關鍵詞：PDF417 二維條碼編碼譯碼 嵌入式設備
引 言
??二維條碼是不依賴計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫存儲、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(xiàn)是條碼技術的一次革新。它以其高密度、高信息容量、糾錯能力強、成本低等特點，廣泛應用于國際貿(mào)易、物流、工業(yè)、商業(yè)等領域，已經(jīng)取得了巨大的社會效益和經(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，再通過掃描槍進行解碼，通過RS232串口輸出數(shù)據(jù)；而在嵌入式設備上，對數(shù)據(jù)進行二維條碼數(shù)據(jù)加密并不多見。本文提出一種在嵌入式設備上利用Symbol公司生產(chǎn)的SE923HS型號的掃描頭解碼數(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、修正錯誤能力強、譯碼可靠性高、保密性強和容易印制等特點。
四一七條碼的基本特性如圖1所示。一個PDF417條碼符號，可以將最多1848個字母字符或2729個數(shù)字字符或字母、數(shù)字混編字符進行編碼。按照ISO標準的證卡格式，當PDF417條碼的窄條(模)寬為0.17mm 時，使用PDF417條碼表卡片上所含的信息，條碼符號(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的錯誤修正技術。這種隱含子符號內(nèi)的錯誤修正技術，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。錯誤修正可分為八個等級，錯誤修正為最高時，可以將符號受損面積達50%的條碼符號所含信息復現(xiàn)出來；PDF417可以把編碼信息按密碼格式進行編碼，以防止偽造條碼符號或非法使用有關編碼的信息。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，收信人地址、姓名、身份證號以及郵資等信息）制成二維條碼，打印出來貼在物品上，以便傳遞信息。通過掌上嵌入式的條碼識讀設備，對條碼進行譯碼。在掌上嵌入式設備工作過程中，譯碼的信息可以和其它輸入的信息重新編碼，完成對數(shù)據(jù)再加密的過程。
1.2 PDF417條碼的結構
四一七條碼符號是一個多行結構。符號的頂部和底部為空白區(qū)。上下空白區(qū)之間為多行結構。每行數(shù)據(jù)符號字符數(shù)相同，行與行左右對齊直接銜接。其最小行數(shù)為3，最大行數(shù)為90，見圖1。每行構成如下：
a) 左空白區(qū)；b)起始符；c) 左行指示符號字符；d) 1～30個數(shù)據(jù)符號字符；e)右行指示符號字符；f) 終止符；g)右空白區(qū)。
1.3 PDF417條碼的模式結構
四一七條碼在編碼時，首先對未編碼數(shù)據(jù)進行壓縮。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)。每種模式結構對應不同的算法，通過應用模式鎖定/轉(zhuǎn)移(latch/shift)碼字，可在一個四一七條碼符號中應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分別對應TC、BC和NC的壓縮模式，913為Latch/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選擇。每種錯誤糾正等級所對應的錯誤糾正碼字數(shù)目為2的糾正等級次方。對于開放式系統(tǒng)，不同數(shù)量的編碼數(shù)據(jù)所對應的錯誤糾正等級推薦值見表1。
表1 四一七條碼的推薦錯誤糾正等級
| 數(shù)據(jù)碼字數(shù) | 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所，建議選用較高的錯誤糾正等級；在封閉系統(tǒng)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[1]
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(jiān)控模塊等其它模塊。
2.2 SE923HS掃描頭及其接口設計[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，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等條碼進行譯碼。它能嵌入到用戶的設備中，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的引腳說明
| 引 腳 | 引腳號 | 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譯碼程序相對簡單。首先，設置好SE923HS與W77E58通信的波特率。然后，打開串口中斷，在需要掃描條碼時將P1.2置為低電平，進入3s的延時，掃描電機開始工作。在延時時間內(nèi)，掃描頭一直處于工作狀態(tài)，掃描頭譯碼后的數(shù)據(jù)輸入至單片機產(chǎn)生串口中斷，在中斷函數(shù)中存儲譯碼后的信息。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，掃描電機停止工作。
對解碼后的數(shù)據(jù)進行后期處理，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，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(shù)字的數(shù)量較少，所以可以只用字節(jié)壓縮模式（BC）對其進行編碼。這樣可大大減小編譯碼的復雜性，并且對數(shù)據(jù)的壓縮率影響也不大。再有，由PDF417條碼標準規(guī)定，條碼符號的行數(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個碼字。糾錯碼最多512個，那么數(shù)據(jù)碼最多可編2188個。但是由于PDF417條碼標準規(guī)定數(shù)據(jù)區(qū)第一個碼字表示數(shù)據(jù)區(qū)碼字的個數(shù)，這就限制了數(shù)據(jù)區(qū)碼字最多不超過928個，也就是說譯碼最多只能譯 928個碼字，沒有用到編碼數(shù)量的極限。當要編碼的數(shù)據(jù)較多時，則可以作如下改動：采用2個碼字表示數(shù)據(jù)區(qū)碼字的個數(shù)，這樣就可以做到編碼個數(shù)的極限2188個碼字。因此在具體應用時，根據(jù)情況靈活地運用PDF417條碼標準是很重要的。
為統(tǒng)一起見，在編碼過程中只采用模式結構中的字節(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。當所要表示的字節(jié)總數(shù)不是6的倍數(shù)時，用模式鎖定901；當所要表示的字節(jié)總數(shù)是6的倍數(shù)時，用模式鎖定924。在應用模式鎖定924的情況下，6個字節(jié)可通過基256至基900的轉(zhuǎn)換用5個碼字表示，從左到右進行轉(zhuǎn)換。在應用模式鎖定901的情況下，每前6個字節(jié)的轉(zhuǎn)換方法與上述方法相同，對被6整除所剩余的字節(jié)應每個字節(jié)對應一個碼字，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錯誤控制算法(簡稱RS碼)對數(shù)據(jù)碼字進行糾錯編碼和譯碼。RS碼是一類可以糾正多個隨機錯誤的多進制循環(huán)碼。對于一組給定的數(shù)據(jù)碼字，根據(jù)不同的碼字個數(shù)采用相應的糾錯等級，錯誤糾正碼字根據(jù)Reed-Solomon錯誤控制碼算法計算。
對于一個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(shù)目； t-替代錯誤數(shù)目；
s-錯誤糾正等級； d-錯誤糾正碼字數(shù)目。
錯誤糾正碼字的總數(shù)為2s+1。其中，兩個用于錯誤檢測。其余的錯誤糾正碼字用于錯誤糾正。用一個錯誤糾正碼字恢復一個拒讀錯誤，用兩個錯誤糾正碼字糾正一個替代錯誤。
當被糾正的替代錯誤數(shù)目小于4時(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(shù)據(jù)碼字，錯誤糾正碼字根據(jù)RS錯誤控制碼算法計算。
（1）建立符號數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)碼字和一選定的錯誤糾正等級，錯誤糾正碼字為符號數(shù)據(jù)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(shù)的補數(shù)。
注：解碼、編碼和糾錯程序見本刊網(wǎng)站www.dpj.com.cn。
圖7
4 結 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，使SE923HS掃描頭和W77E58微控制器結合，成本低、可行性強。在小數(shù)據(jù)量（小于1000字節(jié)）和較低糾錯級別（5級以下）時，編碼和糾錯時間在10s之內(nèi)，處理速度優(yōu)勢明顯。
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