基于嵌入式的無線條碼掃描儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引 言

條碼技術(shù)是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中最成熟，也是應(yīng)用最廣泛和最成功的技術(shù)。條碼技術(shù)為快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)錄入提供了有效、可靠的手段，他與計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊等一起構(gòu)成了現(xiàn)代商業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)。條碼符號(hào)制作容易，掃描操作簡(jiǎn)單易行，信息采集速度快，采集信息量大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。因此在大型超市和物流系統(tǒng)中有著廣泛的運(yùn)用。

傳統(tǒng)的在線采集終端與計(jì)算機(jī)之間由電纜連接傳輸數(shù)據(jù)，不能脫機(jī)使用。因此，在線式數(shù)據(jù)采集終端必須安裝在固定的位置，并且需把帶條碼符號(hào)的物品拿到掃描器前閱讀。由于在線式數(shù)據(jù)采集終端在使用距離上有一定的限制，使其不能應(yīng)用在需要脫機(jī)使用的場(chǎng)合，如較大新庫(kù)存盤點(diǎn)，大件物品的掃描等。為了彌補(bǔ)在線式數(shù)據(jù)采集終端的不足之處，無線數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)運(yùn)而生。而目前市面上的無線條碼掃描儀傳輸距離一般為30～100m的范圍內(nèi)。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的基于嵌入式的無線條碼掃描儀，傳送距離可達(dá)800 m，并且系統(tǒng)本身具有一定的數(shù)據(jù)處理功能，很大程度上提高了無線條碼掃描的距離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)嵌入式無線條碼掃描系統(tǒng)由3部分組成，一是數(shù)據(jù)采集與發(fā)射裝置，主要由LPC2142和ADF7020無線收發(fā)芯片構(gòu)成；二是數(shù)據(jù)接收和終端接口電路，由ADF7020為核心構(gòu)成的接收電路，并由LPC2142進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和與終端主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；三是HOST主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，對(duì)收集到的條碼數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理如下：條碼掃描儀讀取條碼信息，通過條碼掃描儀自帶的USB接口，和嵌入式接收裝置連接并傳輸數(shù)據(jù)。LPC2142將接收的數(shù)據(jù)通過串口送給ADF7020，ADF7020再通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)給無線接收設(shè)備。與HOST連接的無線接收裝置接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過串口傳到HOST主機(jī)，由主機(jī)上的應(yīng)用數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2 主要芯片介紹

本系統(tǒng)所使用的主要芯片分別是PHILIPS公司的LPC2142 ARM嵌入式芯片和ADI公司ADF7020無線收發(fā)芯片。

2.2.1 LPC2142芯片介紹

LPC2142是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32／16位ARM7TDMI—S CPU的微控制器，并帶有32kB和512 kB嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器。128位寬的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16 位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30％，而性能的損失卻很小。

較小的封裝和很低的功耗使LPC2142特別適用于訪問控制POS機(jī)等小型應(yīng)用中；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口（從USB 2.0全速器件、多個(gè)UART，SPI，SSP到I2C總線）和8～40kB的片內(nèi)SRAM，他們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟Modem、語(yǔ)音識(shí)別、低端成像，為這些應(yīng)用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能。多個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)或2個(gè)10位ADC，10位DAC，PWM通道、45個(gè)高速 GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳，使他們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)。LPC2142是屬于工業(yè)級(jí)的應(yīng)用芯片，其工作溫度為 -40～+85℃，具有最優(yōu)化的電池消耗，特別適合運(yùn)用在小型手持系統(tǒng)之中。

在本系統(tǒng)運(yùn)用中，LPC2142起到2個(gè)作用，在數(shù)據(jù)采集與發(fā)射裝置端，其作用是通過接口電路，接收條碼掃描儀的掃描信息，并將其存儲(chǔ)在自帶的存儲(chǔ)器中，最后數(shù)據(jù)傳送到發(fā)射模塊。在數(shù)據(jù)接收和終端接口電路端，他的作用是接收從接收模塊輸送來的數(shù)據(jù)，并通過其接口電路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端主機(jī)。

2.2.2 ADF7020芯片介紹

ADF7020是ADI公司的產(chǎn)品，是一種低功耗，低IFISM頻段收發(fā)器，工作在433 MHz，868 MHz和915 MHz，電壓2.3～3.6 V，可編輸出功率從-16～13 dBm，1 kb／sFSK模式的接收靈敏度為-117.5 dBm或9.6 kb／s的-110.5 dBm，接收模式的功率為20 mA，10 dBm輸出的發(fā)送模式的功率為30 mA，其他特性包括VCO，分?jǐn)?shù)N PLL，片內(nèi)7位ADC，數(shù)字接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI），溫度傳感器以及全自動(dòng)AFC回路，關(guān)斷模式的電流小于1μA，在信號(hào)良好的情況下，傳輸距離可達(dá)800 m。在低成本數(shù)據(jù)傳輸器，遙控／安全系統(tǒng)，無線測(cè)量和無鍵盤輸入方面有很大的應(yīng)用前景。

在本系統(tǒng)中，ADF7020是無線數(shù)據(jù)通信模塊的主要芯片，利用芯片本身集成的射頻、濾波、放大、數(shù)字信號(hào)處理的模塊，搭建收發(fā)一體的無線通信模塊。由于芯片無線通信距離遠(yuǎn)及其高度的集成化，使得無線模塊電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，系統(tǒng)工作也更穩(wěn)定。

2.3 主要電路介紹

本系統(tǒng)硬件電路分為3個(gè)部分：條碼掃描儀和LPC2142之間的數(shù)據(jù)傳輸接口；數(shù)據(jù)無線收發(fā)電路；LPC2142和終端主機(jī)之間的接口電路，本系統(tǒng)采用串口與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

主要電路的設(shè)計(jì)介紹如下：

2.3.1 條碼接收電路

目前絕大多數(shù)條碼掃描儀的數(shù)據(jù)接口有USB和串口2種形式，USB接口數(shù)據(jù)傳輸速度快和安裝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用USB接口的掃描儀。條碼掃描儀讀取條碼信息后，通過USB將條碼信息傳送入LPC2142，LPC2142接收到條碼信息后，驅(qū)動(dòng)無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

LPC2142帶有USB設(shè)備控制器，他由寄存器接口、串行接口引擎、端點(diǎn)緩沖存儲(chǔ)器和DMA控制器組成。串行接口引擎對(duì)USB數(shù)據(jù)流進(jìn)行譯碼，并將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的端點(diǎn)緩沖存儲(chǔ)器。通過該控制器直接與USB接口的設(shè)備相連，其連接電路圖2所示。

2.3.2 無線收發(fā)模塊電路

ADF7020芯片集成了完整的無線收發(fā)電路。在接收模式下，相當(dāng)于一個(gè)傳統(tǒng)的超外差接收器，RF（射頻）輸入信號(hào)通過從RFIN管腳引出的天線，經(jīng)LNA（低噪聲放大器）放大后翻轉(zhuǎn)進(jìn)入混頻器，通過混頻器混頻產(chǎn)生IF（中頻）信號(hào)。在IF處理階段，該信號(hào)在送入解調(diào)器前被放大和濾波。解調(diào)后從引腳DATA I／O輸出解調(diào)數(shù)字信號(hào)，解調(diào)信號(hào)的同步由芯片提供的時(shí)鐘信號(hào)完成。

ADF7020芯片自帶SDATA、DATAI／O兩個(gè)串行接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能，能夠與多種單片機(jī)（MSC51，ARM，AVR，PIC等） 直接兼容連接。在本系統(tǒng)中，LPC2142和ADF7020無線收發(fā)模塊之間通過串口相連，采用SP3232E芯片進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換。具體電路如圖 3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括USB的驅(qū)動(dòng)和基于USB的數(shù)據(jù)傳輸，無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，終端主機(jī)上數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序的開發(fā)。

3.1 USB的驅(qū)動(dòng)和基于USB的數(shù)據(jù)傳輸

本系統(tǒng)的USB通信采用標(biāo)準(zhǔn)USB2.O協(xié)議，與USB控制器之間12 Mb／s的數(shù)據(jù)傳輸。該軟件編程是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，通信過程主要包括2部分：并口數(shù)據(jù)的采集和初始化。

并口數(shù)據(jù)的采集是通過輪詢的方式來進(jìn)行的。在系統(tǒng)上電后，LPC2142掃描USB端口，當(dāng)條碼掃描儀準(zhǔn)備工作，發(fā)送請(qǐng)求接收數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，LPC2142接收到信號(hào)后，則從條碼掃描儀的數(shù)據(jù)端口將并口數(shù)據(jù)讀出。利用LPC2142芯片自帶的串行接口引擎對(duì)USB數(shù)據(jù)流進(jìn)行譯碼，并將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的端點(diǎn)緩沖存儲(chǔ)器。在從條碼掃描儀向LPC2142進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中，LPC2142向條碼掃描儀發(fā)送一個(gè)IN令牌，在條碼掃描儀接收到令牌后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)。

初始化過程分2部分：ARM芯片的初始化和條碼掃描儀的初始化。ARM芯片的初始化過程就是直接向相應(yīng)的I／O口寫初始化值及設(shè)置看門狗，調(diào)用函數(shù)watchdog_init（）實(shí)現(xiàn)設(shè)置看門狗。條碼掃描儀的初始化包含以下一些步驟：獲取設(shè)備描述符、設(shè)置條碼掃描儀USB地址、獲取配置描述符、加載USB配置值、發(fā)送數(shù)據(jù)接收符。

3.2 無線數(shù)據(jù)的收發(fā)

無線數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設(shè)計(jì)，首先是在LPC2142接收到條碼掃描儀發(fā)送的數(shù)據(jù)后，發(fā)送一個(gè)信號(hào)給無線發(fā)送模塊，兩模塊之間的連接是采用RS 232轉(zhuǎn)接器來實(shí)現(xiàn)，在接收到LPC2142的發(fā)送信號(hào)后，無線模塊返回接收信號(hào)，并打開RS 232轉(zhuǎn)接器，LPC2142接收到信號(hào)后，發(fā)送數(shù)據(jù)到收發(fā)模塊，收發(fā)模塊具有接收和發(fā)送的功能，在軟件的控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序

本系統(tǒng)可為中、小型規(guī)模企業(yè)用戶提供完整的庫(kù)存業(yè)務(wù)管理和物料管理方案。他能徹底改善企業(yè)庫(kù)房管理不暢、貨物調(diào)配不及時(shí)、庫(kù)存查詢繁瑣、庫(kù)管人員太忙等不良工作狀況。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)包含：基礎(chǔ)檔案、系統(tǒng)管理、庫(kù)存業(yè)務(wù)管理、綜合查詢等模塊。具體框圖如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于嵌入式無線條碼掃描儀的方案，并提出由ADF7020芯片構(gòu)成的無線收發(fā)模塊。系統(tǒng)能保證遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通訊的可靠性，具有功能齊全、系統(tǒng)擴(kuò)展靈活、性能／價(jià)格比高等特點(diǎn)。以嵌入式為基礎(chǔ)的無線條碼掃描儀系統(tǒng)，具有很大的實(shí)現(xiàn)性，在倉(cāng)管、超市、圖書、郵件等物品流通行業(yè)更有其優(yōu)勢(shì)。