了解应用程序需求对于选择最佳设备以成功获取数据至关重要。gydF4y2Ba

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15年6月18日，07:21 am |gydF4y2Ba工厂自动化gydF4y2Ba|gydF4y2Ba欧姆龙自动化gydF4y2Ba|gydF4y2Ba集成商gydF4y2Ba，gydF4y2Ba机器视觉gydF4y2Ba

在选择嵌入式数据采集设备之前要知道的五件事gydF4y2Ba

条形码读取或部件检查的成功数据采集取决于数据采集设备(如条形码读取器或机器视觉相机)在应用程序限制内以最高性能运行的能力。在条形码读取或机器视觉检测过程嵌入设备内部的应用中，有限的集成空间对设备的安装方式提出了一系列独特的限制，更不用说对设备本身的尺寸和功能的要求。在安装之前，重要的是选择具有最佳规格的设备，以确保在机器的整个使用寿命期间能够准确和一致地进行检查。本白皮书概述了工程师在选择用于嵌入设备的数据采集设备之前应该了解的五件事，包括:gydF4y2Ba

1. 条码类型及方向gydF4y2Ba
2. 检验要求gydF4y2Ba
3. 应用程序的速度gydF4y2Ba
4. 集成空间gydF4y2Ba
5. 数据通信需求gydF4y2Ba

自动化从数据开始。数据传输到机器的速度越快、越准确，机器执行自动化功能的速度就越快、越准确。在独立机器中，数据采集通常通过集成紧凑型自动化设备(如条形码读取器和机器视觉相机)来实现，为公司提供基于机器的数据收集的孜孜不倦的效率和精度。与人类操作员的错误率大约为每300个数据字符串条目中的1个不同，自动化设备获取数据的错误率低于300万分之一。这种精度水平极大地支持条形码读取和检查任务，从记录产品和组件信息，启用生产中的可追溯性，确保数据准确性，以及与设备通信以触发额外的自动化过程，例如路由，拒绝和批处理。gydF4y2Ba

图1:gydF4y2Ba一个紧凑的条形码成像仪嵌入到PCB标签和印刷机记录产品数据，并确保条形码的存在。gydF4y2Ba

然而，与人工操作员一样，如果设备不能满足应用程序中对速度、准确性和可靠性的要求，那么自动数据采集的真正好处就会丢失。为了给应用提供价值，设备必须适合每个应用。在完全集成的机器的情况下，找到一个“合适的”设备嵌入设备通常是由固定的空间限制和检查距离或方向决定的。此外，执行自动化数据采集的设备的有用性取决于内部自动化设备的灵活性和使用寿命，因此从一开始就应该非常小心地为每个嵌入式应用程序选择合适的设备。gydF4y2Ba

为了保证集成了自动化数据采集系统的设备的长期性能，工程师首先要充分了解设备和应用的要求。在为应用程序选择嵌入式条形码阅读器或机器视觉相机之前，需要了解的五个关键事项是:条形码类型和方向，检查参数，应用速度，集成空间和数据通信需求。gydF4y2Ba

1.条码类型及方向gydF4y2Ba

条码类型gydF4y2Ba

在选择嵌入式条形码阅读器时，了解条形码类型是缩小可能性列表的关键。条形码读取器可以是基于激光的，也可以是基于摄像头的。基于激光的条形码读取器——通常被称为激光扫描仪——在条形码的暗元素和亮元素上发出激光光斑，测量每个元素返回扫描仪时的反射光，并使用扫描仪的光电探测器将波形光信号转换为代码串。基于摄像头的条形码读取器和机器视觉设备——通常被称为成像仪——使用二维阵列(成像仪的内置摄像头)中的一排排CCD或CMOS传感器来生成符号的图像，然后使用图像处理进行解码。gydF4y2Ba

图2:gydF4y2Ba用于线性(1D)和堆叠代码的基于激光的条形码扫描仪。gydF4y2Ba

线性(1D)条形码如UPC或堆叠符号如PDF417可以由激光扫描仪和条形码成像仪解码。二维码、数据矩阵等二维符号只能通过二维成像仪解码。这使得嵌入式条码阅读器的选择明确的应用程序需要二维条码读取。gydF4y2Ba

图3:gydF4y2Ba基于相机的二维符号成像仪。gydF4y2Ba

然而，在为1D条形码选择嵌入式读卡器时，工程师有一定的灵活性。用于读取1D代码的激光扫描仪的优点包括以较低的价格点提供可靠的性能，更快的解码速率(每秒高达1,000次实时解码)，更远距离的读取，更大的景深，以及由于扫描仪硬件更简单而不太复杂的设置。当将条形码读取器或机器视觉相机集成到旨在长期适应应用的机器中时，工程师还应考虑设备的灵活性和可扩展性。基于摄像头的成像仪能够读取所有代码类型。随着应用需求的变化，越来越多的运营商转向更小、更密集的二维代码类型，以便在更小的空间内编码更多的数据。因此，能够读取1D和2D代码的2D条形码成像仪或机器视觉相机可以使操作员在未来需要时灵活地迁移到2D代码类型。成像仪也更适合在代码质量无法预测的应用中读取严重损坏的代码，使用高性能图像处理算法修复符号图像。gydF4y2Ba

条形码方向gydF4y2Ba

空间限制或集成设备的特定设计要求可能要求以特定方向将条形码送入机器。在为应用程序选择这样的设备时，条形码阅读器或机器视觉相机如何与条形码和条形码行进的方向相关联是重要的考虑因素。在选择激光扫描器时，扫描器必须始终定向，使激光扫描线垂直于条形码的条形。此外，运动中的条形码可以是“尖桩栅栏”(代码水平，线条垂直)或“梯子”(代码垂直，线条水平)方向。通常建议采用尖桩栅栏方向，而不是阶梯方向，因为扫描仪在通过扫描宽度区域时有更多的时间扫描整个条形码。gydF4y2Ba

图4:gydF4y2Ba由于码宽小于码长，扫描器在阶梯方向上捕获码的时间比在尖桩栅栏上捕获码的时间要少。gydF4y2Ba

与一维激光扫描仪不同，成像仪可以从多个方向读取条形码，捕获二维图像以获取符号数据。因此，二维条码成像仪或机器视觉相机能够读取任何方向的代码。在无法预测与阅读器相关的代码方向的应用中，成像仪可能是较好的选择。成像仪也有利于嵌入需要在定义的集成空间内特定安装位置或角度的机器，这些机器并不总是允许扫描线垂直于进入机器的条形码。gydF4y2Ba

图5:gydF4y2Ba直角镜允许灵活的设备方向，也减少了设备焦距，节省集成空间。gydF4y2Ba

另外，激光扫描仪可以配备不同的支架来实现最佳定向或协商角落和其他几何挑战。例如，直角支架允许安装嵌入式扫描仪在90度相对于扫描光束。结合直角镜还允许读取器安装在不直接面对条形码的角度上，使用镜子将来自扫描仪的光束对准代码或将条形码图像反射回读取器。gydF4y2Ba

2.检验要求gydF4y2Ba

除了简单的条形码读取之外，需要自动数据采集的应用程序(例如条形码质量验证;代码、标签或部件的存在和方向;产品缺陷检测;颜色检验;和其他目视检查过程一样，需要使用机器视觉相机和软件。机器视觉相机，如二维条码成像仪，是一种数据采集设备，其功能是拍摄要检查的部件或代码的图像。这些图像由相机处理以搜索像素级变化，使用软件将从图像中获取的数据与预期结果进行比较。这种比较会产生符合预期标准的图像(通过检查的部件)和不符合预期标准的图像(检查失败的部件)。gydF4y2Ba

图6:gydF4y2Ba机器视觉相机检查吸塑包装，以确定药丸的存在和颜色。gydF4y2Ba

与条形码成像一样，获取机器视觉检测准确可靠数据的关键是获得完整、高对比度、高分辨率的图像供相机处理。应用需求会极大地影响机器视觉相机获取高质量图像的能力。某些环境可能要求相机具备更强的能力来满足这些标准。在嵌入式应用中，减少设备组件的机械占地面积是很重要的，选择一个完全集成的机器视觉系统(比如一个内置照明、相机、自动对焦和处理器的智能相机)可以让设计工程师确保捕获高质量的图像，而无需计划和安装多余的设备。使用这种类型的紧凑的单设备系统还意味着，在未来应用程序更改的情况下，需要编程和配置的硬件更少。在机器视觉智能相机的情况下，从嵌入相机的机器外部集成后，可以从系统软件进行许多调整。gydF4y2Ba

图7:gydF4y2Ba一个完全集成的，紧凑的机器视觉相机包照明，光学，软件，和更多到一个小的形状因素。gydF4y2Ba

同样，在嵌入用于自动条形码读取或检查的设备时，必须记住嵌入式设备的可伸缩性，以满足应用程序生命周期中可能变化的标准。由于机器视觉相机能够同时进行条形码成像和零件检查，因此在项目范围可能扩展到将条形码读取与其他检查标准(如条形码存在/缺失或放置检查)相结合的情况下，将机器视觉设备集成到条形码读取应用程序中可能是合适的。此外，选择从基础到高级都能灵活满足检测参数的机器视觉相机也很重要。许多智能相机使用的软件平台可以通过相机固件更新来升级，而无需进行物理调整。这使得机器能够满足一系列的检查参数，从简单到激进，如果项目需要在未来改变。选择集成这种类型的更灵活的设备大大提高了机器的效用，以满足长期变化的应用标准。gydF4y2Ba

3.应用程序的速度gydF4y2Ba

在自动化应用程序中，时间是至关重要的，而节省时间是实现自动化机器的主要原因之一。自动化帮助公司用更少的资源做更多的事情，以更低的成本增加运营产出。取决于一台机器的运行速度，以及一台设备为自动化过程获取数据的速度，某些因素可能使一台设备比另一台更适合嵌入式应用程序。gydF4y2Ba

图8:gydF4y2Ba集成到临床样本跟踪和可追溯系统中的激光扫描仪可达到每秒1,000解码。gydF4y2Ba

这部分与激光扫描仪与基于图像的条形码和机器视觉相机之间的差异有关。激光扫描仪解码1D条形码的速度比成像仪更快——如前所述，每秒可实时解码1000次。这是因为当从条形码获得编码数据串时，激光扫描仪解释的元素较少;它只是简单地观察由光的反射引起的波形。另一方面，基于相机的成像仪必须捕获和处理完整的2D图像，包括条形码、部分特征和实际感兴趣区域周围的任何元素，并根据图像中数千个不同的像素元素提取数据。这意味着成像仪可以更精确，但也可能有更长的解码时间，这取决于设备和应用程序。处理技术的最新进步使处理时间更快，为高速应用选择高速成像仪至关重要。gydF4y2Ba

在选择设备以优化嵌入式应用程序中的速度性能时要考虑的第二个因素是数据通信速率。阅读器需要多快的速度将解码的数据或数据密集的图像传递给外部世界?虽然条形码的数据内容最少，并且易于通过较慢的连接(如RS-232)传输，但一些成像和检查应用需要比串行连接更高的带宽。一项常见的数据密集型任务是检查图像的记录，可以将其保存以用于操作的诊断改进、条形码易读性证明或检查证明。具有高速USB或以太网接口的设备可以轻松地通过高速连接传输这些图像以进行存储，而不会影响整体应用程序速度。当使用基于以太网的通信时，工程师应该考虑设备对嵌入式应用程序所需的协议。设备可以通过以太网传输数据，使用以太网TCP/IP、以太网/IP™或PROFINET®连接或通过USB连接模拟以太网。gydF4y2Ba

4.集成空间gydF4y2Ba

交钥匙系统内的集成空间是宝贵的不动产。系统中的每个组件都有自己的位置，但是空间的使用效率越高，整个机器的占用空间就越小。许多嵌入式成像仪在设计时考虑到约束和几何复杂的空间要求。在为应用程序选择嵌入式设备时，了解集成空间以找到具有适当机械外壳和光学外壳的设备以可靠地读取每个条形码或执行检查是非常重要的。gydF4y2Ba

图9:gydF4y2Ba条形码成像仪嵌入在临床分析仪记录由人类操作员提供的样品。gydF4y2Ba

机械的信封gydF4y2Ba

机械外壳是用于容纳与条形码或检查部件相关的成像设备所需的物理空间。机械围护结构考虑了部件的朝向以及其他一些空间要求，包括安装、三维空间分配和电缆布线。关键问题是:成像设备必须占用多少物理空间才能可靠地读取代码或检查部件?gydF4y2Ba

在评估嵌入式设备的安装选项时，首先要花时间注意条形码或部件及其物理基板的特性。例如，如果条形码位于高反射表面，则成像仪可能需要安装有角度的支架，以避免条形码的镜面反射或直接反射，这可能会使相机“失明”。需要考虑的其他因素是照明环境以及一维或二维代码或图像像素的明暗元素之间的对比度水平。适当的照明在任何应用中都起着至关重要的作用，确保均匀的照明，以获得一致的波形信号(用于激光扫描仪)或清晰的图像(用于基于相机的条形码成像仪或机器视觉相机)。许多为嵌入式应用设计的数据采集设备都具有集成光源，例如内置led，从而节省了需要外部照明的空间。gydF4y2Ba

图10:gydF4y2Ba角出口布线允许设备嵌入与集成区域内的平面齐平。gydF4y2Ba

埋设设备时，还应规划电缆的走线。一些设备的通信电缆设计为从外壳的角落(而不是背面或侧面)出口。这些电缆通常被称为角出口电缆，为工程师提供了最多的电缆路由选择。角落定位也节省空间，创造最紧密的配合可能，对机器的内表面冲洗。重要的是要记住，电缆的弯曲半径应该尽可能大，在嵌入式应用的设备中应该避免极端的动态弯曲。gydF4y2Ba

光学信封gydF4y2Ba

虽然数据采集设备在尺寸和规模上必须足够紧凑，以适应集成空间的可用维度，但更重要的是这些设备捕获图像(数据)所需的空间。仅仅因为条形码阅读器或机器视觉相机适合特定的空间，并不能保证它可以读取条形码或正确检查呈现给它的任何尺寸、方向或距离的部件。特定设备解码符号或在指定距离上检查部件所需的总维度空间称为其光学包络线(有时也称为“读取”或“检查”包络线)。gydF4y2Ba

图11:gydF4y2Ba嵌入式设备必须具有机械配合和适当的光学外壳，以可靠地获取空间内的数据。gydF4y2Ba

当读取条形码或近距离检查零件时，挑战在于获得足够大的视野，以跨越整个符号或大到足以捕获感兴趣的对象。设备尺寸、安装角度以及设备到部件的距离都构成了光包膜，并直接影响到特定设备在机器内必须有多少可用空间才能可靠和可重复地执行数据采集任务。由于每个设备的光学元件略有不同，因此设备和部件之间所需的距离将因单位而异。具有较小光学封装的设备的优点是在设备和要检查的符号或部件之间需要更少的物理空间，从而最大限度地减少整体机械足迹。gydF4y2Ba

光包络的尺寸由数据采集设备的长度、读取角度、设备与条码或部件之间的距离计算得出。设备的长度很容易通过测量设备硬件的实际物理尺寸来确定。对于条形码来说，读取角度很重要，因为它直接决定了读取器视野的宽度(读取器可以“看到”的内容)。光包络线还包括设备正面与条形码或部件之间所需的距离。同样，由于每个设备具有不同的光学特性，这个距离也会有所不同。视场和读取距离通常可以在详细说明设备技术规格的文档中找到。gydF4y2Ba

图12:数据采集设备的光学包络元件，包括景深、焦距和视场。gydF4y2Ba

在读取条形码时，考虑到条形码的密度(或最窄元素的宽度)也很重要。通常条码密度越高，读取距离越短。例如，如果条形码阅读器需要在相同距离上同时读取10mil和5mil的条形码，则阅读器将需要有一个光学信封，使阅读器能够在给定读取距离的情况下以足够高的分辨率“看到”5mil的条形码。gydF4y2Ba

图13:gydF4y2Ba设备需要多近才能准确读取这5mil代码和10mil代码?关键是要有合适的光学包络。gydF4y2Ba

一个额外的光学元件是设备的焦距。基于相机的设备可以配备内置的自动对焦技术，确保可靠的检查和解码，无论与部件的距离如何。如果读取或检查距离发生变化，可以使用组态软件从机器外部调整自动对焦成像仪，以确保解码和检查的最佳图像质量。gydF4y2Ba

5.数据通信需求gydF4y2Ba

在选择用于数据采集的嵌入式设备之前，要了解应用程序的最后一件事是:系统如何与设备通信，设备如何将数据通信回系统?通信规范可以决定设备及其附件所占用的物理空间、嵌入式设备必须执行的速度、与系统连接的类型以及用于设置和控制设备的软件。这些特性可以由设备的电气功能和软件接口决定。gydF4y2Ba

电功能gydF4y2Ba

电源要求、连接性、输入/输出和触发方法都包括嵌入数据采集设备的电气考虑因素。许多设备都设计成低功率要求，以减少主机仪器的损耗。通信和连接选项范围从高速USB和以太网到RS-232。gydF4y2Ba

图14:gydF4y2Ba提供多种连接选项的设备，如RS-232和以太网(如上所示)，在嵌入方面提供了额外的灵活性。gydF4y2Ba

虽然功率要求是相当标准的，但触发方法可能差别很大。触发允许操作员告诉设备何时期望一个零件或条形码进入视野，或者对每个物体进行多少次扫描或图像。有两种触发器:离散(外部)触发器和串行触发器。决定使用哪种类型的触发器通常基于偏好:编程还是连接。离散触发器是独立的传感器，通常被称为物体探测器，可以直接连接到条形码阅读器或机器视觉相机上。离散触发器比串行触发器需要更少的编程。串行触发器从外部设备(如PLC或主机PC)发送，它告诉读取器或摄像机寻找条形码或执行检查。串行触发器经常用于嵌入式应用程序，以便从机器外部提供对嵌入式设备的更多控制。gydF4y2Ba

图15:gydF4y2Ba当物体接近数据采集设备的视场时，一个离散触发器检测物体。gydF4y2Ba

需要考虑的其他因素是设备需要如何处理获取的数据。用于嵌入式数据采集的设备通常可以设计为执行基本的外部电气功能，例如与辅助设备通信，驱动触发门或光堆栈的继电器，或对不可读的代码或拒绝的部件发出警报。在确定用于嵌入式操作的设备的电气功能时，必须考虑这些因素。gydF4y2Ba

软件界面gydF4y2Ba

一旦定义了数据采集设备的硬件设置，工程师就应该确定控制设备和实现最佳数据输出所需的软件接口类型。如今，条形码阅读器和机器视觉相机的功能不仅仅是解释图像和输出数据。相反，这些设备的功能就像独立的计算机，有自己的算法和处理器，减少了设备处理数据所需的编程量，并将权力交给操作员从机器外部控制成像仪。嵌入式web服务器等技术允许与数据库或网络上的其他系统无缝连接。智能摄像头也可以通过软件设置，根据检查数据做出决定，例如触发事件或关闭流程。用于数据通信的软件应该能够初始化设备，检查其状态，并在设备、机器和外部世界之间创建实时通信协议。gydF4y2Ba

图16:gydF4y2Ba配置软件允许从机器外部对设备设置进行调整，包括设置焦点，扫描区域，检查标准等。gydF4y2Ba

其他的考虑gydF4y2Ba

设备运行的环境也应该被评估。其他因素，如热、振动、环境照明、电气噪声、灰尘或水都可能影响设备的性能。为了避免检查问题，重要的是要确保设备的外壳符合必要的工业等级，以保护它免受环境条件的影响。这样的条件也会对条形码或零件本身的质量产生影响。例如，温度的变化会导致代码或部件上形成凝结，从而扭曲其外观和解码或检查的能力。基于高性能相机的成像仪更善于读取被极端条件损坏的代码，但也应注意为条形码本身选择正确的打印或标签方法。gydF4y2Ba

图17:gydF4y2Ba嵌入在恶劣的汽车制造环境中的基于摄像头的系统可以读取代码并检查零件上的标签存在、位置和打印精度。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

了解应用程序的需求对于为成功的数据采集选择最佳设备至关重要。通过在设计过程的早期规划应用规范，并将这些规范纳入设计，工程师可以显着提高其机器生命周期内数据采集过程的可靠性和准确性。正确的嵌入式条码读取器或机器视觉相机提供了灵活性，以满足不断扩展的需求，而无需未来的设计调整，大大降低了整个系统的使用寿命的拥有成本。gydF4y2Ba

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