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介紹PDF417二維條碼的編碼、譯碼及糾錯的原理，并分析其在嵌入式設備上的軟硬件實(shí)現。其中譯碼部分是使用Symbol公司生產(chǎn)的SE923HS型號的掃描頭，編碼部分是用軟件來(lái)實(shí)現的。 二維條碼是不依賴(lài)計算機網(wǎng)絡(luò )和數據庫存儲、轉移信息的一種方法，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。四一七條碼是應用最為成功的一種二維條碼，它的出現是條碼技術(shù)的一次革新。它以其高密度、高信息容量、糾錯能力強、成本低等特點(diǎn)，廣泛應用于國際貿易、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)濟效益。由于二維條碼的編碼和譯碼算法相對比較復雜，大部分應用是用臺式機打印出條碼，再通過(guò)掃描槍進(jìn)行解碼，通過(guò)RS232串口輸出數據；而在嵌入式設備上，對數據進(jìn)行二維條碼數據加密并不多見(jiàn)。本文提出一種在嵌入式設備上利用Symbol公司生產(chǎn)的SE923HS型號的掃描頭解碼數據，解碼后的數據和其它數據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、修正錯誤能力強、譯碼可靠性高、保密性強和容易印制等特點(diǎn)。 四一七條碼的基本特性如圖1所示。一個(gè)PDF417條碼符號，可以將最多1848個(gè)字母字符或2729個(gè)數字字符或字母、數字混編字符進(jìn)行編碼。按照ISO標準的證卡格式，當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(包括周?chē)陌讌^)所占面積僅為76mm%26;#215;25mm。PDF417采用了目前世界上最先進(jìn)的錯誤修正技術(shù)。這種隱含子符號內的錯誤修正技術(shù)，不僅可以有效地防止譯碼錯誤，提高譯碼的速度及可靠性，而且可以將由于條碼符號破損、沾污等丟失的信息破譯出來(lái)。錯誤修正可分為八個(gè)等級，錯誤修正為最高時(shí)，可以將符號受損面積達50%的條碼符號所含信息復現出來(lái)；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或非法使用有關(guān)編碼的信息。因此，可以將數據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(guò)程中，即把物品的信息（如寄信人地址、姓名、身份證號，收信人地址、姓名、身份證號以及郵資等信息）制成二維條碼，打印出來(lái)貼在物品上，以便傳遞信息。通過(guò)掌上嵌入式的條碼識讀設備，對條碼進(jìn)行譯碼。在掌上嵌入式設備工作過(guò)程中，譯碼的信息可以和其它輸入的信息重新編碼，完成對數據再加密的過(guò)程。 1.2 PDF417條碼的結構 四一七條碼符號是一個(gè)多行結構。符號的頂部和底部為空白區。上下空白區之間為多行結構。每行數據符號字符數相同，行與行左右對齊直接銜接。其最小行數為3，最大行數為90，見(jiàn)圖1。每行構成如下： a) 左空白區；b)起始符；c) 左行指示符號字符；d) 1～30個(gè)數據符號字符；e)右行指示符號字符；f) 終止符；g)右空白區。 1.3 PDF417條碼的模式結構 四一七條碼在編碼時(shí)，首先對未編碼數據進(jìn)行壓縮。四一七條碼有三種數據壓縮模式：文本壓縮模式(TC)、字節壓縮模式(BC)、數字壓縮模式(NC)。每種模式結構對應不同的算法，通過(guò)應用模式鎖定/轉移(latch/shift)碼字，可在一個(gè)四一七條碼符號中應用一種或者多種模式表示數據。圖2為四一七條碼的模式切換圖，其中900、901/924、902分別對應TC、BC和NC的壓縮模式，913為L(cháng)atch/shift碼字。 1.4 PDF417條碼的錯誤糾正等級 四一七條碼的錯誤糾正等級可由用戶(hù)選擇。每種錯誤糾正等級所對應的錯誤糾正碼字數目為2的糾正等級次方。對于開(kāi)放式系統，不同數量的編碼數據所對應的錯誤糾正等級推薦值見(jiàn)表1。 表1 四一七條碼的推薦錯誤糾正等級 數據碼字數 錯誤糾正等級 1～40 2 40～160 3 161～320 4 321～863 5 在四一七條碼符號容易損壞的場(chǎng)所，建議選用較高的錯誤糾正等級；在封閉系統中，可選用低于推薦錯誤糾正等級的錯誤糾正等級。 2 硬件設計 2.1 硬件總體結構 物流信息采集終端設計方案的結構框圖如圖3所示。設計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控模塊等其它模塊。 2.2 SE923HS掃描頭及其接口設計 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功能。本課題采用SE923HS型號的掃描頭。它是Symbol公司生產(chǎn)的微型條碼讀入設備，可以對UPC/EAN、CODE128、CODE39和PDF417等條碼進(jìn)行譯碼。它能嵌入到用戶(hù)的設備中，完成數據采集的功能。SE923HS大小約為3cm3，通過(guò)12根引線(xiàn)和外界相連。表2給出了SE923HS的引腳說(shuō)明。 根據表2給出的接口說(shuō)明，設計了SE923HS與微控制器的硬件接口，如圖4所示。 表2 SE923H的引腳說(shuō)明 引 腳 引腳號 類(lèi) 型 功 能 解 釋 FLASH_DWN 1 I 寫(xiě)SE923HS的Flash-ROM VBATT 2 I Power Supply:為SE923HS提供工作電壓 GND 3 I Ground:地線(xiàn) RXD 4 I Received Data:串行輸入口 CTS 6 I Clear to Send：串口握手線(xiàn) AIM/WKUP 11 I Wake Up:用持續1μs的低電平喚醒低電模式的SE923HS TRIG 12 I Trigger：硬件觸發(fā)線(xiàn)，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 3.1 軟件總體流程 根據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和中斷函數，流程如圖5和圖6所示。 用SE923HS譯碼程序相對簡(jiǎn)單。首先，設置好SE923HS與W77E58通信的波特率。然后，打開(kāi)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)，掃描電機開(kāi)始工作。在延時(shí)時(shí)間內，掃描頭一直處于工作狀態(tài)，掃描頭譯碼后的數據輸入至單片機產(chǎn)生串口中斷，在中斷函數中存儲譯碼后的信息。一般來(lái)說(shuō)，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)，掃描電機停止工作。 對解碼后的數據進(jìn)行后期處理，將這些數據和其它需要重新加密的數據重新二維條碼編碼和糾錯，得到加密后的數據。這些數據可以通過(guò)RS232、USB或者藍牙發(fā)送給上位機作相應的處理。 3.2 二維條碼編碼和糾錯 在實(shí)際應用中，考慮到在應用中投遞物品信息組成和單片機處理速度，投遞物品上的信息多用漢字表示，且文本字符和數字的數量較少，所以可以只用字節壓縮模式（BC）對其進(jìn)行編碼。這樣可大大減小編譯碼的復雜性，并且對數據的壓縮率影響也不大。再有，由PDF417條碼標準規定，條碼符號的行數不超過(guò)90行，數據區列數不超過(guò)30列，所以最多可以編2700個(gè)碼字。糾錯碼最多512個(gè)，那么數據碼最多可編2188個(gè)。但是由于PDF417條碼標準規定數據區第一個(gè)碼字表示數據區碼字的個(gè)數，這就限制了數據區碼字最多不超過(guò)928個(gè)，也就是說(shuō)譯碼最多只能譯 928個(gè)碼字，沒(méi)有用到編碼數量的極限。當要編碼的數據較多時(shí)，則可以作如下改動(dòng)：采用2個(gè)碼字表示數據區碼字的個(gè)數，這樣就可以做到編碼個(gè)數的極限2188個(gè)碼字。因此在具體應用時(shí)，根據情況靈活地運用PDF417條碼標準是很重要的。 為統一起見(jiàn)，在編碼過(guò)程中只采用模式結構中的字節壓縮模式(BC)�，F簡(jiǎn)要介紹如下： 字節壓縮模式通過(guò)基256至基900的轉換，將字節序列轉換為碼字序列。當所要表示的字節總數不是6的倍數時(shí)，用模式鎖定901；當所要表示的字節總數是6的倍數時(shí)，用模式鎖定924。在應用模式鎖定924的情況下，6個(gè)字節可通過(guò)基256至基900的轉換用5個(gè)碼字表示，從左到右進(jìn)行轉換。在應用模式鎖定901的情況下，每前6個(gè)字節的轉換方法與上述方法相同，對被6整除所剩余的字節應每個(gè)字節對應一個(gè)碼字，逐字節用碼字表示。具體編碼流程如圖7所示。 四一七條碼采用Reed-Solomon錯誤控制算法(簡(jiǎn)稱(chēng)RS碼)對數據碼字進(jìn)行糾錯編碼和譯碼。RS碼是一類(lèi)可以糾正多個(gè)隨機錯誤的多進(jìn)制循環(huán)碼。對于一組給定的數據碼字，根據不同的碼字個(gè)數采用相應的糾錯等級，錯誤糾正碼字根據Reed-Solomon錯誤控制碼算法計算。 對于一個(gè)給定的錯誤糾正等級，其錯誤糾正容量由下式確定： 式中： e-拒讀錯誤數目； t-替代錯誤數目； s-錯誤糾正等級； d-錯誤糾正碼字數目。 錯誤糾正碼字的總數為2s+1。其中，兩個(gè)用于錯誤檢測。其余的錯誤糾正碼字用于錯誤糾正。用一個(gè)錯誤糾正碼字恢復一個(gè)拒讀錯誤，用兩個(gè)錯誤糾正碼字糾正一個(gè)替代錯誤。 當被糾正的替代錯誤數目小于4時(shí)(s＝0除外)，錯誤糾正容量由下式確定： e+2t ≤ d-3 對于一組給定的數據碼字，錯誤糾正碼字根據RS錯誤控制碼算法計算。 （1）建立符號數據多項式 （2）建立糾正碼字的生成多項式 （3）產(chǎn)生錯誤糾正碼字 對一組給定的數據碼字和一選定的錯誤糾正等級，錯誤糾正碼字為符號數據多項式d(x)乘以xk，然后除以生成多項式g(x)，所得為余式的各系數的補數。 4 結 論 本文提供了一種簡(jiǎn)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、容錯能力強、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微控制器結合，成本低、可行性強。在小數據量（小于1000字節）和較低糾錯級別（5級以下）時(shí)，編碼和糾錯時(shí)間在10s之內，處理速度優(yōu)勢明顯。 |
