗电流，q为电量，R为光响应率。

所述噪声等效功率是光电探测器接收弱信号能力的评价参数，当NEP越小时，光电探测器越灵敏，相应的处理弱光信号的能力越好。也就是说，在同等光强的条件下，NEP越小，信噪比越大，即所述NEP与所述信噪比成负相关的关系。所述光响应率R用于体现光电探测器的光电转换能力，并且光响应率越大，光电探测器转换能力越强。因此，所述偏压的范围可以根据噪声等效功率和光响应率确定。

另外，根据噪声等效功率和光响应率确定偏压时，首先可以先确定光电探测器预先配置的偏压范围，并在所述偏压范围之后，根据噪声等效功率和光响应率确定偏压。并且，所述根据所述噪声等效功率NEP和光响应率施加偏压的具体过程可以为：在强光时，以光响应率R优先，逐渐加大反向偏置，在弱光（NEP高于3*10^-14W/Hz^1/2）时，以噪声等效功率NEP优先，逐渐减小反向偏置，从而提高信噪比和扫描效率。例如，在本申请的一个优选实施例中，如图4所示，所述预先配置的偏压范围为-2V—-0.8V，当反向偏压达到-2V时，光响应率达到其最大值为10A/W，当零偏时，则光响应率为1A/W。

所述信号处理模块2包括放大系统和数模转换系统，其中，所述放大系统为采用LM324芯片搭建二级放大系统，所述数模转换系统为以RC整形滤波电路形成。所述信号处理模块接收光电探测器产生的光电信号，并对所述光电信号进行放大以及数模转换，已将所述光电信号转换为条码波。其中，如图3所示，所述条码波为整形的矩形波。

所述译码器系统4用于进行硬件译码以及字符校验，其中，所述译码器系统利用嵌入式解码系统将整形后的矩形波进行量化，并译出其中所含信息的字符，并对所述字符进行验证。在本实施例中，所述译码器系统主要适合于UPC-E码和EAN-13码，所述条码扫描芯片适用于不同码制的场合。

所述控制器5用于控制其他外部设备工作与协调条码扫描芯片内部工作，其中，所述其他外部设备可以包括扫描器设备接口、照明设备接口、红外感应设备接口、蜂鸣器接口、电源接口、开关接口等多个外部装置。此外，所述控制器通过输出运作信号来控制扫描器设备，根据译码器系统的效率来调节扫描频率和扫描次数，以提高条码扫描芯片的首读率。

所述接口模块6用于将控制器输出的运作信号传输至外部终端。所述接口模块6可以分为两类，其中，一类为通信接口，另一类为外设接口。所述通信接口用于将条形码信息字符传输至外部计算机系统，其中，所述通信接口优选采用RS-232串口通信协议或蓝牙（blue-tooth）进行外部传输；所述外设接口用于将所述条码扫描芯片与外部设备连接，所述外设接口可以包括扫描器接口、照明设备接口、红外感应设备接口、蜂鸣器接口、电源接口、开关接口等。当然，所述条码扫描芯片连接的外部设备具有扫描器模块，通过控制器，译码器系统和外部的扫描器模块互相协调工作，可以避免重复扫码和校验失败，提高了扫码效率和正确率。

实施例三

本实施例提供了一种条码扫描方法，其应用上述实施例所述的条码扫描芯片，如图5所示，所述方法具体包括：

S10、光电探测器采集反射激光信号，将所述激光信号转换为第一光电信号并将所述第一光电信号传输至信号处理模块；

S20、信号处理模块将所述第一光电信号转换为第一条码波，并将所述第一条码波输出至反馈系统；

S30、反馈系统根据所述第一条码波计算第一光电信号的噪声等效功率，并根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压；

S40、施加偏压后的光电探测器将采集到的第二光电信号传输至信号处理模块；

S50、信号处理模块将所述第二光电信号转换为第二条码波，并将所述第二条码波传输至译码器系统；

S60、译码器系统对所述第二条码波进行译码，并将译码得到的字符信息通过控制器传输至外部设备。

在所述条码扫描方法中，所述反馈系统根据所述第一条码波计算第一光电信号的噪声等效功率，并根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压具体为：

所述反馈系统根据所述第一条码波计算所述第一光电信号的噪声等效功率，并根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压以及调节所述光电探测器的电子光阑。

此外，上述条码扫描方法具体过程在上述条码扫描芯片中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种条码扫描芯片，其特征在于，其包括：光电探测器、信号处理模块、反馈系统、译码器系统以及控制器；所述光电探测器与所述信号处理模块相连接，所述信号处理模块依次与所述译码器系统和控制器以形成扫描支路，所述信号处理模块与所述反馈系统连接以形成反馈支路，所述反馈系统作用于所述光电探测器，并用于获取光电探测器采集的光电信号的噪声等效功率，根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压。

2.根据权利要求1所述条码扫描芯片，其特征在于，所述光电探测器为包括：底座、设置于所述底座上的外壳以及设置于底座上的引脚，其特征在于，所述底座与所述外壳形成的容纳空间内设置有石墨烯嵌入式碳膜传感单元以及透镜，所述外壳远离底座一端设置有探测器凹槽，并且所述探测器凹槽前方设置有电子光阑；光线通过所述电子光阑进入探测器凹槽，经过探测器凹槽的光线通过透镜照射于石墨烯嵌入式碳膜传感单元而进行光电转换。

3.根据权利要求2所述条码扫描芯片，其特征在于，所述石墨烯嵌入式碳膜传感单元包括负电极、石墨烯嵌入式碳膜、导电硅基板以及正电极；所述负电极、石墨烯嵌入式碳膜、导电硅基板以及正电极依次堆叠设置。

4.根据权利要求3所述条码扫描芯片，其特征在于，所述石墨烯嵌入式碳膜通过ECR等离子体低能照射方式生长于所述导电硅基板上。

5.根据权利要求1所述条码扫描芯片，其特征在于，所述反馈系统还用于调整所述光电探测器的电子光阑，以调整所述光电探测器的分辨率。

6.根据权利要求1所述条码扫描芯片，其特征在于，所述反馈系统包括反馈芯片以及偏压电路，所述反馈芯片用于计算光电信号的噪声等效功率，所述偏压电路用于根据所述噪声等效功率对所述光电探测器施加偏压。

7.根据权利要求1所述条码扫描芯片，其特征在于，其还包括接口模块，所述接口模块与所述控制器相连接，用于将译码器系统识别的信息传输至外部设备。

8.一种条码扫描方法，其特征在于，其应用权利要求1-7任一所述的条码扫描芯片，所述方法包括：

光电探测器采集反射激光信号，将所述激光信号转换为第一光电信号并将所述第一光电信号传输至信号处理模块；

信号处理模块将所述第一光电信号转换为第一条码波，并将所述第一条码波输出至反馈系统；

反馈系统根据所述第一条码波计算第一光电信号的噪声等效功率，并根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压；

施加偏压后的光电探测器将采集到的第二光电信号传输至信号处理模块；

信号处理模块将所述第二光电信号转换为第二条码波，并将所述第二条码波传输至译码器系统；

译码器系统对所述第二条码波进行译码，并将译码得到的字符信息通过控制器传输至外部设备。

9.根据权利要求8所述条码扫描方法，其特征在于，所述反馈系统根据所述第一条码波计算第一光电信号的噪声等效功率，并根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压具体为：

所述反馈系统根据所述第一条码波计算所述第一光电信号的噪声等效功率，并根据所述噪声等效功率向光电探测器施加偏压以及调节所述光电探测器的电子光阑。