王良濤，楊斌，石飛飛，李錦濤

聯(lián)合汽車電子有限公司 陜西西安 710117

條形碼技術(shù)是一種較為新式的自動識別技術(shù)，自20世紀被發(fā)明沿用至今，由于其有很強的優(yōu)勢，在世界各國各行各業(yè)都得到大力推廣，同時也開發(fā)出了多種碼制的條形碼，目前世界上存在的條形碼近百種。由于碼制的種類繁雜，打印和識別過程就變得非常復(fù)雜。

目前全世界現(xiàn)存的條形碼按碼制分類，大約有一百多種，常用的條形碼類型十多種，在世界一些發(fā)達國家和地區(qū)使用，例如EAN-13碼、UPC-A碼、Code-128碼、Code-39碼、ITF-14碼及其衍生碼等。而不常用的條形碼可能只是在某些國家和地區(qū)，或者在某一個行業(yè)使用。

條形碼的印刷是一項專業(yè)性很強的綜合技術(shù)，尤其是工業(yè)化大批量的印制，由于其存在變化因子較多，很長時間的維度里，要得到質(zhì)量穩(wěn)定的條形碼比較困難。同時條形碼的問世就是解放人的雙眼，需要通過設(shè)備來自動識別。因此條形碼的印刷，除了滿足普通印刷的要求外，還必須滿足設(shè)備自動識別的其他要求以及特殊的光學(xué)特性指標(biāo)[1]。

為了實現(xiàn)讀碼設(shè)備準確快速的識別條形碼，考慮到汽車制造實際過程存在各種不確定因素和使用工況，滿足在任何環(huán)境下，讀碼設(shè)備都能夠讀取條形碼的信息，還需要繼續(xù)完成一些理論結(jié)合實際大規(guī)模生產(chǎn)的研究。

背景

公司產(chǎn)品在主機廠總裝上線前，客戶會使用讀碼設(shè)備識別并記錄零部件的型號及生產(chǎn)日期等信息，如何實現(xiàn)客戶快速識別的需求，條形碼技術(shù)就是較好的選擇之一，因此很多產(chǎn)品表面都增加了條形碼。

為了保證產(chǎn)品的條形碼在客戶端能正確識別，UAES公司內(nèi)部對于條形碼的產(chǎn)品，使用讀碼設(shè)備100%自動讀碼并存儲后，然后下線流到客戶端，但每年仍然會發(fā)生個別客戶因讀碼困難而產(chǎn)生投訴。由于目前國內(nèi)也沒有專門的條形碼評價機構(gòu)和設(shè)備，經(jīng)查閱國際條形碼標(biāo)準協(xié)會定義了關(guān)于條形碼的評價標(biāo)準，但是其實施可操作性比較差。為了提高客戶滿意度，本文結(jié)合實際當(dāng)前實際情況，對條形碼的生成，印刷和識別進行了一些研究，以便于針對性的提高條形碼的印刷質(zhì)量和讀碼效率。

Code-128條形碼的編碼規(guī)則

1.Code128碼的細分種類

Code128碼因能表達128個字符而得名，包含數(shù)字、字母和符號?？煞譃?種字符集，分別是Code A、Code B和Code C，在不同的應(yīng)用條件下選擇不同的字符集，同一個碼也可以互相調(diào)用兩種或兩種以上的字符集。Code 128碼在應(yīng)用的過程也出現(xiàn)一些衍生碼如EAN/UCC-128碼，這種碼是經(jīng)過128碼轉(zhuǎn)加上特殊字符FNC1形成的兩種細分碼制，但都遵循128碼的基本準則，主要被用于標(biāo)識物流單元，同一張條形碼含一個或多個應(yīng)用標(biāo)識符AI，中國、歐洲以及北美應(yīng)用比較廣泛。

2.Code-128碼的結(jié)構(gòu)

Code-128碼部分構(gòu)成如圖1所示，條形碼結(jié)構(gòu)從左到右依次為：左側(cè)空白區(qū)A，起始字符B，表示數(shù)據(jù)和特殊符號的字符C，符號校驗字符D，終止字符E，右側(cè)空白區(qū)F。除了左右側(cè)空白區(qū)外，其他所有組成條形碼的部分都要表達相應(yīng)含義，叫做符號字符。

圖1 條形碼結(jié)構(gòu)

在Code-128碼制中一共由128個符號字符，可以分為以下幾類字符：3個起始字符，3個數(shù)據(jù)集選擇字符，1個切換字符，1個符號校驗字符，4個非數(shù)據(jù)功能字符，1個終止字符，剩余的是可轉(zhuǎn)譯的字符。

（1）起始字符和終止字符 Code-128碼有特殊的字符表示條形碼信息的開始和終止，起始字符是指該條形碼按照一種特定的編碼和解碼規(guī)則開始標(biāo)識一段字符，字符分別是SartA、SartB和StartC。終止字符標(biāo)識編碼和解碼的終止，字符是Stop。在解碼過程這三個字符指參加譯碼，不傳送，即不轉(zhuǎn)化成人們可以讀取的符號信息。

（2）數(shù)據(jù)集選擇字符 同一個條形碼中根據(jù)需要，從一種字符集切換成另外一種字符集，切換字符一共有三種，分別是Code A、Code B和Code C，對應(yīng)三個不同的切換符。切換字符后的所有字符都沿用此字符的字符集解碼，直到遇到新的切換字符或者轉(zhuǎn)換字符。

（3）切換字符 轉(zhuǎn)換字符是將該字符后面的第一個字符轉(zhuǎn)換成另外一種字符集，然后從第二個字符后，恢復(fù)到原來的字符集，轉(zhuǎn)換字符是SHIFT，轉(zhuǎn)換字符不能轉(zhuǎn)換本身或切換字符，且只能由字符集A轉(zhuǎn)為B，或由字符集B轉(zhuǎn)為A，字符集C不參與轉(zhuǎn)換。

（4）符號校驗字符 為了確保編碼結(jié)果的正確性，在結(jié)束字符前，code-128碼會生成一個校驗字符，來校驗前面所有字符的正確性，此字符就是校驗字符。

（5）功能字符 Code-128碼種一共有4個功能字符，分別是FNC1、FNC2、FNC3及FNC4，其作用各不相同。

1）FNC1用于生成新的碼制，用于特殊的考慮，生成EAN/UCC-128碼。

2）FNC2為信息添加字符，其作用是讀碼器讀碼時，臨時存儲包含F(xiàn)NC2本身以及工人識別的字符或字符串，并將該字符串作為下一個符號的數(shù)據(jù)前綴來傳輸[2]。

3）FNC3為初始化字符，指示讀碼器將包含F(xiàn)NC3本身的字符初始化或者重新編程，符號里的字符讀碼器傳送。

4）FNC4用于表示ASCII值在128～255的字符集，在該字符后的第一個數(shù)據(jù)字符的ASCII值要加上128。

3.Code-128碼的編碼結(jié)構(gòu)

（1）起始字符 每個字符由相應(yīng)的不同組合的空和條組成的字符段來表示，每個字符段由固定數(shù)量的模塊組成，如圖2所示（B表示條，S表示空，字母前面的數(shù)字表示對應(yīng)模塊的數(shù)量），起始字符Start C就是由11個模塊組成的字符段構(gòu)成，每個模塊就是條或空則最小組成單元，除終止字符是由13個模塊組成外，其他所有字符均是由11個模塊組成，每個字符段需要由偶數(shù)個條模塊，基數(shù)個空模塊構(gòu)成。

如起始字符標(biāo)識如圖2所示，中間編碼字符的構(gòu)成與起始字符類似，只是起始字符識別后不轉(zhuǎn)譯，即解碼后不在解碼信息中顯示供人識讀。

圖2 條形碼起始字符模塊結(jié)構(gòu)

（2）終止字符 在字段結(jié)束時會生成結(jié)束標(biāo)識符，該字符由13個模塊構(gòu)成，所有Code-128碼結(jié)束字符唯一。當(dāng)讀碼設(shè)備遇見這個字符，則停止讀碼，將之前讀到的信息開始譯碼，終止標(biāo)識符結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 條形碼終止字符模塊結(jié)構(gòu)

（3）校驗碼 校驗碼是一種特殊的碼，也是一種字符串。不像前面所述的普通字符，有特定的條形碼結(jié)構(gòu)與之對應(yīng)，特定的字符值在特定的字符集下，條形碼結(jié)構(gòu)唯一。校驗碼需要根據(jù)字符集類型和每個字符值，按照每個字符值的位置信息計算得到，其計算見表1。再從字符集中查47字符值，對應(yīng)的字符值即為校驗字符，該字符值對應(yīng)的條形碼字段即為校驗字符段。但是條形碼有個規(guī)則，要求形成的條形碼的符號字符最短，一般選擇Code-C作為校驗字符的字符集，因此在校驗字符前需要將字符集轉(zhuǎn)為Code-C字符集。

表1 校驗碼字符集計算

條形碼識別原理

1.條形碼的檢測范圍

條形碼檢測并不是整面都要檢測，而是檢測底部10%～90%高度的區(qū)域，每隔10%掃描一道，即一個條形碼掃描10道，如圖4所示。

圖4 條形碼掃描范圍

這10次掃描為等距掃描，掃描結(jié)果存儲在設(shè)備中并進行一定的糾錯，例如某個條中部出現(xiàn)斷帶或者原本空的位置出現(xiàn)異常點，如果掃描的位置恰好經(jīng)過這個斷帶或者異常點，則掃描后讀出來的結(jié)果會出現(xiàn)校驗錯誤，這一道掃描會讀碼失敗，此時，這一道讀碼信息會被讀碼設(shè)備自動剔除掉，不會影響最終的譯碼結(jié)果，在條形碼識別中稱之為拒讀。

2.條形碼讀碼基本原理

條形碼讀碼一般是使用掃碼槍或這讀碼頭等設(shè)備，掃描使用的波長為（660±10）nm光波，設(shè)備發(fā)出的光波在遇到條形碼后會因為條形碼的條與空的反射率不同，接收到不同的反射信號，設(shè)備的接收信號以上升沿和下降沿的形式記錄反射信號，得到相應(yīng)的反射率曲線如圖5所示。設(shè)備接收的反射信號為弱電信號，一般在10mV左右，屬于極其微弱的信號，很難直接使用，需要經(jīng)過特定的放大電路，將信號放大整形，轉(zhuǎn)化成可以控制電路的模擬信號。

圖5 反射率曲線特征

為了讓設(shè)備準確識別條形碼中條和空的位置和長度，必須保證條和空的構(gòu)成單元寬度一致，還要保證條和空的反射率有足夠的差異，這樣設(shè)備接收的信號才能顯著的區(qū)分開來不至于導(dǎo)致條形碼拒讀，因此對條形碼打印設(shè)備和條形碼紙的選擇尤為重要。打印機的分辨率對條形碼的條和空寬度的精確度影響很大，打印機的分辨率越高，則在單位面積內(nèi)打印的點越小、點數(shù)越多，故打印條形碼的邊緣更整齊準確，一般200psi、300psi和600psi打印機比較常見。

條形碼紙的背景色選擇也有講究，必須與條形碼條的顏色的反射率有非常大的差異，條形碼的讀碼才能分辨出條和空的差異，條形碼打印紙的顏色和條色匹配選擇可參考表2進行選擇。

表2 條形碼紙背景色與條色匹配選擇表

為了使設(shè)備準確區(qū)分條和空單元，設(shè)備掃描條形碼需要確認條和空的區(qū)分標(biāo)準，這個標(biāo)準值稱之為閾值。一般采用整體閾值法，通過整體閾值GT（general threshold），將條和空單元區(qū)分開來。整體閾值等于條形碼最大反射率Rmax與最低反射率Rmin之和的一半，即GT=（Rmax+Rmin）/2。反射率≥GT的設(shè)備都判斷為空，反射率＜GT的設(shè)備都判斷為條單元。為了確保讀碼設(shè)備能準確識別條與空，對條形碼的條與空的最大反射率就有了要求，這個參數(shù)就是符號反差SC（symbol contrast）。反射率曲線上，相鄰單元的空反射率Rs和條反射率Rb的中間值即為條和空單元的邊緣位置。因此條形碼對相鄰條與空的反射率差值也是有要求的，這個值叫做邊緣反差EC（edge contrast），條形碼評級系統(tǒng)認為EC≥15%為OK，EC＜15%則NOK。

設(shè)備在讀取條形碼時為了區(qū)分條和空，首先將條形碼進行二值化，將條形碼信息的圖像的R、G、B值中一個值設(shè)置為255，另外兩個參數(shù)設(shè)置為0，即圖片會變成兩種顏色，RGB三種基色任何一種基色值被設(shè)為255時，其顏色呈現(xiàn)給人類眼睛的色澤就是單色，而另外兩個基色值為零，就是沒有另外兩種顏色，顯示出來的就是條形碼紙的背景色，如此圖像信息變得更為簡單，設(shè)備的處理時間會更短。

條形碼的圖形可能會因為打印、環(huán)境或者條形碼紙自帶的雜色，呈現(xiàn)出異常點，這些異常點一般以孤點形式存在，稱之為噪聲點。此時需要對條形碼進行降噪處理。否則條形碼識別過程，會因為噪聲點導(dǎo)致拒讀的情況。目前比較常見的降噪方法是步進中值濾波降噪法，其降噪原理是每個條和空的字段的每個模塊逐步漸進的取灰度值的中值，將＜中值的模塊判斷為空，≥中值的模塊判斷為條，依次計算到條形碼的結(jié)束碼，以此實現(xiàn)對噪聲點的消除。其計算公式為：

式中Yi——濾波的中值；

Xi——相鄰模塊的灰度值。

條形碼質(zhì)量影響因素及其評價

條形碼的質(zhì)量是一個系統(tǒng)的工程，包括打印設(shè)備、條形碼本身和讀碼設(shè)備三個部分組成。條形碼質(zhì)量由這三個系統(tǒng)決定，因此要提升條形碼的質(zhì)量也需要系統(tǒng)整體考慮，任何一個子系統(tǒng)的失效或與其他系統(tǒng)不匹配均會導(dǎo)致條形碼質(zhì)量不高，各個子系統(tǒng)應(yīng)該相互匹配方可達到比較好的效果。結(jié)合條形碼的識別原理和條形碼碼制標(biāo)準，針對性的對條形碼識別的要素進行研究，采取針對性對應(yīng)的措施是提高條形碼質(zhì)量的有效途徑。

1.條形碼的印刷尺寸控制

Code 128碼標(biāo)準要求，條形碼開始和結(jié)束位置的空白區(qū)尺寸長度L>10X，其中X為條形碼模塊的寬度，因此在條形碼設(shè)計時需要考慮前后空白區(qū)與條形碼和條形碼紙的尺寸關(guān)系，如圖6所示，在條形碼紙上事先預(yù)留空白區(qū)。

圖6 條形碼設(shè)計預(yù)留空白區(qū)

在打印條形碼時圖形單元寬度的調(diào)整也需要考慮到整體布局的要求。目前UAES使用的工業(yè)打印機主要是斑馬和DataMax，打印機都可以對條形碼的模塊尺寸進行調(diào)整，不同精度的打印機，最小模塊寬度不一樣，精度越高的打印機最小模塊寬度越小，可調(diào)的空間越大。由于打印機的精度是不連續(xù)的，因此條形碼的最小模塊寬度也是不連續(xù)的，最終導(dǎo)致打印出來的條形碼長度也是非連續(xù)的。常見的打印機精度為203dpi、300dpi和600dpi，其打印出來的條形碼長度也不相同，精細度也不相同。打印機中調(diào)整條形碼最小模塊寬度的參數(shù)存在每個標(biāo)簽中，即存在type data中，也因此大大的提高了條形碼的調(diào)整靈活性，如圖7所示。

圖7 最小模塊寬度設(shè)置界面

生產(chǎn)實際中只需要在建立新標(biāo)簽?zāi)０鍟r將最小模塊寬度設(shè)置好，在不變更打印機的條件下，條形碼的打印長度是不會變化的。如果更改了最小模塊寬度打印出來條形碼的長度會非連續(xù)性變化，如圖8所示，300dpi打印機使用最小模塊寬度分別為0.13mm和0.21mm條件下條形碼尺寸的對比。

圖8 不同最小模塊寬度下條形碼尺寸

根據(jù)條形碼讀取的原理，不難想到條形碼的條和空的寬度是影響其信息讀取的關(guān)鍵因素，因此Code 128碼對條形碼的條空寬度公差必須也有規(guī)定，這與打印機的品質(zhì)有著直接的關(guān)系。另一方面，不同精度的打印機打印出來的條形碼，條四周的粗糙度也會影響條和空的讀取，精度越高打印出來的條的周圍的粗糙度越低，則條形碼讀取準確度越高。根據(jù)ISO/IEC 15416：2016國際標(biāo)準的要求條形碼條和空的尺寸公差分別記為?s和?b，需要滿足|?s，?b|＜0.45X－0.0254，其中X為最小模塊寬度。

2.條形碼的印刷污點和漏空

實際條形碼的印制過程中，由于紙張、碳帶、打印參數(shù)和打印機的影響，打印出的條形碼經(jīng)常存在污點、空隙甚至局部大面積信息丟失的情況。信息大面積丟失一般是由于機械機構(gòu)導(dǎo)致卷紙不均，信息未及時轉(zhuǎn)印而丟失，這類條形碼一般無法使用直接報廢。由于打印環(huán)境復(fù)雜性難以避免，經(jīng)常會出現(xiàn)污點和漏空的缺陷，條形碼的讀碼是分10段讀碼，還會自動校驗條形碼的信息，并且隨著讀碼設(shè)備的不斷智能化，能有效對條形碼進行異常點剔除處理。因此在實際生產(chǎn)中允許出現(xiàn)噪聲點，但必須控制這些噪聲點的尺寸大小，否則可能會導(dǎo)致整個條形碼拒讀。與其他碼制的條形碼一樣，Code 128碼也采用了美國的國家標(biāo)準協(xié)會的要求：污點或漏空面積S＜25%π（0.4X）2，其中X為條或空的寬度。

污點常見的原因如下：

1）打印溫度過高可調(diào)整溫度解決，有的打印機是將溫度和濃度集成在一起，可以通過調(diào)整濃度來解決。

2）打印頭故障或異物導(dǎo)致異常位置過熱出現(xiàn)污點。

漏空的常見的原因如下：

1）碳帶羽化，有的碳帶由于質(zhì)量不過關(guān)，或存儲時間太久，出現(xiàn)羽化現(xiàn)象，熱轉(zhuǎn)印時會出現(xiàn)有的位置沒有轉(zhuǎn)印的漏空現(xiàn)象。

2）打印速度過快，碳帶還來不及轉(zhuǎn)印就打印紙就過去了導(dǎo)致漏空。

3）異物粉塵掉在碳帶或者條形碼紙上，條形碼出來后粉塵掉落導(dǎo)致出現(xiàn)漏空。

當(dāng)然條形碼的印刷過程也可能還有其他的缺陷，如褶皺、灼穿、笑紋邊角損失等，這些缺陷是不被允許的，打印時發(fā)現(xiàn)這類的條形碼就必須報廢處理。

3.條形碼的光學(xué)特性

條形碼的出發(fā)點是讓讀碼設(shè)備快速地自動讀取可用信息，以辨別目標(biāo)的身份或者價格等。而條形碼讀碼設(shè)備通過識別條形碼的條與空的反射信息對比計算得到條和空的長度，然后譯碼得到數(shù)字信息。因此條形碼的光學(xué)特性是非常關(guān)鍵的參數(shù)。

（1）反射率和對比度 讀碼設(shè)備在掃描條形碼后，無論掃描到條還是空都必須收到相應(yīng)的反射信號，才能判斷條和空的長短，因此為了保證讀碼設(shè)備能獲得反射信號，對條形碼的反射率必須有一定的要求。一般要求條形碼空的最低反射率>32%。為了保證設(shè)備能區(qū)分空和條的信息，兩者的反射率必須有一定的差異，是個差異就是對比度PCS，一般要求PCS≥0.49。PCS定義如下：

式中RL——空的反射率；

RB——條的反射率。

（2）符號反差 反射率曲線上最大反射率和最小反射率的差值稱為符號反差SC（Symbol Contrast），表征了條形碼解碼的難易程度，SC越大表明條與空的反射率差值越大，一般分為四個等級見表3（缺陷度d=ERNmax/SC）。

表3 條形碼光學(xué)特性等級評價

（3）調(diào)制比MOD 也叫軸向反差，是條形碼掃描反射率曲線上最小邊緣反差與符號反差的比值，反應(yīng)了條形碼中模塊反射率一致性高低。按如下公式計算：

式中R——某單元的反射率；

GT——整體閾值；

SC——符號反差。

掃碼設(shè)備掃描同一顏色模塊反射率曲線的各單元中最高峰與最低谷的差值為反射率非均勻度ERN，最大非均勻度與符號反差的比值即為缺陷度，表征了條形碼同一種顏色模塊反射率的一致性，要求越低越好。

4.條形碼的其他要求

條形碼除了對以上主要質(zhì)量屬性有要求外，還有其他一些要求，如條寬比、空寬比、條高、邊緣變形量及邊緣相似度等。一般保證了條形碼的上述要求，條形碼質(zhì)量就得到了有效保證。

生產(chǎn)實際設(shè)計情況

目前UAES實際打印條形碼的設(shè)備是ZEBRA，每個條形碼建立后碼制以及格式不會變化，該打印參數(shù)也會自動賦值在打印的模板中，不同條形碼模板可以賦值不同的打印參數(shù)。因此項目前期建立模板時就根據(jù)圖紙，設(shè)置一個最優(yōu)的參數(shù)，將該參數(shù)賦值在模板中就可以保證打印質(zhì)量的穩(wěn)定性。

生產(chǎn)使用過程中，員工每班根據(jù)需要直接選中模板打印，一般只要碳帶和打印紙狀態(tài)不變，打印出來的條形碼質(zhì)量比較穩(wěn)定。當(dāng)碳帶或打印紙對的狀態(tài)或打印機機械狀態(tài)發(fā)生了變化，則需要在打印參數(shù)上微調(diào)，一般允許調(diào)整打印濃度，為了保證打印出來的條形碼能被識別，開始打印時對首件條形碼使用掃碼槍識別，如果可以識別，說明這一批的原材料滿足要求。為了確保打印設(shè)備、打印紙、碳帶和打印參數(shù)相匹配，生產(chǎn)中制作了一個左側(cè)最容易粘連，右側(cè)最容易斷帶的條形碼，作為校驗條形碼，如此，最難打印的條形碼都可以正常打印，其他內(nèi)容的碼理論上均可以打印，如圖9所示。

圖9 校驗條形碼

為了確保客戶端100%可以識別，生產(chǎn)線上設(shè)計讀碼頭，讀碼頭100%識別產(chǎn)品的條形碼，并將識別的信息存儲在測試臺里，并將該邏輯與測試臺的測試邏輯綁定，只有正確識別的條形碼信息的產(chǎn)品，設(shè)備才自動進行下一個工序，否則設(shè)備報警無法動作。從防法生和防流出端都做檢測，確保的流到客戶端的產(chǎn)品條形碼都可以100%識別。

結(jié)語

結(jié)合條形碼的編碼規(guī)則、字符結(jié)構(gòu)以及條形碼的生成方式，從條形碼的識別原理入手，介紹了影響條形碼識別的常見因素，根據(jù)生產(chǎn)大批量實際生產(chǎn)效果，總結(jié)出比較有效的條形碼質(zhì)量控制措施。

1）條形碼的尺寸需要滿足相應(yīng)碼制的規(guī)則要求，一般條形碼要求前后空白區(qū)長度>10倍最小模塊長度；條形碼的條和空的分辨率與打印機的精度和最小模塊寬度選擇有關(guān)，精度越高的打印機，單位面積內(nèi)打印的點數(shù)越多，條和空分辨越明顯。

2）條形碼解碼的原理是光的反射原理，對條形碼的光學(xué)特性要求比較多，常見的光學(xué)特性要求：符號反差，最小邊緣反差，調(diào)制比和缺陷度。

3）條形碼打印對條形碼背景色和條的顏色匹配有一定的要求，一般要求背景色和條的顏色基色反射率差異＞50%，文章給出了調(diào)選背景色的建議表。

4）條形碼打印由于該工藝的特殊性，存在漏空和污點，但需要控制其大小，在一定的范圍內(nèi)，設(shè)備可以自動剔除噪聲點，不影響條形碼的解碼。

5）生產(chǎn)中設(shè)備和參數(shù)以及條形碼紙要相匹配，為了確保設(shè)備和參數(shù)與原材料匹配，可以選用最復(fù)雜的碼作為校驗條形碼，打印前進行匹配性驗證。