条码扫描器硬件设计

TheHardwareDesignofBarcodeScanner摘要论文首先介绍了条码扫描器的发展趋势以及国内外的概况，并且对单片机的结构和特点进行了详细的阐述，然后在此基础上进行系统的设计。设计的主要内容有：单片机、无线传输系统、条码扫描系统、供电系统、键盘系统、报警提示系统和显示系统。系统的核心模块包括单片机、无线传输模块以及条码扫描模块。单片机采用的为 SoC单片机芯片，并且对此芯片以及各应用模块的应用的进行了详细的介绍和说明。系统设计了单片机的I/O接线图，并且设定了各个管脚的功能。无线传输系统采用 STR-11微功率无线数据传输模块，介绍了此模块的特点、连接端子定义及连接示意图。条码扫描系统选用了SE-923II类激光扫描引擎，详细介绍了激光扫描器的各个部件。关键词条码扫描器单片机AbstractFirstofall,thepaperintroducedthedevelopingtrendsandtheoverviewathomeandabroadofthebarcodescanner,setoutthestructureandcharacterofthesinglechipalso.Thenitdesignsthesystembasingonthesinglechip.Themaindesignincludessomeaspects,forexample,thesinglechip,thesystemofwirelesstransmission,thesystemofbarcodescanning,thesystemofpowersupply,thesystemofkeyboard,thesystemofalarmingandthesystemofdisplaying.ThesystemusesthesinglechipofSoC.Itintroducestheapplicationofthechipandappliedmodule.Thesystemdesignsthehookupofthesinglechip,andenactmentsthefunctionofeverypin.Itdesignstheprogramofsystembasingonworkprincipleofsinglechip.WirelesstransmissionsystemadoptsSTR-11micropowerwirelessdatatransmissionmodule,andintroducesthecharacteristics,theterminalsdefinitionandconnectionschemesofthemodule.BarcodescanningsystemchoosestheSE-923IIlaserscanningengine,introduceslaserscannerpartsindetail.KeyWordsbarcodescannersinglechipTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章设备选取方案 4\o"CurrentDocument"单片机的选取方案 4..\o"CurrentDocument"51系列单片机 4.\o"CurrentDocument"61系列单片机 4.\o"CurrentDocument"1.2无线数据传输模块的选择方案 5.\o"CurrentDocument"1.3条码扫描模块的选择方案 5..\o"CurrentDocument"一些辅助器件的选择方案 6.\o"CurrentDocument"电源模块 6..\o"CurrentDocument"1.4.2充电模块 6..\o"CurrentDocument"LED显示模块 6..\o"CurrentDocument"1.4.4系统工作框图 6.\o"CurrentDocument"第2章C8051F022单片机 8\o"CurrentDocument"CIP-51内核 8..\o"CurrentDocument"片内存储器 1.0.\o"CurrentDocument"JTAG调试和边界扫描 1.0\o"CurrentDocument"2.4可编程数字I/O和交叉开关 1.1\o"CurrentDocument"可编程计数器阵列 1.1\o"CurrentDocument"串行端口 12\o"CurrentDocument"12位模/数转换器 1.2\o"CurrentDocument"比较器和DAC 12\o"CurrentDocument"第3章 无线传输的应用 14\o"CurrentDocument"STR-11微功率无线数据传输模块特点 1.4STR-11系列微功率无线数据传输模块的使用方法 15\o"CurrentDocument"电源 1.5\o"CurrentDocument"STR-11连接端子的定义 15\o"CurrentDocument"STR-11的连接示意图 1.6\o"CurrentDocument"3.2.4信道、接口、数据格式设定 16\o"CurrentDocument"3・2.5休眠功能说明 1.7\o"CurrentDocument"第4章条码扫描的选择与应用 18\o"CurrentDocument"激光源 1.8.\o"CurrentDocument"光学扫描系统 1.9\o"CurrentDocument"光接收系统 1.9\o"CurrentDocument"4.4光电转换、信号放大及整形 204.5 译码 21.\o"CurrentDocument"第5章一些辅助器件的选择与应用 22\o"CurrentDocument"电源模块 22.LED显示模块 23\o"CurrentDocument"键盘输入电路 245.4报警提示系统 25结束语 错误!未定义书签。谢辞 错误!未定义书签。\o"CurrentDocument"参考文献 26被发达国家誉为“自动键盘技术”的条码技术是随着计算机的发展和推广应用，自70年代以来迅速兴起的一种自动识别技术。1981年世界性的物品统一编码组织一一国际物品编码协会EAN成立。至今，已有50多个国家和地区加入EAN，还有许多国家和地区纷纷成立编码机构。世界上约有30万家公司和企业采用条码技术。条码技术应用最广泛的领域是通用商品流通销售领域的自动销售点管理 （POS）系统。欧美、日本的POS系统普及率已达到95%以上，目前建立商品信息电子数据交换（EDI）系统，在全球推广无纸张贸易。1991年4月，中国物品编码中心正式加入ENA。目前，我国采用POS系统的商店接近200个，采用条码技术的公司和企业近6万家。在条码技术中，条码扫描器是一个主要的硬件设备。1991年全球条码扫描器市场年销售量已达到75万台，市场年销售额已达6.1亿美元，其中激光条码扫描器占市场的68%。我国仅国营商业企业就有128万个，商业网点720多万个，POS系统发展潜力极大，在未来的几年内，条码扫描器的国内需求量约为20万台。条码扫描器的发展动向是以红光半导体激光器为光源的激光条码扫描器。1、条码扫描器的国内外概况条码技术是迄今为止最经济、准确、方便的垫子计算机数据输入手段之一。人们根据不同的用途和需要设计了各种类型的条码扫描器。条码扫描器有很多种分类方法。按扫描光源的种类，分为激光式和普通光式；按光电转换器的种类，分为结型光电接收器式和电荷耦合器（CCD）式；按扫描方式，分为手动扫描和自动扫描；按扫描器的安装情况，分为手持式和固定安装式；按扫描器的工作距离和扫描景深大小，分为接触式和非接触式；按扫描时光束情况，分为固定光束式和移动光束式；按扫描光束方位多少，分为单方位式和多方位式。目前市销的条码扫描器种类如下：（1） LED光笔条码扫描器LED光笔条码扫描器是以发光二极管（LED）为光源，以光电二极管为光电转换器，属手持式固定光束手动扫描接触式条码扫描器。其特点是小巧灵活、价格低廉。尤其适合用于办公自动化管理等领域。（2） 卡槽式条码扫描器卡槽式条码扫描器是以LED为光源，以光电二极管为光电转换器，属固定安装固定光束手动扫描接触式条码扫描器。其特点是可与译码电路做成一体，具有较强的通讯能力与数据处理能力，使用时手动带有条码符号的卡片价格低廉。尤其适用于考勤和保安系统。（3） 宽槽型CCD条码扫描器宽槽型CCD条码扫描器是以LED为光源，以电子自动扫描的电荷耦合器CCD元件为光电转换器，有手持式和固定安装式两种类型，均属固定光是自动扫描接触式条码扫描器。其特点是无任何运动部件，性能可靠，易于操作，但所阅读的条码符号的长度受扫描器的CCD元件尺寸限制，价格适中。尤其适合用于银行、图书管理等领域。以上三种条码扫描器均为普通光源接触式条码扫描器，目前有国产产品。（4） 单方位移动光束激光条码扫描器单方位移动光束激光条码扫描器是以一激光器或半导体激光器为光源， 以光电二极管为光电转换器，以旋转多面镜或振镜偏转器为光束自动扫描机构，有手持式和固定安装式两种类型，均属单方位移动光束自动扫描非接触式条码扫描器。其特点是工作距离和扫描景深大，易于操作，首读率和精度高，价格较高。手持式单方位移动光束激光条码扫描器尤其适用于系统及海关、医药和军械管理等领域固定安装式单，方位移动光束激光条码扫描器尤其适用于邮政信件自动分检和自动化生产管理等领域。（5） 多方位移动光束激光条码扫描器多方位移动光束激光条码扫描器是以激光器为光源，以光电二极管为光电转换器，以旋转多面镜组或振镜偏转器组或旋转多面镜和振镜偏转器组合为多方位移动光束自动扫描机构，属固定安装多方位移动光束自动扫描非接触式条码扫描器。 其特点是有一定的工作距离和扫描景深，全向自动扫描，扫描频率、首读率和精度均高，价格也高。尤其适用于和邮政信件自动分检等领域。2、条码扫描器的主要技术指标和发展趋势（1）条码扫描器的主要技术指标条码扫描器的分辨率和扫描景深是其两个主要技术指标。条码扫描器的分辨率是指条码扫描器在识读条码符号时，能够分辨出的条（空）宽度的最小值。通常，按能分辨条码符号中最窄元素宽度x的大小来划分条码扫描器的分辨率。能分辨x0.15~0.30mm条码符号的条码扫描器为高分辨率条码扫描器； 能分辨x0.30~0.45mm条码符号的条码扫描器为中分辨率条码扫描器；能分辨x0.45mm条码符号的条码扫描器为低分辨率条码扫描器。在扫描器设计中，要求扫描光束的光点直径 D（椭圆形的光点指短轴尺寸）与所扫描的条码符号中最窄元素宽度x满足Dkx （0-1）式中k为经验系数，最佳的匹配情况是k0.8~1o扫描景深（DOF）是指条码扫描器在识读条码符号时工作距离的变化范围，定义为扫描光点直径D不大于条码符号最窄元素宽度x的•一2倍时工作距离的变化范围。即在扫描景深内要求最大光点直径Dmax与所扫描的条码符号中最窄元素宽度 x满足Dmax2x （0-2）当条码扫描器光深为普通光时，扫描景深很小，均属接触式条码扫描器。使用时对软包装商品条码符号难以阅读，使应用领域受到限制。因其难以在条码技术应用最广泛的领域POS系统中推广应用，没有发展前途。当条码扫描器光源为激光器时，若激光束束腰1光斑直径20满足（0-1）式，而距束腰光斑-DOF处光斑直径2满足（0-2）式，则根2据基模高斯光束的性质，扫描景深DOF与激光束束腰光斑半径 。和所扫描的条码符号中最窄元素宽度x满足22k2 °k2k2x2k 2 E"式中为激光束波长。（2）激光条码扫描器的发展新动向1974年第一台固定安装式HeNe激光条码扫描器在美国问世，用于超级市场和仓库，而后一直到1982年才研制出第一台手持式移动光束HeNe激光条码扫描器。这种条码扫描器虽然较重且需要较大的驱动电源，但由于其使用方便、功能齐全而被广泛采用，并逐步占领了大部分国际条码扫描器市场。为了缩小体积、减轻重量， 1986年开始研究使用半导体激光器作为条码扫描器光源，出现了以近红外光半导体激光器为光源的激光条码扫描器，因其无法识别热印纸和蓝绿色符号的条码，故无法推广应用。 1987年，波长670nm的红光半导体激光器投产问世以后，激光条码扫描器就展开了一场光源战役，发展趋势是以红光半导体激光器为光源的激光条码扫描器。 因其具有体积小、重量轻、无需外部驱动电源、成本低且能有效识别热印纸和蓝绿色符号的条码等众多优点， 故将逐步取代手持式He-Ne激光条码扫描器。1993年，彼长630nm的红光半导体激光器开始进入市场。因各种技术印刷的条码符号对630nm的红光都可获得满意的对比度，且光电转换器在630nm波长也可获得满意的光谱灵敏度，以及在亮环境中具有高的可见度等优点，波长630nm的红光半导体激光器即受到了条码扫描器研制者和制造商的关注，在条码扫描器光源领域正成功地对发光二极管、HeNe激光器和波长670nm的半导体激光器进行挑战，成为条码扫描器的理想光源。目前，条码扫描器的发展新动向是以波长630nm的红光半导体激光器为光源的半导体激光条码扫描器。第1章设备选取方案条码扫描器工作需要多组功能模块的共同协调作用完成。该系统需要的功能模块主要包括：单片机、无线传输模块、条码扫描模块，另外还要包括电源及充电模块、 LED显示模块、键盘输入模块和报警提示模块的一些辅助器件。1.1单片机的选取方案单片机是该系统的核心器件，系统的所有功能都要有单片机来处理实现。 因此，单片机的选取非常重要。随着科技日新月异的发展，单片机的型号和种类越来越多，而且功能都各不相同，因此单片机的可选方案非常多，单片机的选取既要符合自己设计的需要又要有很好的实用性，另外还要考虑到单片机的性价比。51系列单片机我们一般所说的51系列单片机，是MCS-51系列及其兼容的单片机。MCS-51系列单片机是由Intel公司生产的，包括8031、8051、8052、8071、8052等。MCS-51系列单片机是最早最基本的单片机，也是功能最简单的单片机。现在随着电子工业的发展，各大芯片厂商提供了很多与其兼容的单片机。比如 Atmel公司的AT89C系列、AT89S系列，还有Philip公司的8XC552系列，以及新华龙公司的C8051系列等。51系列单片机系统兼容方便程序移植以及系统的升级，使用起来非常方便。另外，51系列单片机具有性能好、速度快、体积小、价格低廉、可重复编程和功能扩展方便等特点，因而在广大领域得到了广泛的应用。新华龙的C8051F022：C8051F022是美国Cygnal公司推出的高速、高性能单片机中的代表产品，是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有功能全面、应用广泛、性价比高等优点。它具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核，指令系统完全相同，熟悉MCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易地掌握C8051F。单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。供电电压2.7V-3.6V，功耗低。61系列单片机61系列单片机现在应用的不是很多，我们接触到的主要是凌阳公司的单片机。凌阳的十六位单片机的CPU内核米用凌阳公司最新推出的□’nsp(MicrocontrollerandSignalProcess0，读为Micro-n-SP)16位微处理器芯片。围绕『nSP(TM)所形成的16位尸nSP(TM)系列单片机，采用的是模块式集成结构，它以□' nSP(TM)内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。□'nSP(TM)内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。『nSP(TM)系列芯片有以下特点：1体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展；2、 具有较强的中断处理能力；3、 高性能价格比；4、 功能强、效率高的指令系统；5、 低功耗、低电压；综合个单片机各个方面的特点，虽然61单片机是16位的而且也有很多好的特点，但本方案对这些要求不高，而且61单片机应用不是很多，因此最终使用了51系列由新华龙公司生产的C8051F022单片机。1.2无线数据传输模块的选择方案无线传输模块采用STR-11微功率无线数据传输模块。该无线模块具有接收发射合一、体积小、外围器件少，内置天线，可直接与MCU串口相接等优点，本扫描器使用了单片机的一个TTL串行口直接控制这一无线传输模块，平时该模块处于休眠状态，当有无线传送请求时，单片机用一个I/O信号将其激活，响应无线传送请求。1.3条码扫描模块的选择方案系统选择的条码扫描器件是SE-923II类激光扫描引擎。该扫描引擎体积小、重量轻、亮度明亮、扫描速度最快。该激光扫描器具有功耗低、扫描速度快、精度高、自动识别等一维条码标致等特点。扫描器使用了单片机的另一个TTL串行口直接与扫描模块通讯，用户通过按键来触发扫描，扫描模块把一维或二维码的信息通过串口发到单片机。扫描模块在扫描不成功时给单片机发送错误的声音提示；在长时间不进行扫描时，扫描模块自动转入休眠状态，以减少功耗。1.4一些辅助器件的选择方案1.4.1电源模块电源模块由两部分组成，1AH的锂电池和电源稳压芯片MAX604。MAX604芯片是一种低压差、低功耗线性稳压器，用来保证系统工作电压的稳定。锂电池随着使用时间的增加，电量将会逐渐降低，不能有效保证系统稳定工作。因此在锂电池后端加一片MAX604，电压始终稳定在3.3V。1.4.2充电模块充电模块是用来在电池的电量不足的情况下，及时的对电池进行充电。锂电池的电量参数为：正常情况下电压是3.6V，电压低于2.5V时，就要对电池进行充电，充电最高电压可以达到4.1V。在系统中要实时检测电池电压，当电池电压过低时，能及时提醒用户充电，以防止电池电压过低继续使用时，损坏电池。LED显示模块液晶显示屏是用来显示系统所需要的各种参数信息的，它不仅可以让用户很明了的看到该系统的运行状态，而且还便于用户根据自己的需要对系统进行必要的操作。 因此选取一块既符合单片机的运行需要又能方便用户操作的显示屏尤为重要。扫描器显示液晶屏采用KS0741芯片，该芯片本身自带驱动模块，驱动模块与CPU的接口有串行或并行两种控制方式，本扫描器采用并行控制方式。该液晶屏功耗较低，工作电流仅为毫安级。它可以显示文字与图片，该液晶屏最多可以显示8*16个汉字。能为用户显示各种信息。1.4.4系统工作框图条码扫描器通常也被称为：条码扫描枪或条码阅读器，是用于读取条码所包含信息的阅读设备，条码扫描器的基本工作原理为：由光源发出的光线经过光学系统照射到条码符号上面，被反射回来的光经过光学系统成像在光电转换器上，使之产生电信号，信号经过电路放大后产生一模拟电压，它与照射到条码符号上被反射回来的光成正比，再经过滤波、整形，形成与模拟信号对应的方波信号，经译码器解释为计算机可以直接接受的数字信号。下面为本系统的大体程序框图：

> RS232PC机报警提示系统主控制单元(SOC单片机)条码扫描系统无线数据传输模块> RS232PC机报警提示系统主控制单元(SOC单片机)条码扫描系统无线数据传输模块(11).•无线数据传输模块(1)健盘系统供电系统显示系统图1.1系统结构框图第2章C8051F022单片机2.1CIP-51内核C8051F022器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚。下面列出了一些主要特性：1、 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；64K字节可在系统编程的FLASH存储器；4352（4096+256）字节的片内RAM;可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口；硬件实现的 SPI、SMBus/l2C和两个UART串行接口；5个通用的16位定时器；具有5个捕捉比较模块的可编程计数器/定时器阵列；片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。2、 具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F022是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLAS存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。3、 每个MCU都可在工业温度范围（-45t到+85t）内用2.7V-3.6V的电压工作。端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F022为100脚TQFP封装。C8051F02x系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8/4个字节宽的I/O端口。CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHZ。而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51共有111条指令。下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系：执行周期数122/333/444/558指令数265051673121表2.1指令周期表地址CIP-5125MIPS25MHz时，端口I/OP0Div64KBFLASHP4Div256B控制总线控制P4接口地址总线数据总线P5接口P6接口交叉开关P1DivP2DivUARTOUART1SMBus模拟电源数字电源复位电路时钟电路模/数转换器等RAM端口I/OP0Div64KBFLASHP4Div256B控制总线控制P4接口地址总线数据总线P5接口P6接口交叉开关P1DivP2DivUARTOUART1SMBus模拟电源数字电源复位电路时钟电路模/数转换器等RAMSPI总线定时器锁存器交叉开关配置寄存器数据P7接口图2.18051F022框图C8051F02X系列MCU对CIP-51内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能,更易于在最终应用中使用扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源（标准8051只有7个中断源）。允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。MCU可有多达7个复位源：一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。/RST引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件来禁止。在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以被永久性使能。MCU内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达16MHz）的内部振荡器。2.2片内存储器CIP-51有标准的8051程序和数据地址配置。它包括256字节的数据RAM，其中高128字节为双映射。用间接寻址访问通用RAM的高128字节，用直接寻址访问128字节的SFR地址空间。数据RAM的低128字节可用直接或间接寻址方式访问。前32个字节为4个通用寄存器区，接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。C8051F022中的CIP-51还另有位于外部数据存储器地址空间的4K字节的RAM块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口，这个片内的 4K字节RAM块可以在整个64K外部数据存储器地址空间中被寻址。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合（4K以下的地址指向片内，4K以上的地址指向EMIF）°EMIF可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。MCU的程序存储器包含64K字节的FLASH。该存储器以512字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的外部编程电压。从0xFE00到0xFFFF的512字节被保留，由工厂使用。还有一个位于地址0x10000-0x1007F的128字节的扇区，该扇区可作为一个小的软件常数表使用。JTAG调试和边界扫描C8051F022系列具有片内JTAG边界扫描和调试电路，通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在线系统调试。该JTAG接口完全符合IEEE1149.1规范，为生产和测试提供完全的边界扫描功能。SiliconLabs的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设（ADC和SMBus除外）都停止运行，以保持与指令执行同步。开发套件C8051F022DK不仅具有开发应用代码所需要的全部硬件和软件， 而且还可以对C8051F022MCU进行在线系统调试。开发套件中包括开发者工作室软件和调试器、一个集成的8051汇编器和一个RS-232转换到JTAG的串行适配器。套件中还有一个目标应用板，上面有对应的MCU和一大块样机区域。套件中还包括RS-232和JTAG电缆及一个墙装电源。开发套件需要一个运行的计算机系统并有一个可用 RS-232串口的计算机。对于开发和调试嵌入式应用来说，该系统的调试功能比采用标准MCU仿真器要优越得多。标准的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有MCU的插座。SiliconLabs的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。2.4可编程数字I/O和交叉开关该系列MCU具有标准8051的端口，在F022中有4个附加的端口因此共有64个通用端口I/O。这些端口I/O的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口I/O引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准 8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。可能最独特的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚，与具有标准复用数字I/O的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口 I/O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。2.5可编程计数器阵列除了5个16位的通用计数器/定时器之外，C8051F022系列MCU还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（PCA），PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和5个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟 /12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入（ECI）、系统时钟和外部振荡源频率八分频。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器°PCA捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连接到MCU的端口I/O引脚。2.6串行端口C8051F022MCU内部有两个增强型全双工UART、SPI总线和SMBus/l2C。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断，因此需要很少的CPU干预。这些串行总线不共享定时器、中断或端口I/O等资源，所以可以使用任何一个或全部同时使用。2.712位模/数转换器C8051F022有一个片内12位SARADC（ADC0），一个9通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。该ADC工作在100ksps的最大采样速率时可提供真正的12位精度，INL为土1LSB。ADC0的电压基准可以在DAC0输出和一个外部VREF引脚之间选择。对于C8051F022器件，ADC0有其专用的VREF0输入引脚；片内15ppm/c的电压基准可通过VREF输出引脚为其它系统部件或片内ADC产生基准电压。ADC完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制。有一个输入通道被连到内部温度传感器，其它8个通道接外部输入。8个外部输入通道的每一对都可被配置为两个单端输入或一个差分输入。系统控制器可以将ADC置于关断状态以节省功耗。可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置，从0.5到16以2的整数次幕递增。当不同入。。输入通道之间输入的电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时（在差分方式， DAC可用于提供直流偏移）这个放大环节是非常有用的。A/D转换有4种启动方式：软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出和外部信号输入。这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器溢出信号触发转换。转换结束由一个状态位指示，或者产生中断（如果中断被使能）。在转换完成后，10或12位转换结果数据字被锁存到两个特殊功能寄存器中。这些数据字可以用软件控制为左对齐或右对齐。窗口比较寄存器可被配置为当ADC数据位于一个规定的范围之内或之外时向控制器申请中断。ADC可以用后台方式监视一个关键电压，当转换数据位于规定的窗口之内时才向控制器申请中断。2.8比较器和DACC8051F022系列MCU内部有两个12位DAC和两个比较器。MCU与每个比较器和DAC之间的数据和控制接口通过特殊功能寄存器实现。MCU可以将任何一个DAC或比较器置于低功耗关断方式。比较器的回差电压可以用软件编程实现。每个比较器都可以在上升沿、下降沿产生中断或在两个边沿都产生中断。这些中断能将MCU从休眠方式中唤醒。比较器的输出状态可以用软件查询，也可通过设置交叉开关将比较器的输出接到端口I/O引脚。DAC为电压输出方式，有灵活的输出更新机制。这一机制允许用软件写和定时器2、定时器3及定时器4的溢出信号更新DAC输出。C8051F022的DAC之电压基准由专用的VREFD输入引脚提供。第3章无线传输的应用3.1STR-11微功率无线数据传输模块特点1、 微功率发射，最大发射功率10mW。2、 ISM频段，无需申请频点。载频频率433MHz，也可提供868/915MHZ载频。3、 高抗干扰能力和低误码率。基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为102时，可得到实际误码率105~106。4、 传输距离远。在视距情况下，天线高度＞2米，可靠传输距离可达500m（BER1031200bps）。5、 透明的数据传输。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据（所收即所发）。6、 多信道。STR-11标准配置提供8个信道，如果需要，可扩展到16~32个信道。满足多种通信组合方式。7、 双串口，3种接口方式。STR-11提供2个串口3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口。COM2自定义为标准的RS-232/RS-485口（只要拔插1位短路器再上电即可定义）。&大的数据缓冲区。接口波特率为1200/2400/4800/9600/19200/38400bps格式为8N1/8E1用户自定义，可传输无限长的数据帧，用户编程更灵活。9、 智能数据控制，无需编制多余的程序。即使是半双工通信，无需编制多余的程序，只要从接口收 /发数据即可，其它如空中收/发转换，控制等操作，STR-11自动完成。10、 低功耗及休眠功能。+5V供电情况下，接收电流＜30mA，发射电流＜40mA，休眠电流V5uA。+3.3V供电情况下，接收电流＜22mA，发射电流＜33mA，休眠电流＜5uA11、 高可靠性，体积小、重量轻。采用单片射频集成电路及单片MCU，外围电路少，可靠性高，故障率低。3.2STR-11系列微功率无线数据传输模块的使用方法antennasignalandMCU3.2STR-11系列微功率无线数据传输模块的使用方法antennasignalandMCUSTR-11系列微功率无线数据传输模块提供标准RS-232，RS-485和UART/TTL电平3种接口方式，可直接与计算机、用户的RS-485设备、单片机或其它UART器件连接使用，STR-11原理图如下图：图图3.1controlconnecter原理图3.2.1电源STR-11使用直流电源，电压+3.3~5.0V,根据用户的需要。可以与其它设备共用电源，但要选择纹波系数好的电源，如果有条件话，可采用5V稳压片单独供电。建议最好不要使用开关电源，如果必须使用开关电源，要注意开关脉冲对无线模块的干扰。另外，系统设备中若有其他设备，则需可靠接地。若没有条件可靠接入大地，则可自成一地。3.2.2STR-11连接端子的定义STR-11提供1个9针的连接器（JP1），其定义及与终端的连接方法见下表：

表3.1连接端子定义及连接方法管脚定义说明电平连接到终端备注1GND电源地电源地2Vcc电源DC+3.35.0V3RxD/TTL串行数据接收端TTLTxD4TxD/TTL串行数据发送端TTLRxD5SGND信号地6A(TxD)RS-485的ARS-232的TxDA(RxD)7B(RxD)RS-485的BRS-232的RxDB(TxD)8SLEEP休眠控制（输入）TTL休眠信号高电平休眠9RESET复位信号（输入）TTL负脉冲复位O~|oOW TxDCOMISGND5A(RxD)6 <57 .COM2SLEEP8RESET9STR-11的连接示意图—iTtD/nxARxDHTL—SGNDAA(RkD)AB<TxD)—SUEEPSigiul—KESETSignalREMOTEUNET图3.2STR-11连接示意图3.2.4信道、接口、数据格式设定在使用STR-11之前，需要根据自己的需要进行简单配置，以确定信道、接口方式和数据格式。STR-11的右上角有一组5位的短路跳线组（JP2）,分别定义为ABCDE，假设跳线开路（不插短路器）为状态1，跳线短路（插入短路器）为状态0,则配置方法如下：1、信道配置：JP2的ABC三位跳线提供8种选择，用户可以通过ABC3位跳线选择使用0~7号信道，在1个通信小网中，只要ABC的跳线方式相同，就可相互通信。2、 接口方式选择：STR-11提供2个串口，COM1（JP1的Pin3、Pin4）固定为TTL电平的UART串行口；COM2（JP1的Pin6、Pin7）可通过JP2的D位来选择接口方式：D=1 （不插短路器） COM2=RS-485D=0 （插入短路器） COM2=RS-232STR-11提供的两个串口，在使用时需注意如下事项：（1）对于空中接收的数据，STR-11通过串口转送给终端设备时，COM1和COM2同时输出，即用户如果在COM1和COM2各连接了1个设备，它们都可同时收到数据。（2）对于由终端设备送来，准备向空中发射的数据，STR-11只能接收COM1或COM2其中1个串口送来的数据，不能同时接收2个串口送来的数据。建议：用户只连接使用COM1或COM2中的1个串口。3、 校验方式选择：STR-11可支持串行通信UART的无校验和偶校验2种校验方式，即8N1/8E1。可通过JP2的E位来选择校验方式：E=1（不插短路器） 校验：8E1（偶校验）E=0（插入短路器） 校验：8N1（无校验）注意：STR-11的通信速率不能由用户自行设置，用户定货时选定，出厂时已设置。3.2.5休眠功能说明为进一步降低能耗，STR-11支持休眠功能，进入休眠后，电流消耗＜5uA。1、 休眠功能的使用JP1第8脚SLP（SLEEP）是休眠控制信号，该信号保持高电平时，STR-11保持休眠状态，由空闲转换为休眠可在上升沿后 10us内完成。如果休眠信号到来时， STR-11正在接收空中数据或正在接收串口数据发射到空中，则当接收完该组数据后， STR-11才进入休眠状态。在SLEEP保持低电平则STR-11持续工作，由休眠转换为工作状态，至少需要下降沿后约20ms的时间，以保证CPU的时钟重新稳定工作。如果STR-11具有休眠功能而不使用时，SLEEP应可靠接0或地。另外，电阻R16是跨接在SLEEP与地之间的电阻，如果在R16处焊接一个1M?的电阻，贝U不使用休眠功能时，SLEEP可不接地。2、 使用休眠功能时的注意事项开放了休眠功能的STR-11，在上电不当时（如开关抖动、打火、瞬间掉电又上电），容易错误地进入休眠，所以建议用户在系统上电时，主CPU程序延时至少150ms后，给STR-11强制复位1次。第4章条码扫描的选择与应用条码扫描器有很多种类，这里采用的是SE-923u类激光扫描引擎。激光扫描器是各种扫描器中价格相对较高的，但它所能提供的各项功能指标最高，因此在各个行业中都被广泛采用。激光扫描器的基本工作原理为：手持式激光扫描器通过一个激光二极管发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，反射后的光线穿过阅读窗照射到条码表面，光线经过条或空的反射后返回阅读器， 由一个镜子进行采集、聚焦，通过光电转换器转换成电信号，该信号将通过扫描器或终端上的译码软件进行译码。激光扫描器可以很杰出的用于非接触扫描，通常情况下，在阅读距离超过 30cm时激光阅读器是唯一的选择。激光阅读条码密度范围广，并可以阅读不规则的条码表面或透过玻璃或透明胶纸阅读，因为是非接触阅读，因此不会损坏条码标签。因为有较先进的阅读及解码系统，首读识别成功率高、识别速度相对光笔及 CCD更快，而且对印刷质量不好或模糊的条码识别效果好，码率极低（仅约为三百万分之一）。激光扫描条码识读器由于其独有的大景深区域、高扫描速度、宽扫描范围等突出优点得到了广泛的使用。另外，激光全角度扫描识读器由于能够高速扫描识读任意方向通过的条码符号，被大量使用在各种自动化程度高、物流量大的领域。激光扫描条码识读器由激光源、光学扫描、光学接收、光电转换、信号放大、整形、量化和译码等部分组成，下面将详细讨论这些组成部分。4.1激光源采用MOVPE（金属氧化物气相外延）技术制造的可见光半导体激光器具有低功耗、可直接调制、体积小、重量轻、固体化、可靠性高、效率高等优点。它一出现即迅速替代了原来使用的HeNe激光器。半导体激光器发出的光束为非轴对称的椭圆光束。出射光束于PW结面方向的发散角约等于30，平行于结面方向的发散角约等于10o如采用传统的光束准直技术，光束会聚点两边的椭圆光斑的长、短轴方向将会发生交换。显然这将使扫描器只有小的扫描景深。JayM.Eastman等提出采用光束准直技术，克服了这种交换现象，大大地提高了扫描景深范围。这种椭圆光束只能应用在单线激光扫描器上。 布置光路时，应让光斑的椭圆长轴方向与光线扫描方向垂直。对于单线扫描识读器，这种椭圆光斑由于对印刷噪声的不敏感性，将比下面所说的圆形光斑特性更好。对于全角度条码扫描识读器，由于光束在扫描识读条码时，有时以较大倾斜角扫过条码。因此，光束光斑不宜做成椭圆形。通常都将它整形成圆形。目前常用的整形方案是在准直透镜前加一小圆孔光阑。此种光束特性可用小孔的菲涅耳衍射特性来很好地近似。 采用这种方案，对于标准尺寸UPC条码，景深能做到大约250mm到300mm。这对于一般商业POS系统已经足够了。但对如机场行李输送线等要求大景深的场合，就显得不够了。目前常用的方案是增大条码符号的尺寸或使组成扫描图案的不同扫描光线会聚于不同区域形成“多焦面”。但是更有吸引力的方案是采用特殊的光学准直元件，使通过它的光场具有特殊的分布从而具有极小的光束发散角，得到较大的景深。4.2光学扫描系统从激光源发出的激光束还需通过扫描系统形成扫描线或扫描图案。全角度条码扫描识读器一般采用旋转棱镜扫描和全息扫描两种方案。全息扫描系统具有结构紧凑、可靠性高和造价低廉等显著优点。自从IBM公司在3687型扫描器上首先应用以来得到了广泛的应用，且不断推陈出新。可以预料，它所占的市场份额将会越来越大。旋转棱镜扫描技术历史较悠久，技术上较成熟。它利用旋转棱镜来扫描光束，用一组折叠平面反射镜来改变光路实现多方向的扫描光线。目前使用较多的 MS700等扫描器产品还使旋转棱镜不同面的楔角不同而形成一个扫描方向上有几条扫描线。 由多向多线的扫描光线组成一个高密度的扫描图案。这种方法可能带来的另一个好处是可使激光辐射危害减轻。全角度扫描这个概念最早是为了提高超级市场的流通速度而提出的， 并设计了与之相应的UPC条码。对于UPC码两个扫描方向的“X”扫描图案就已能实现全角度扫描。随着扫描技术的发展，条码应用领域的拓宽以及提高自动化程度的迫切需要， 现在正在把全角度扫描这个概念推广到别的码制，如39码、交插25码等。这些码制的条码高宽比较小，为了实现全角度扫描将需要多得多的扫描方向数。为此除旋转棱镜外还将需要增加另一个运动元件，例如旋转图4中的折叠平面镜组等。手持单线扫描器由于扫描速度低、扫描角度较小等原因，能用来实现光束扫描的方案就很多。除采用旋转棱镜、摆镜外，还能通过运动光学系统中的很多部件来达到光束扫描。如通过运动半导体激光器、运动准直透镜等来实现光束扫描。而产生这些运动的动力元件除直流电机外，还可以是压电陶瓷和电磁线圈等。这些动力元件具有不易损坏、寿命长和使用方便等优点，估计亦将会得到一定的应用。4.3光接收系统扫描光束射到条码符号上后被散射，由接收系统接收足够多的散射光。在激光全角度扫描识读器中，普遍采用回向接收系统。在这种结构中，接收光束的主光轴就是出射光线轴。这样，散射光斑始终位于接收系统的轴上。这种结构的瞬时视场极小，可以极大地提高信噪比，还能提高对条码符号镜面反射的抑制能力，并且对接收透镜的要求亦很低。另外卜，它还能使接收器的敏感面较小。高速光电接收器敏感面积一般都不大,而且小敏感面积的接收器成本亦较低，所以这一点也是很重要的。它的缺点是当扫描光束位于扫描系统各元件边缘时要产生渐晕现象。除了从结构上采取措施尽量减小渐晕外，还应舍弃特性太差的扫描角度。全角度扫描识读器中还普遍采用光学自动增益控制系统，使接收到的信号光强度不随条码符号的距离远近而改变。这可以缩小信号的动态范围，有利于后续处理。手持枪式扫描识读器具有扫描速度较慢、信号频率较低等特点。而低响应频率的接收器如硅光电池具有较大的敏感面积，并且这低频系统也容易达到较高的信噪比。因此，除可采用上述回向接收方案外还可以采取别的方案。例如可利用半导体激光器的易调制性，将出射激光束以某一较高频率调制。而后，在电信号处理时再采用同步接收放大技术取出条码信号。只要调制频率远大于条码信号频率，它所带来的条码宽度误差将可忽略不计。同步接收技术具有极高的抑制噪声能力，因此就不一定采用回向接收结构。这样就会给光学接收系统的安排上带来相当的灵活性。利用这种灵活性就能使识读器某些方面的性能得以提高。例如在回向接收方案中，运动元件亦是接收系统的组成部分，要求它具有一定的孔径大小以保证接收到足够多的信号光。但是，如果运动元件仅仅起扫描出射光束的作用，就可以做得很小。显然小的运动元件无论对于选择动力元件还是提高寿命、 可靠性都是极为有利的。4.4光电转换、信号放大及整形接收到的光信号需要经光电转换器转换成电信号。全角度扫描识读器中的条码信号频率为几兆赫到几十兆赫。这么高的信号频率要求光电转换器使用具有高频率响应能力的雪崩光电二极管（APO）或PIN光电二极管。全角度扫描识读器一般都是长时间连续使用，为了使用者安全，要求激光源出射能量较小。因此最后接收到的能量极弱。为了得到较高的信噪比（这由误码率决定），通常都采用低噪声的分立元件组成前置放大电路来低噪声地放大信号。手持枪式扫描识读器的信号频率为几十千赫到几百千赫。一般采用硅光电池、光电二极管和光电三极管作为光电转换器件。手持枪式扫描识读器出射光能量相对较强，信号频率较低，另外，如前所说还可采用同步放大技术等。因此， 它对电子元器件特性要求就不是很高。而且由于信号频率较低，就可以较方便地实现自动增益控制电路。由于条码印刷时的边缘模糊性，更主要是因为扫描光斑的有限大小和电子线路的低通特性，将使得到的信号边缘模糊，通常称为“模拟电信号”。这种信号还须经整形电路尽可能准确地将边缘恢复出来，变成通常所说的“数字信号”。同样，手持枪式扫描器由于信号频率低，在选择整形方案上将有更多的余地。从上面所说的情况中，我们可以看到高信号频率带来了技术上的很大困难和成本上的提高。对于具有一定识读能力的全角度扫描识读器，它的数据率（4-1（4-1）H*cosW*sin为条码符式中，"为扫描方向数；H为条码符号的高度；W为条码符号的宽度；为条码符号相对扫描图案处于最不利于扫描识读时的角度值，对于各扫描线均匀分布的情况（如n=2时， 为45°）2n由这个式子我们可估算对于UPC码，如果采用扫描左半部和右半部并进行拼接的方案，n为3时数据率最低，对于完全贯穿整个条码才识读的方案，n为5时数据率将最低。在设计扫描系统时需对此予以考虑。另外，也可以采用低速的扫描模块组合成一个阵列来达到全角度高速扫描条码的性能。显然，这种方案较宜应用于流水线场合中。4.5译码整形后的电信号经过量化后，由译码单元译出其中所含信息。全角度扫描识读器由于数据率高，且得到的绝大多数为非条码信号和不完整条码信号， 译码器需要有自动识别有效条码信号的能力。因此它对译码单元的要求高得多，要求译码单元具有极高的数据处理能力和极大的数据吞吐量。目前普遍采用软、硬件紧密结合的方法。对于UPC、EAN码，译码器还要有左、右码段自动拼接功能。不过这种拼接可能将来自两个不同条码的左半部和有半部拼接起