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[導(dǎo)讀]PDF417二維條碼在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用

摘要:介紹PDF417二維條碼的編碼、譯碼及糾錯(cuò)的原理,并分析其在嵌入式設(shè)備上的軟硬件實(shí)現(xiàn)。其中譯碼部分是使用Symbol公司生產(chǎn)的SE923HS型號(hào)的掃描頭,編碼部分是用軟件來實(shí)現(xiàn)的。

    關(guān)鍵詞:PDF417 二維條碼編碼譯碼 嵌入式設(shè)備

引 言

??二維條碼是不依賴計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移信息的一種方法,是信息的另一種表示形式,是信息攜帶、信息自動(dòng)傳遞、信息防偽的理想手段。四一七條碼是應(yīng)用最為成功的一種二維條碼,它的出現(xiàn)是條碼技術(shù)的一次革新。它以其高密度、高信息容量、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于國際貿(mào)易、物流、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域,已經(jīng)取得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于二維條碼的編碼和譯碼算法相對(duì)比較復(fù)雜,大部分應(yīng)用是用臺(tái)式機(jī)打印出條碼,再通過掃描槍進(jìn)行解碼,通過RS232串口輸出數(shù)據(jù);而在嵌入式設(shè)備上,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維條碼數(shù)據(jù)加密并不多見。本文提出一種在嵌入式設(shè)備上利用Symbol公司生產(chǎn)的SE923HS型號(hào)的掃描頭解碼數(shù)據(jù),解碼后的數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)混合重新編碼的解決方案,可以適用于郵政、物流等行業(yè)。

1 二維條碼

    1.1 二維條碼的特性

  PDF417二維條碼具有信息容量大、信息密度高、修正錯(cuò)誤能力強(qiáng)、譯碼可靠性高、保密性強(qiáng)和容易印制等特點(diǎn)。

  四一七條碼的基本特性如圖1所示。一個(gè)PDF417條碼符號(hào),可以將最多1848個(gè)字母字符或2729個(gè)數(shù)字字符或字母、數(shù)字混編字符進(jìn)行編碼。按照ISO標(biāo)準(zhǔn)的證卡格式,當(dāng)PDF417條碼的窄條(模)寬為0.17mm 時(shí),使用PDF417條碼表卡片上所含的信息,條碼符號(hào)(包括周圍的白區(qū))所占面積僅為76mm×25mm。PDF417采用了目前世界上最先進(jìn)的錯(cuò)誤修正技術(shù)。這種隱含子符號(hào)內(nèi)的錯(cuò)誤修正技術(shù),不僅可以有效地防止譯碼錯(cuò)誤,提高譯碼的速度及可靠性,而且可以將由于條碼符號(hào)破損、沾污等丟失的信息破譯出來。錯(cuò)誤修正可分為八個(gè)等級(jí),錯(cuò)誤修正為最高時(shí),可以將符號(hào)受損面積達(dá)50%的條碼符號(hào)所含信息復(fù)現(xiàn)出來;PDF417可以把編碼信息按密碼格式進(jìn)行編碼,以防止偽造條碼符號(hào)或非法使用有關(guān)編碼的信息。因此,可以將數(shù)據(jù)量不大但非常重要的信息按照某種二維條碼的格式進(jìn)行編碼。

    本文是將二維條碼用在物品投遞過程中,即把物品的信息(如寄信人地址、姓名、身份證號(hào),收信人地址、姓名、身份證號(hào)以及郵資等信息)制成二維條碼,打印出來貼在物品上,以便傳遞信息。通過掌上嵌入式的條碼識(shí)讀設(shè)備,對(duì)條碼進(jìn)行譯碼。在掌上嵌入式設(shè)備工作過程中,譯碼的信息可以和其它輸入的信息重新編碼,完成對(duì)數(shù)據(jù)再加密的過程。

    1.2 PDF417條碼的結(jié)構(gòu)

  四一七條碼符號(hào)是一個(gè)多行結(jié)構(gòu)。符號(hào)的頂部和底部為空白區(qū)。上下空白區(qū)之間為多行結(jié)構(gòu)。每行數(shù)據(jù)符號(hào)字符數(shù)相同,行與行左右對(duì)齊直接銜接。其最小行數(shù)為3,最大行數(shù)為90,見圖1。每行構(gòu)成如下:

  a) 左空白區(qū);b)起始符;c) 左行指示符號(hào)字符;d) 1~30個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)字符;e)右行指示符號(hào)字符;f) 終止符;g)右空白區(qū)。

    1.3 PDF417條碼的模式結(jié)構(gòu)

  四一七條碼在編碼時(shí),首先對(duì)未編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。四一七條碼有三種數(shù)據(jù)壓縮模式:文本壓縮模式(TC)、字節(jié)壓縮模式(BC)、數(shù)字壓縮模式(NC)。每種模式結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的算法,通過應(yīng)用模式鎖定/轉(zhuǎn)移(latch/shift)碼字,可在一個(gè)四一七條碼符號(hào)中應(yīng)用一種或者多種模式表示數(shù)據(jù)。圖2為四一七條碼的模式切換圖,其中900、901/924、902分別對(duì)應(yīng)TC、BC和NC的壓縮模式,913為Latch/shift碼字。

    1.4 PDF417條碼的錯(cuò)誤糾正等級(jí)

  四一七條碼的錯(cuò)誤糾正等級(jí)可由用戶選擇。每種錯(cuò)誤糾正等級(jí)所對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤糾正碼字?jǐn)?shù)目為2的糾正等級(jí)次方。對(duì)于開放式系統(tǒng),不同數(shù)量的編碼數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤糾正等級(jí)推薦值見表1。

表1 四一七條碼的推薦錯(cuò)誤糾正等級(jí)

數(shù)據(jù)碼字?jǐn)?shù) 錯(cuò)誤糾正等級(jí)
1~40 2
40~160 3
161~320 4
321~863 5

  在四一七條碼符號(hào)容易損壞的場(chǎng)所,建議選用較高的錯(cuò)誤糾正等級(jí);在封閉系統(tǒng)中,可選用低于推薦錯(cuò)誤糾正等級(jí)的錯(cuò)誤糾正等級(jí)。

2 硬件設(shè)計(jì)

    2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)[1]

  物流信息采集終端設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。設(shè)計(jì)方案的主要組成部分包括微處理器、掃描頭接口模塊(SE923HS)、液晶顯示及觸摸模塊以及外部的32KB RAM,還有電源模塊和微處理器監(jiān)控模塊等其它模塊。

    2.2 SE923HS掃描頭及其接口設(shè)計(jì)[2]

  掃描頭的主要功能是讀出二維條碼上的信息;在讀出信息的同時(shí),完成一定的解碼和糾錯(cuò)功能。本課題采用SE923HS型號(hào)的掃描頭。它是Symbol公司生產(chǎn)的微型條碼讀入設(shè)備,可以對(duì)UPC/EAN、CODE128、CODE39和PDF417等條碼進(jìn)行譯碼。它能嵌入到用戶的設(shè)備中,完成數(shù)據(jù)采集的功能。SE923HS大小約為3cm3,通過12根引線和外界相連。表2給出了SE923HS的引腳說明。

  根據(jù)表2給出的接口說明,設(shè)計(jì)了SE923HS與微控制器的硬件接口,如圖4所示。

表2 SE923H的引腳說明

引  腳 引腳號(hào) 類  型

功  能  解  釋

FLASH_DWN 1 I 寫SE923HS的Flash-ROM
VBATT 2 I Power Supply:為SE923HS提供工作電壓
GND 3 I Ground:地線
RXD 4 I Received Data:串行輸入口
CTS 6 I Clear to Send:串口握手線
AIM/WKUP 11 I Wake Up:用持續(xù)1μs的低電平喚醒低電模式的SE923HS
TRIG 12 I Trigger:硬件觸發(fā)線,使SE923HS進(jìn)入掃描和譯碼
TXD 5 O Transmitted Data:串口輸出口
RTS 7 O Request to Send:串口輸出口
PWRDWN 8 O Power Down Ready:高電平,表示Decoder處于掉電模式
BPR 9 O Beeper:低電流Beeper輸出
DLED 10 O Decode LED:電流LED輸出

3 譯碼和編碼的實(shí)現(xiàn)

    3.1 軟件總體流程

  根據(jù)SE923HS與微控制器的接口圖,軟件總體上可分為掃描頭工作函數(shù)和中斷函數(shù),流程如圖5和圖6所示。

  用SE923HS譯碼程序相對(duì)簡單。首先,設(shè)置好SE923HS與W77E58通信的波特率。然后,打開串口中斷,在需要掃描條碼時(shí)將P1.2置為低電平,進(jìn)入3s的延時(shí),掃描電機(jī)開始工作。在延時(shí)時(shí)間內(nèi),掃描頭一直處于工作狀態(tài),掃描頭譯碼后的數(shù)據(jù)輸入至單片機(jī)產(chǎn)生串口中斷,在中斷函數(shù)中存儲(chǔ)譯碼后的信息。一般來說,SE923HS掃描頭有效工作1s后可以將紙質(zhì)的掃描譯碼完畢。P1.2置為高電平時(shí),掃描電機(jī)停止工作。

  對(duì)解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理,將這些數(shù)據(jù)和其它需要重新加密的數(shù)據(jù)重新二維條碼編碼和糾錯(cuò),得到加密后的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以通過RS232、USB或者藍(lán)牙發(fā)送給上位機(jī)作相應(yīng)的處理。

    3.2 二維條碼編碼和糾錯(cuò)

  在實(shí)際應(yīng)用中,考慮到在應(yīng)用中投遞物品信息組成和單片機(jī)處理速度,投遞物品上的信息多用漢字表示,且文本字符和數(shù)字的數(shù)量較少,所以可以只用字節(jié)壓縮模式(BC)對(duì)其進(jìn)行編碼。這樣可大大減小編譯碼的復(fù)雜性,并且對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮率影響也不大。再有,由PDF417條碼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,條碼符號(hào)的行數(shù)不超過90行,數(shù)據(jù)區(qū)列數(shù)不超過30列,所以最多可以編2700個(gè)碼字。糾錯(cuò)碼最多512個(gè),那么數(shù)據(jù)碼最多可編2188個(gè)。但是由于PDF417條碼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)據(jù)區(qū)第一個(gè)碼字表示數(shù)據(jù)區(qū)碼字的個(gè)數(shù),這就限制了數(shù)據(jù)區(qū)碼字最多不超過928個(gè),也就是說譯碼最多只能譯 928個(gè)碼字,沒有用到編碼數(shù)量的極限。當(dāng)要編碼的數(shù)據(jù)較多時(shí),則可以作如下改動(dòng):采用2個(gè)碼字表示數(shù)據(jù)區(qū)碼字的個(gè)數(shù),這樣就可以做到編碼個(gè)數(shù)的極限2188個(gè)碼字。因此在具體應(yīng)用時(shí),根據(jù)情況靈活地運(yùn)用PDF417條碼標(biāo)準(zhǔn)是很重要的。

  為統(tǒng)一起見,在編碼過程中只采用模式結(jié)構(gòu)中的字節(jié)壓縮模式(BC)?,F(xiàn)簡要介紹如下:

字節(jié)壓縮模式通過基256至基900的轉(zhuǎn)換,將字節(jié)序列轉(zhuǎn)換為碼字序列。當(dāng)所要表示的字節(jié)總數(shù)不是6的倍數(shù)時(shí),用模式鎖定901;當(dāng)所要表示的字節(jié)總數(shù)是6的倍數(shù)時(shí),用模式鎖定924。在應(yīng)用模式鎖定924的情況下,6個(gè)字節(jié)可通過基256至基900的轉(zhuǎn)換用5個(gè)碼字表示,從左到右進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用模式鎖定901的情況下,每前6個(gè)字節(jié)的轉(zhuǎn)換方法與上述方法相同,對(duì)被6整除所剩余的字節(jié)應(yīng)每個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)碼字,逐字節(jié)用碼字表示。具體編碼流程如圖7所示。

  四一七條碼采用Reed-Solomon錯(cuò)誤控制算法(簡稱RS碼)對(duì)數(shù)據(jù)碼字進(jìn)行糾錯(cuò)編碼和譯碼。RS碼是一類可以糾正多個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤的多進(jìn)制循環(huán)碼。對(duì)于一組給定的數(shù)據(jù)碼字,根據(jù)不同的碼字個(gè)數(shù)采用相應(yīng)的糾錯(cuò)等級(jí),錯(cuò)誤糾正碼字根據(jù)Reed-Solomon錯(cuò)誤控制碼算法計(jì)算。

  對(duì)于一個(gè)給定的錯(cuò)誤糾正等級(jí),其錯(cuò)誤糾正容量由下式確定:

式中: e-拒讀錯(cuò)誤數(shù)目; t-替代錯(cuò)誤數(shù)目;

s-錯(cuò)誤糾正等級(jí); d-錯(cuò)誤糾正碼字?jǐn)?shù)目。

錯(cuò)誤糾正碼字的總數(shù)為2s+1。其中,兩個(gè)用于錯(cuò)誤檢測(cè)。其余的錯(cuò)誤糾正碼字用于錯(cuò)誤糾正。用一個(gè)錯(cuò)誤糾正碼字恢復(fù)一個(gè)拒讀錯(cuò)誤,用兩個(gè)錯(cuò)誤糾正碼字糾正一個(gè)替代錯(cuò)誤。

當(dāng)被糾正的替代錯(cuò)誤數(shù)目小于4時(shí)(s=0除外),錯(cuò)誤糾正容量由下式確定:

e+2t ≤ d-3

  對(duì)于一組給定的數(shù)據(jù)碼字,錯(cuò)誤糾正碼字根據(jù)RS錯(cuò)誤控制碼算法計(jì)算。

(1)建立符號(hào)數(shù)據(jù)多項(xiàng)式

(2)建立糾正碼字的生成多項(xiàng)式

(3)產(chǎn)生錯(cuò)誤糾正碼字

  對(duì)一組給定的數(shù)據(jù)碼字和一選定的錯(cuò)誤糾正等級(jí),錯(cuò)誤糾正碼字為符號(hào)數(shù)據(jù)多項(xiàng)式d(x)乘以xk,然后除以生成多項(xiàng)式g(x),所得為余式的各系數(shù)的補(bǔ)數(shù)。

注:解碼、編碼和糾錯(cuò)程序見本刊網(wǎng)站www.dpj.com.cn。

圖7

4 結(jié) 論

  本文提供了一種簡單可行的PDF417二維條碼譯碼和編碼的方案。利用PDF417二維條碼具有信息容量大、編碼范圍廣、容錯(cuò)能力強(qiáng)、譯碼可靠性高、保密防偽性好、成本低、條碼形狀和尺寸可變等優(yōu)點(diǎn),使SE923HS掃描頭和W77E58微控制器結(jié)合,成本低、可行性強(qiáng)。在小數(shù)據(jù)量(小于1000字節(jié))和較低糾錯(cuò)級(jí)別(5級(jí)以下)時(shí),編碼和糾錯(cuò)時(shí)間在10s之內(nèi),處理速度優(yōu)勢(shì)明顯。

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