基于LabVIEW图形化的条码识读引擎CCD调节系统设计

随着移动支付与快递行业的高速发展，条码识读产品市场需求与日俱增。一维识读引擎采用对称式结构和远近物距交替设计，兼顾远近景深的同时，不断提升镜头边缘的相对照度，采用的窄条光斑形成方法与生产制造过程已经申请专利保护。对于采用线形CCD传感器的识读引擎，结构设计要求控制照明和成像同轴指标，否则会影响识读性能，传统生产方式依靠人工调节CCD高度，实验系统利用图像处理技术，使用步进电机进行精确调节，使识读引擎的性能满足设计指标要求。

识读引擎工作原理

识读引擎一般由照明系统、光学成像系统、图像传感器与图像处理单元组成。CCD作为图像传感器是识读引擎的核心部件，采用2500分辨率TOSHIBA线形CCD，识读精度大于3mil，其中分辨率是线形CCD的重要参数，例如2500表示CCD由2500个光电传感器组成。

CCD具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点，线形CCD是由若干个光电传感器组成的一个条形器件，每个光电传感器接受到光信号，通过放大电路得到工作波形，如图1所示（见下页），再经过模数转换电路转化为数字信号，最后由图像处理单元进行解码。

图1 CCD工作波形

实验系统组成

实验系统的组成包括标准光源箱、图形测试卡、工业摄像机与自动化测试工具等。

标准光源箱

本实验系统使用LED白色光源，色温6500K，环境照度控制为300lux。

图形测试卡

图形测试卡由三角形与圆形图案组成，如图2所示。主要用于确定对焦灯、CCD的相对位置，测试时使识读引擎位置介于两个圆形图案之间。

图2 测试卡

工业摄像机

使用德国Basler acA2500-20gc快速对焦工业相机，帧速20fps，用于采集识读引擎对焦灯照射到测试卡表面的图像。

自动化测试软件

虚拟仪器技术是以PC机作为系统控制器，通过软件实现传统仪器的功能。虚拟仪器技术的关键是软件系统，本文采用LabVIEW平台开发自动化测试软件，内置IMAQ VISION视觉开发工具包，为图像处理提供完整的功能，开发者采用图形化的方式编程，可以缩短开发周期。

数学建模与测试软件详细设计

摄像机图像采集

在LabVIEW的VI前面板，采用将摄像机Ac⁃tiveX控件嵌入到ActiveX容器中的方式，显示采集的图像并与LabVIEW控件进行交互，利用测试卡两个圆圈对相机图像标定，计算圆心A1与A2的坐标差值，与实际图像尺寸进行比较，获取单位像素长度数据。通过对相机图像处理进行水平扫描与垂直投影，找出对焦灯带上下两个灰度跳变的点，将中间所有点进行线性拟合，确定对焦灯带中心线Y坐标与倾斜角，计算相对于三角形底边L的对焦灯带高度。

CCD拍图定位

CCD位置的确定，需要通过开发板获取CCD工作波形，通过波形高电平的持续宽度，计算当前CCD拍图的线长度L1。通过L1与三角形底边L的长度之比，换算成高度比，结合单位像素长度，计算出CCD的实际高度。

CCD高度调节

调用比较程序，如图3所示（见下页）。当CCD高度与对焦灯带高度不一致时，发出电机旋转指令，将CCD高度调节到对焦灯带的中心位置。

图3 LabVIEW控制部份程序

软件工作流程图

首先进行摄像机图像采集，采用加权平均法对图像进行滤波处理，再进行图像灰度化处理，采用梯度阈值法进行图像边缘检测，确定对焦灯带的位置与高度，接着进行CCD拍图高度定位，通过调用比较程序，驱动步进电机对CCD高度进行调节，利用传感器监控调节装置的实时高度，当超出软件设定的有效范围及时报错，此时需复位后重新调节，具体工作流程，如图4所示。

图4 软件工作流程

使用虚拟仪器技术，结合图像处理技术，利用LabVIEW软件平台开发专用的CCD高度自动调节系统，是图像处理技术在条码识读引擎工业生产的成功应用。经过实际验证，实验系统简单易操作，对比人工调节生产效率大幅提升，降低制造成本，确保产品识读性能的一致性，避免不良品流向市场，对识读引擎自动化生产具有重要意义。