DE19537953A1 - Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Barcode-Symbolen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der EP 0 419 226 A1 bekannt. Diese Vor­ richtung weist eine Signalverarbeitungseinheit zur Verarbeitung der Empfangs­ signale auf. Die Signalverarbeitungseinheit besteht aus einem Differenzierer zur Differenzierung der Empfangssignale und einem Filter zur Elimination von hochfrequenten Störungen. Das differenzierte Empfangssignal besteht aus einer Folge von Spitzenwerten, welche den Kantenpositionen des Barcode-Symbols, d. h. den Übergängen zwischen den einzelnen hellen und dunklen Strichelemen­ ten des Barcode-Symbols, entsprechen.

Ferner weist die Signalverarbeitungseinheit einen Analog-Schaltkreis auf, der zur Generierung zweier Schwellwerte mit unterschiedlichen Vorzeichen und gleichen Beträgen eingesetzt wird. Das differenzierte Empfangssignal wird mit den beiden Schwellwerten verglichen.

Zur Generierung der Schwellwerte wird im analogen Schaltkreis der Spitzen­ wert des differenzierten Empfangssignals mit einer vorgegebenen Zeitkonstante verringert. Aus dem reduzierten Spitzenwert werden durch Division mit einem vorgegebenen Faktor die Schwellwerte erhalten.

Nachteilig hierbei ist, daß die Anpassung des Schwellwertes an einen Spitzen­ wert des differenzierten Empfangssignals verzögert erfolgt. Wenn sich inner­ halb dieser Verzögerungszeit die nachfolgenden Spitzenwerte der Empfangssig­ nale signifikant ändern, so können aufgrund des geänderten Signal-Rauschver­ hältnisses Fehlsignale auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Schwellwerte aus einem sehr kleinen Spitzenwert berechnet werden, und die nachfolgenden Spitzenwerte signifikant größer sind. Dann werden die größeren Spitzenwerte mit zu niedrigen Schwellwerten bewertet. Dies birgt die Gefahr, daß durch Rauschen auftretende Spitzenwerte über den Schwellwerten liegen und fälschlicherweise als Nutzsignale interpretiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß die Barcode-Symbole fehlerfrei erkannt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Ansprüchen 2-9 beschrieben.

Erfindungsgemäß wird bei jedem Spitzenwert, der bei dem differenzierten Emp­ fangssignal auftritt, ein aktueller Schwellwert berechnet. Mit diesem Schwell­ wert wird der jeweils nachfolgende Spitzenwert bewertet. Dadurch wird die kürzest mögliche Verzögerungszeit bei der Berechnung der Schwellwerte erhal­ ten.

Selbst wenn sich die Amplituden der Spitzenwerte sprunghaft ändern, wird die Höhe des Schwellwertes sofort nachgeführt. Die Höhe des Schwellwertes ist somit fortlaufend an die Amplitude der Spitzenwerte angepaßt. Fehlsignale aufgrund von Rauschsignalen können somit weitgehend ausgeschlossen werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Schwellwertberechnung in Abhängigkeit des Vorzeichens des jeweiligen Spit­ zenwertes erfolgt. Hierzu wird die Amplitude des Spitzenwertes mit einem Fak­ tor a, der im Bereich -1 < a < 0 liegt, multipliziert.

Da der Faktor a negativ ist, weisen der Schwellwert und der Spitzenwert unter­ schiedliche Vorzeichen auf. Eine Bewertung des darauffolgenden Spitzenwertes mit dem Schwellwert erfolgt nur dann, wenn der darauffolgende Spitzenwert und der berechnete Schwellwert dasselbe Vorzeichen aufweisen.

Wenn zwei aufeinanderfolgende Spitzenwerte unterschiedliche Vorzeichen auf­ weisen, erfolgt demzufolge eine Bewertung des zweiten Spitzenwertes mittels des berechneten Schwellwertes. Treten jedoch zwei aufeinanderfolgende Spit­ zenwerte gleichen Vorzeichens auf, so wird einer der Spitzenwerte verworfen.

Durch diese Auswertung wird erreicht, daß eine Folge von Spitzenwerten mit alternierenden Vorzeichen erhalten wird. Dies entspricht dem Muster eines Bar­ code-Symbols, denn die fehlerfreie Detektion des aus einer Folge von dunklen und hellen Strichelementen bestehenden Barcode-Symbols führt zu einer derarti­ gen Folge von Spitzenwerten.

Treten bei dem differenzierten Empfangssignal zwei aufeinanderfolgende Spitzen­ werte mit gleichem Vorzeichen auf, so muß einer der beiden Spitzenwerte ein Fehlsignal darstellen. Durch die erfindungsgemäße Auswertung der differenzier­ ten Empfangssignale ist gewährleistet, daß derartige Fehlsignale eliminiert wer­ den und die Folge der Strichelemente des Barcode-Symbols korrekt dekodiert wird.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipaufbau der optoelektronischen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Auswerteeinheit,

Fig. 3 Flußdiagramm der Auswertung des differenzierten Empfangssig­ nals

Fig. 4 Signalverlauf des differenzierten Empfangssignals und zugehörige Signalfolge nach erfolgter Dekodierung.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer optoelektronischen Vorrichtung 1 zum Erkennen von Barcode-Symbolen 2 dargestellt. Die Barcode-Symbole 2 be­ stehen im wesentlichen aus einer Folge von schwarzen und weißen Strichele­ menten 2a, b definierten Länge und Breite.

Die optoelektronische Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Sende­ element 3, einem Empfangselement 4 sowie einer Auswerteeinheit 5. Das Sen­ deelement 3 besteht aus einem Sender, 6 vorzugsweise einer Laserdiode, sowie aus einer dem Sender 6 vorgeschalteten Sendeoptik 7 zur Fokussierung des Sen­ delichts 8. Das fokussierte Sendelicht 8 wird über eine Ablenkeinheit 9, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem rotierenden Polygonspiegelrad ge­ bildet ist, abgelenkt und über den zu detektierenden Barcode-Symbol 2 geführt.

Die Drehachse des Polygonspiegelrads ist senkrecht zur in Fig. 1 dargestellten Äquatorialebene des Polygonspiegelrads angeordnet.

Das vom Barcode-Symbol 2 reflektierte Empfangslicht 10 wird über das Poly­ gonspiegelrad zum Empfangselement 4 geführt. Das Empfangselement 4 besteht aus einer Photodiode 11, in der das Empfangslicht 10 in ein elektrisches Emp­ fangssignal gewandelt wird, und einem dieser nachgeschalteten Verstärker 12.

Zur Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit ist dem Empfangselement 4 eine Empfangsoptik 13 vorgeschaltet.

Das am Ausgang des Empfangselements 4 anstehende Empfangssignal wird der Auswerteeinheit 5 zugeführt.

Der Aufbau der Auswerteeinheit 5 ist in Fig. 2 dargestellt.

In einem Filter 15 werden bauteilbedingte Störungen des Empfangssignals eli­ miniert. Das am Ausgang des Filters 15 anstehende, analoge Empfangssignal wird einem in einem Differenzierer 14 differenziert. Der Differenzierer 14 be­ steht im wesentlichen aus einem Operationsverstärker.

Das differenzierte Empfangssignal enthält eine Folge von positiven und negati­ ven Spitzenwerten. Eine ideale Folge von derartigen Spitzenwerten, bei der kei­ nerlei Störeffekte wie z. B. Rauschsignale auftreten, enthält eine alternierende Folge von positiven und negativen Spitzenwerten. Jeder der positiven und nega­ tiven Spitzenwerte entspricht der Kante eines Strichelementes 2a, 2b eines Bar­ code-Symbols 2, d. h. die Position des entsprechenden Spitzenwertes kenn­ zeichnet den Übergang von einem schwarzen zu einem weißen Strichelement 2a, 2b bzw. umgekehrt. Diese Nutzsignale werden mit den nachfolgenden Schaltungselementen von auftretenden Störsignalen unterschieden und von diesen getrennt.

Hierzu ist dem Analog-Digital-Wandler 16 eine Bewertungseinheit zur Bewer­ tung der einzelnen Spitzenwerte des differenzierten Empfangssignals nachge­ schaltet.

Die Bewertungseinheit besteht aus einem Spitzenwertfinder 17 und einem die­ sem nachgeschalteten Spitzenwertselektierer 18, der über eine Steuereinheit 19 auf ein einzelnes Speicherelement 20 geführt ist, welche ebenfalls Bestandteil der Bewertungseinheit sind. Im Spitzenwertfinder 17 werden die Positionen der einzelnen Spitzenwerte des differenzierten Empfangssignals ermittelt.

Der Spitzenwertselektierer 18 besteht im wesentlichen aus einer Komparator­ schaltung. Das Speicherelement 20 besteht vorzugsweise aus einem First-in- First-out (HFO) Speicherelement 20, vorzugsweise einem Schieberegister bei dem der letzte Speicherwert überschrieben werden kann. In dem Speicherele­ ment 20 können insgesamt drei Spitzenwerte abgespeichert werden.

Die Bewertungseinheit ist in einer vorteilhaften Ausführungsform in einem ASIC (anwenderspezifischer integrierter Schaltkreis) integriert.

Auf den Spitzenwertselektierer 18 ist eine Schwellwerteinheit 21 geführt, die ebenfalls Bestandteil des ASIC ist. In der Schwellwerteinheit 21 wird der Schwellwert fortlaufend aus dem jeweils zuletzt als gültig bewerteten Spitzen­ wert berechnet. Hierzu wird der aktuelle Spitzenwert mittels eines nicht darge­ stellten Multiplizierers mit einem Faktor a multipliziert, der im Bereich -1 < a < 0 vorzugsweise im Bereich -0,75 < a < -0,375 liegt. Unterschrei­ tet jedoch der Betrag des Schwellwertes einen vorgegebenen Mindestwert, so wird der Schwellwert auf diesen Mindestwert gesetzt.

Auf den Eingang des ersten Speicherelements 20 ist ein von einer nicht darge­ stellten Kontrolleinheit, die beispielsweise in einer zentralen Recheneinheit inte­ griert ist, gesteuerter Zeitgeber 22 geführt, der die zu den einzelnen Spitzen­ werten die zugehörigen Zeitpunkte in die erste Speicherstelle des Speicherele­ ments 20 einschreibt. Dieser Speicherwert ist überschreibbar und kann somit korrigiert werden. Bei fortlaufendem Einlesen weiterer gültiger Spitzenwerte werden die Speicherwerte jeweils um eine Speicherstelle weitergeschoben. Um einen Datenverlust zu vermeiden, werden zu vorgegebenen Zeitpunkten die bei­ den zuletzt eingelesenen Spitzenwerte in ein zweites Speicherelement 23 einge­ lesen. Das zweite Speicherelement 23 besteht aus einem First-in-First-out (FIFO) Speicherelement. Der Zeitgeber 22 und das zweite Speicherelement 23 sind ebenfalls Bestandteil des ASIC.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Signalauswertung ist aus dem in Fig. 3 dargestellten Flußdiagramm ersichtlich.

Das Flußdiagramm zeigt die Auswertung des während einer Abtastung (Scan) ermittelten differenzierten Empfangssignals. Der Sendelichtstrahl 8 wird über die Ablenkeinheit 9 periodisch über das Barcode-Symbol 2 geführt. Da der Endzeitpunkt der Abtastung bekannt sind, ergeben sich aus den Zeitpunkten des Auftretens der positiven und negativen Spitzenwerte des differenzierten Emp­ fangssignals die Positionen der Kanten der Strichelemente 2a, 2b der Barcode- Symbole 2.

Die in Fig. 3 dargestellte Signalauswertung dient zur Eliminierung von Stör­ signalen, die beispielsweise durch Rauschen oder fehlerhafte Farbmuster des Barcode-Symbols 2 hervorgerufen werden.

Mit Start ist in Fig. 3 der Beginn der Auswertung gekennzeichnet, zu dem die Spitzenwerte des differenzierten Empfangssignal seriell in die Bewertungseinheit eingelesen werden.

Zuerst wird im Spitzenwertfinder 17 ein erster Spitzenwert gesucht. Dieser Spitzenwert ist im Flußdiagramm mit SET gekennzeichnet. Der Spitzenwert SET wird in dem Spitzenwertselektierer 18 mit einem fest vorgegebenen, den Anfangswert bildenden Schwellwert MIN verglichen. Ist der Betrag des Spit­ zenwertes kleiner als der Schwellwert, so wird er in der Bewertungseinheit ver­ worfen, d. h. er wird zur Auswertung nicht herangezogen und es wird der näch­ ste Spitzenwert gesucht. Dies wird solange wiederholt, bis der erste Spitzenwert gefunden ist, der den Schwellwert übersteigt. Dieser Spitzenwert wird abgespei­ chert (Speichere SET). Aus diesem Schwellwert wird für den nachfolgenden Spitzenwert ein neuer Schwellwert berechnet. Danach wird der nächste Spitzen­ wert gesucht.

Dieser Spitzenwert SET wird zunächst auf sein Vorzeichen untersucht. Hat dieser Spitzenwert dasselbe Vorzeichen wie der erste Spitzenwert SET und überschreitet er den in der Schwellwerteinheit gespeicherten Anfangs-Schwell­ wert MIN, so wird dieser Spitzenwert (SET) mit dem abgespeicherten Spitzen­ wert (SET) verglichen, wobei der betragsmäßig größere Spitzenwert (SET) auf diese Speicherstelle übernommen wird.

Tritt zwischen den beiden Spitzenwerten SET kein Vorzeichenwechsel bei dem differenzierten Empfangssignal auf, so wird der betragsmäßig kleinere Spitzen­ wert SET verworfen.

Tritt zwischen den beiden Spitzenwerten SET ein Vorzeichenwechsel auf, so hängt es vom Betrag des Vorzeichens ab, welcher der Spitzenwerte verworfen wird. Weisen die Spitzenwerte negatives Vorzeichen auf, so wird der erste Spit­ zenwert verworfen, bei positivem Vorzeichen wird der letzte Spitzenwert ver­ worfen.

Dieser Fall tritt insbesondere dann auf, wenn die schwarzen und weißen Strich­ elemente 2a, 2b des Barcode-Symbols 2 auf ein helles, beispielsweise hellgraues Label aufgebracht sind und dieses Label auf einem helleren, beispielsweise weißen Untergrund aufgebracht ist.

Der Sendelichtstrahl wird zuerst vom Untergrund auf das Label geführt. Durch den Farbübergang von weiß zu hellgrau entsteht ein erster negativer Spitzen­ wert. Danach trifft der Sendelichtstrahl 8 auf ein schwarzes Strichelement, wo­ durch nochmals ein negativer Spitzenwert erzeugt wird. Zwischen beiden Spit­ zenwerten schwankt das differenzierte Signal durch Rausch- und Störeinflüsse um den Nullpunkt, so daß fortlaufend Nulldurchgänge bei dem differenzierten Empfangssignal erfolgen.

Der erste Spitzenwert beruht lediglich auf dem Farbübergang zwischen Unter­ grund und Label und stellt demzufolge eine Fehldetektion dar. Der Spitzenwert wird daher verworfen.

Analog verläuft die Auswertung für den Fall, daß der Sendelichtstrahl über das letzte schwarze Strichelement, dann über das hellgraue Label und schließlich über den hellen Untergrund geführt wird. In diesem Fall erzeugen die Übergän­ ge zwischen Strichelement und Label sowie Label und Untergrund zwei aufein­ anderfolgende Spitzenwerte mit positivem Vorzeichen, wovon der letzte Spit­ zenwert verworfen wird.

Mit dieser Auswertung werden auftretende Folgen von Spitzenwerten mit glei­ chem Vorzeichen vollständig unterdrückt, wodurch Fehldekodierungen von Bar­ code-Symbolen 2 effizient verhindert werden können.

Eine fehlerfreie Dekodierung von Barcode-Symbolen 2 liefert in jedem Fall eine alternierende Folge von positiven und negativen Spitzenwerten. Treten hintereinander zwei Spitzenwerte gleichen Vorzeichens auf, so ist der dazwi­ schen liegende negative Spitzenwert durch eine Fehldetektion verloren gegan­ gen. Bei Löschen des ersten positiven Spitzenwertes geht zwar lokal Informa­ tion verloren, jedoch wird die dem Barcode-Muster entsprechende Alternie­ rungsfolge der Spitzenwerte wieder erhalten.

Hat der zweite Spitzenwert RESET ein zum ersten Spitzenwert SET unter­ schiedliches Vorzeichen, so wird der Spitzenwert RESET mit dem aus dem vo­ rigen Spitzenwert SET berechneten Schwellwert verglichen. Da dieser Schwell­ wert aus dem Spitzenwert SET durch Multiplikation mit dem negativen Faktor a berechnet worden ist, hat der Schwellwert dasselbe Vorzeichen wie der Spit­ zenwert RESET und kann zu dessen Bewertung herangezogen werden.

Liegt der Spitzenwert RESET unterhalb des Schwellwertes, so wird er verwor­ fen. Im anderen Fall wird er im Speicherelement 20 abgespeichert und daraus der nächste Schwellwert berechnet.

Danach wird der nächste Spitzenwert SET mit dem Vorzeichen des ersten Spitzenwertes gesucht und abgespeichert, falls er den neu berechneten Schwell­ wert übersteigt. Hat der Spitzenwert das falsche Vorzeichen (RESET), so wird er verworfen.

Übersteigt der Spitzenwert SET den Schwellwert nicht, so wird eine zusätzliche Abfrage durchgeführt, ob er den Anfangs-Schwellwert MIN übersteigt. Falls dieses nicht der Fall ist, wird der Spitzenwert verworfen. Falls der Spitzenwert den Anfangs-Schwellwert MIN übersteigt, so wird er abgespeichert.

Diese zusätzliche Abfrage auf den Anfangs-Schwellwert dient dazu, daß plötz­ lich auftretende Kontrastschwankungen der Barcode-Symbole 2 nicht zu Fehlde­ kodierungen führen. Ist beispielsweise ein erstes Barcode-Symbol 2 im Nahbe­ reich angeordnet, so sind die Signalamplituden entsprechend hoch. Wird unmit­ telbar darauf der Sendelichtstrahl 8 auf ein weit entferntes Barcode-Symbol 2 geführt, so nimmt die Signalamplitude so rasch ab, daß diese mit dem adaptiv berechneten Schwellwert nicht mehr erfaßt wird.

In diesem Fall wird der entsprechende Spitzenwert noch mit dem Anfangs- Schwellwert MIN erfaßt.

Aus dem neuen Spitzenwert wird wiederum der aktuelle Schwellwert berechnet.

Danach liegt in dem Speicherelement 20 der Bewertungseinheit ein Paar von aufeinanderfolgenden Spitzenwerten SET/RESET mit unterschiedlichen Vor­ zeichen vor. Dieses Paar wird über die Steuereinheit 20 in das zweite Speicher­ element 23 eingelesen. Danach sind im Speicherelement 20 zwei Speicherstellen frei für eine erneute Aufnahme von zwei Spitzenwerten.

Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Signalwerte einer Abtastung abgearbei­ tet sind (End of Scan). Danach wird die Auswertung beendet und der komplette Inhalt des zweiten Speicherelements 23 einer nicht dargestellten Dekodierschal­ tung zugeführt.

Das Resultat der Auswertung ist in Fig. 4 dargestellt. Die untere Kurve in Fig. 4 zeigt den Verlauf des differenzierten Empfangssignals in Abhängigkeit von der Zeit. Durch die erfindungsgemäße Auswertung sind sämtliche Spitzen­ werte, die unterhalb den berechneten Schwellwerten liegen, eliminiert.

Mit I ist die Amplitude eines Spitzenwertes gekennzeichnet. Mit II ist der Schwellwert gekennzeichnet, der sich durch Multiplikation des Spitzenwertes I und dem Faktor a ergibt.

Die obere Kurve in Fig. 4 zeigt das aus dem differenzierten Empfangssignal gewonnene dekodierte binäre Ausgangssignal, welches die Breiten der Strichele­ mente des Barcode-Symbols 2 wiedergibt. Aus dem Vergleich an beiden in Fig. 4 dargestellten Kurven ist ersichtlich, daß die Spitzenwerte des differenzier­ ten Empfangssignals den Kanten der Strichelemente 2a, 2b des Barcode-Sym­ bols 2 entsprechen.

Claims (9)

1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Barcode-Symbolen mit einem Sendelicht emittierenden Sendeelement und einem Empfangsele­ ment, wobei das Sendelicht über die Barcode-Symbole geführt wird und das von den Barcode Symbolen reflektierte Empfangslicht im Empfangs­ element in ein das Empfangssignal bildendes Spannungssignal umgesetzt wird, welches in einem Differenzierer differenziert wird und zur Auswer­ tung einer Schwellwerteinheit zugeführt wird, in der die Empfangssignale mit von den Amplitudenwerten des differenzierten Empfangssignals ab­ hängigen Schwellwerten bewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Generierung der Schwellwerte die Schwellwerteinheit (21) einen Mul­ tiplizierer aufweist, in dem der jeweils aktuelle Spitzenwert des differen­ zierten Empfangssignals mit einem Faktor a, der im Bereich -1 < a < 0 liegt, multipliziert wird, falls der Betrag des Spitzenwertes einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet, und daß der darauffolgen­ de Spitzenwert mit diesem Schwellwert in einer Bewertungseinheit vergli­ chen wird, falls dessen Vorzeichen mit dem vorhergehenden Spitzenwert nicht übereinstimmt, und daß bei zwei aufeinanderfolgenden Spitzenwer­ ten gleichen Vorzeichens einer der Spitzenwerte verworfen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der Bewer­ tungseinheit drei aufeinanderfolgende Spitzenwerte des differenzierten Empfangssignals abgespeichert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei aufeinanderfolgenden Spitzenwerten gleichen Vorzeichens der be­ tragsmäßig kleinere Spitzenwert in der Bewertungseinheit gelöscht wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei aufeinanderfolgenden Spitzenwerten mit negativem Vorzei­ chen der erste Spitzenwert verworfen wird, und daß bei zwei aufeinander­ folgenden Spitzenwerten mit positivem Vorzeichen der letzten Spitzenwert verworfen wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungseinheit aus einem Spitzenwertfinder (17), einem Spit­ zenwertselektierer (18), einer Steuereinheit (19) und einem ersten Spei­ cherelement (20) besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor a im Bereich -0,75 a -0,37 liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert gleich dem Mindestwert ist, falls der berechnete Be­ trag des Schwellwertes kleiner als der Mindestwert ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß Paare von Spitzenwerten unterschiedlichen Vorzeichens nacheinander in ein zweites Speicherelement (23) eingelesen werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Speicher­ element (23) von einem First-in-First-out (FIFO)-Speicherelement gebildet ist.