PDF417二維條碼在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用
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(kù)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(guó)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L(zhǎng)atch/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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(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(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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