（机械制造及其自动化专业论文）气动式二维码标记系统的研制.pdf

浙江太学硕士擘住论文 摘要 随着社会信息化的进程，二维码自动识别技术在物流、信息防伪、工业生产 线自动化管理等方面得到广泛应用。标记系统与读码系统都是这项技术的核心。 针对目前国内二维码标记设备研发落后的状况，本文研制了一台基于d a t a m a t r i x 二维码的标记系统。它充分利用d a t am a t r i x 二维码图案面积小、信息容量大的 特点，实现了快速、准确的二维码图案标记，同时，还能标记多种类型字符图案。 对我国制造型企业实现产品信息现场跟踪和数字化管理具有较大的意义和应用 价值。全文共分以下六章。 第一章介绍了自动识别技术的发展现状，特别是对条码技术和各种标码设备 作了分析比较，提出了二维码技术和气动式标码设备在企业的应用优势，从而说 明了论文选题的意义。 第二章分析比较了多种二维条码的优缺点，根据d a t am a t r i x 二维码信息密 度高、自纠错能力强、标记方便等特点，选定其作为本文的研究对象。并从编码 原理、图案构成规则等方面研究了d a t am a t r i x 二维码理论，为解决系统设计关 键问题奠定了基础。 第三章介绍了标码系统的功能，提出获取图案组成点坐标是实现二维码图案 和字符标记功能的关键。根据图案生成原理，详细分析了通过程序设计得到组成 点坐标值的方法和过程，解决了系统设计的重要问题。 第四章对标码系统的硬件执行平台进行了具体设计。根据系统的工作原理和 技术指标，分析了机械部分和控制器部分的设计原理，特别对下位机控制器的软 硬件设计以及电机的运动控制方法作了详细介绍，完成了整个样机系统的搭建。 第五章进行了d a t am a t r i x 二维码图案和多类型字符图案的标记实验，验证 了整个系统各方面的设计效果。同时，简单介绍了识别设备的组成，提出了二维 码标记一识别的工作方案。 第六章是全文的总结和展望，简要总结了本项目的工作成果，并对今后项目 工作的改进点提出了自己的想法。 关键词：条码自动识别技术，d a t a m a t r i x 二维码，气动式标记平台，电机控制 浙江大擘硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s s i o no fi n f o r m a t i c s ，t w o d i m e n s i o n ( 2 d ) b a r - c o d ea u t o i d e n t i f y t e c h n i ci s w i d e l y u s e di n l o g i s t i c s ，i n f o r m a t i o ns e c u r i t y a n d p r o d u c t i o n - l i n e a u t o - m a n a g e m e n t t h ek e yo ft h i st e c h n i ci sr e a d i n gt h ei n f o r m a t i o ni nt h e2 d b a r - c o d ep a t t e r na u t o m a t i c a l l yb yi d e n t i f ys y s t e m s o ，b a r - c o d em a r k i n gs y s t e ma n d i d e n f i f ys y s t e ma r et h ek e ye q u i p m e n t si na p p l i c a t i o n t h et h e s i sa i m st od e v e l o pa m a r k i n gs y s t e mb a s e do nd a t am a t r i x2 db a r - c o d e ，w h i c hi se x p e c t e dt oi m p r o v et h e b e h i n d h a n ds t a t u so fe q u i p m e n t d e v e l o p i n ga th o m e t h es y s t e mi sa b l et om a r k2 d b a r - c o d ep a a e ma n dm u l t i t y p ec h a r a c t e r so nt h es u r f a c eo fp r o d u c e sq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y i th a sas i g n i f i c a n tm e a n i n gi np r o d u c ti n f o r m a t i o n t r a c k i n ga n dp r o d u c t d a t am a n a g e m e n t t h et h e s i sh a st h ef o l l o w i n gs i xc h a p t e r s i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ea u t o - i d e n t i f yt e c h n i c ，e s p e c i a l l yt h eb a r - c o d et e c h n i ca n d v a r i o u sm a r k i n gs y s t e m sw e r ei n t r o d u c e d t h e2 db a r - c o d et e c h n i ca n da i r - d r i v e d m a r k i n gs y s t e mw e r ee m p h a s i z e d t h i se x p l a i n e dt h es i g n i f i c a n c eo f t h et h e s i s i nt h es e c o n dc h a p t e r , s t r o n ga n dw e a kp o i n t so fd i f f e r e n tk i n d so f2 db a r - c o d e w e r ec o m p a r e d b yh a v i n gd o n et h a t , d a t am a t r i x2 db a r - c o d ew a sc o n f i r m e da st h e r e s e a r c ho b j e c tf o ri t sh i g hi n f o r m a t i o nd e n s i t y , p o w e r f u le r r o rc o r r e c t i n gc a p a c i t ya n d e t c i no r d e rt os o l v et h ek e yp r o b l e mo f t h ed e s i g n ，h a dd o n es o m er e s e a r c hi ne n c o d e p r i n c i p l ea n dp a t t e mm l e s i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ef i m c t i o no ft h em a r k i n gs y s t e mw a si n t r o d u c e d i t p r o p o s e dt h a tt h ek e yo fm a r k i n g2 db a r - c o d ep a a e ma n dc h a r a c t e r sw a so b t a i n i n g t h eb u i l d u pd o t s c o o r d i n a t e s t h em e t h o da n dp r o c e s so fp r o g r a md e s i g nb a s e do n t h ep a n e mp r i n c i p l ew e r ee x p l a i n e d ，w h i c hs o l v e dt h ek e yp r o b l e mo f t h ed e s i g n i nt h ef o r t hc h a p t e r , t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es y s t e mw a sd e s i g n e d t h e d e s i g nm e t h o do fm e c h a n i s ma n dc o n t r o l l e rw a se x p l a i n e d ；e s p e c i a l l yt h es o f t w a r e a n dh a r d w a r ew o r ko nc o n t r o l l e r t h es a m p l em a r k i n gs y s t e mw a sf i n a l l yb u i l t i nt h ef i f t hc h a p t e r , m a r k i n ge x p e r i m e n t so f d a t am a t r i x2 db a r - c o d ep a t t e r na n d c h a r a c t e rp a r e mw e r ed o n e ，i no r d e rt op r o v et h ed e s i g ns c h e m e a l s o ，s c a n e q u i p m e n tw a ss h o r t l yi n t r o d u c e da sac o m p l e m e n t t h ec o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n st o o ku pt h es i x t hc h a p t e r k e y w o r d s ：b a r - c o d ea u t o m a t i c i d e n t i f yt e c h n i c ，d a t am a t r i x2 db a r - c o d e ，a i r - d r i v e d m a r k i n gp l a t f o r m ，s t e p - m o t o rc o n t r o l i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘茔或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑 江盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权迸姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 日 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【本章提要】本章首先介绍自动识别技术的现状及发展前景，引入了“信息自动 识别”这个概念；然后介绍了条码技术和标码设备研究现状和发展方向，提出在 制造业领域应用条形码实现产品信息的自动识别，提高企业的管理效率，以此表 明本课题的研究背景及意义；最后阐明了本文的主要工作和组织结构。 1 1 自动识别技术的现状及发展前景 自动识别技术是将信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段， 它是在计算机技术、光电技术、通信技术与信息技术的支持下建立起来的综合性 科学技术【7 】。自动识别技术的广泛应用，大大提高了工作效率。尤其在制造业 领域，不但进一步提高了生产的自动化水平和智能化程度，也提高了企业的管理 水平。 作为一门新兴技术，经过几十年的研究和开发，自动识别技术初步形成了一 个包括条码技术、射频识别技术、生物识别技术、语音识别技术和图像识别与处 理技术等内容的技术体系【l “。 ( 1 ) 条码识别技术，是在计算机技术与信息技术基础上发展起来的一门融 编码、印刷、识别、数据采集和处理于一体的技术，目前包括一维条码和二维条 码两类。按一定编码规则形成的条码图案能够被识读系统( 通常是红外光照射的 扫描器) 自动读取信息，达到自动识别的设计要求，同时具有读取速度快、信息 量大、保密防伪性强等优点，在商业和制造业中已有广泛应用。 ( 2 ) 射频识别技术( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) ，其将射频技术、 微电子技术和i c 技术结合起来的一项新型自动识别技术。它利用感应、无线电 波或微波能量实现数据终端和电子标签的非接触双向通信，达到数据交换和自动 识别的目的。射频识别系统的优点是不局限于视线，识别距离更远，但在电磁干 扰强的现场容易产生信息采集错误，同时成本更高。 ( 3 ) 生物识别技术，根据人体自身的特征( 如指纹、声音、虹膜等) ，通过 数据获取、抽取特征、比较和匹配实现个人身份的识别，一般应用在高端的电子 商务领域。 ( 4 ) 语音识别技术，是涉及信号处理、语音声学、心理学、计算机科学等 多学科原理的交叉科学，包括语音编码、编码获取、语音信息认知等过程，在商 务系统、电信、医疗等行业中应有应用的前景。 ( 5 ) 图像识别与处理技术，包括图像处理与分析以及图像的模式识别，是 浙江大学硕士学位论文 涉及信息科学、计算机科学、数学、光学等多学科知识的研究领域，是条码自动 识别、生物识别等自动识别技术中信息正确识别的基础。 除此之外，还有光符识别、磁条识别等自动识别技术。光符识别操作不便， 首读率低，已渐渐被条码识别给取代；磁条识别主要用于银行业务中，写入读取 设备相对复杂。 随着人们对自动识别技术认识的加深，其应用领域正在日益扩大，应用层次 也在不断提高。同时，作为一个多技术结合的研究领域，伴随着信息技术和计算 机技术的发展，自动识别技术必将在纵深和广度方面都有所扩展【l6 】。 ( 1 ) 实现多种识别技术的组合化应用 在一些有高度安全要求的场合，采用多种识别技术的组合在实施不同级别的 身份识别，一般级别采用带有二维条码的证件检查，特殊级别使用在线签名的鉴 定，绝密级别可应用虹膜识别来保证其安全性。 ( 2 ) 识别结果越来越多的应用于现场控制 随着识别速度的不断提高，用自动识别的结果用来取代人工输入数据进行实 时控制，提高控制系统的智能化水平。 ( 3 ) 与人工智能技术相结合 目前，自动识别技术只初步具有处理语法信息能力，并不能理解已经识别出 的信息的意义，为提高机器的“思维能力”，必须使自动识别技术进一步具有处 理语义信息和语用信息的能力。 1 2 条码技术的研究现状及发展方向 1 2 1 条码技术的研究及发展现状 条码技术主要研究如何将信息用条码来表示，以及如何将条码所表示的数据 转换为计算机可识别的数据，它是在计算机、光电技术和通信技术的基础上发展 起来的一门综合性科学技术，是信息采集、输入的重要方法和手段之一。 条形码技术最早产生于2 0 世纪4 0 年代，美国乔伍德兰德( j o ew o o dl a n d ) 和贝尼西尔佛( b e n y s i l v e r ) 两位工程师开始研究用代码表示食品项目以及相 应的自动识别设备，并于1 9 4 9 年获得了美国专利。美国统一代码委员会u c c 于 1 9 7 3 年建立了u p c 条码系统，并全面实现了该条码编码及其所标识的商品编码 的标准化，成为条形码得到实际应用和发展的里程碑。 进入2 0 世纪8 0 年代以来，人们围绕如何提高条码符号的信息密度，开展了 多项研究工作，在一维条码的基础上发明的二维条码( 2 dc o d e ) ，比传统的一 维条码具有更高的信息密度和更强的自校验纠错能力。作为一种全新的信息存 2 浙江大学硕士学位论文 储、传递和识别技术，二维条码得到了世界各国的关注。美国、加拿大等国不仅 已将二维条码应用于外交、军事等部门的证件管理，也将其应用于海关、税务等 部门对报表和票据的管理，工业生产领域对产品的跟踪管理等。 我国对条码技术的研究始于2 0 世纪7 0 年代，随着计算机应用技术的普及， 8 0 年代末，条码技术在邮电、仓储、图书管理及生产过程的自动控制等领域开 始得到初步应用。目前，条码技术已广泛应用于我国国民经济的众多领域，但具 有自主知识产权的条码生成设备和扫描设备，尤其是二维条码的应用系统，距国 外先进水平还有相当距离。 1 2 2 条码的种类及特点 条码按照不同的分类方法、不同的编码规则可以分成许多种，主要依据条码 的编码结构和标码的性质来决定。通常，按编码原理和构成原理将条码分为一维 条码和二维条码。 一维条码是人们所说的传统条码，是由一个接一个的“条”和“空”排列组 成的，条码信息靠“条”和“空”的不同宽度和位置来传递，信息量的大小是由 条码的宽度和印刷的精度来决定的。这种条码技术只能在一个方向上通过“条” 和“空”的排列组合来存储信息，所以叫“一维条码”。一维条码结构简单，使 用者容易掌握但也有不少局限性。首先，一维条码所携带的信息量有限，如商品 上应用的e a n 1 3 码仅能容纳1 3 位数字；其次，要用一维条码表示汉字或者图 像信息几乎是不可能的，在某些场合应用不便，效率很低：再者，一维条码的应 用建立在拒读比读错好的基础上，因此一维条码通常同其表示的信息一同标示。 二维条码是用某种特定的几何图形，按一定规律二维方向上分布的黑自相间 的图形记录数据符号信息的，在代码编制上利用构成计算机内部逻辑基础的“0 ”、 “1 ”的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息。它 具有信息密度高、容量大等特点，可以用来表示数字、汉字、图片等，是实现信 息的大容量、高可靠性存储、携带并自动识别的理想方法。因其携带信息量大， 图案面积相对较小，适合直接在产品表面进行标记例。二维条码根据其编码原理 和结构形状的差异又可分为好几种，不同种二维条码具有不同特点和应用优势， 在下一章的第一小节中再具体阐述。图1 1 为1 6 1 6d a t a m a t r i x 二维码效果图。 图i i1 6 1 6 d a t a m a t r i x 二维条码效果图 3 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 标码设备研究现状及发展方向 条形码是一种比较特殊的图形，其标示必须严格按照其编码规则达到标码质 量标准及技术指标的要求，故而条形码在标码方法，标码工艺上都有一些特殊规 定，这就对标码设备的性能提出了较高的要求。根据不同的应用情况，标码设备 分为两大类：离线式和在线式。 ( 1 ) 离线式 离线式标码设备主要指专业的条码打印机，如图1 2 。它将条形码经电脑处 理后打印在热敏纸、铜版纸或者不干胶纸上，直接粘贴在产品表面上，多用于商 场商品的一维条形码的标记。 图1 2 条码打印机 ( 2 ) 在线式 在线式标码设备指将条形码直接标记在产品表面的专业装置，可在流水线上 和产品同步工作，主要有墨水喷印、激光刻蚀、气动浮针式三类。 墨水喷印式是通过专业的条形码喷码机将墨点形成的条形码喷印在产品 表面，要求产品表面能方便墨点黏附，一般只喷印一维条码。 激光刻蚀标码设备主要有两种标码形式，一种是在物体表面喷上一种白色 涂料，然后用激光聚能将白色涂料腐蚀掉形成条码，如图1 3 ；一种是将激光直 接聚能在物体表面刻蚀形成条码，如图1 4 。 图1 3 激光腐蚀涂料形成条码 图1 4 激光在物体表面直接刻蚀形成条码 4 渐江走学硕士学位论文 气动浮针式标码设备通过气动式针头单点冲击形成的点痕，在产品表面形 成条形码，可标示一维及二维条码，系统结构相对简单。图1 5 为气动浮针式标 码机在工件表面打印二维条码，图1 6 为标码机在毛坯表面打印二维条码的效果 图。 图1 5 气动浮针式标码机打印二维务码 图1 6 毛坯表面打印效果 对于制造类企业而言，离线式标码设备显然不能满足工况现场对实时性的要 求。墨水喷印式由于不易黏附金属标码，喷码精度低、首读率不高也不适合应用 在制造类企业。激光刻蚀虽然定位精度高，但成本昂贵，同时激光的能量也会对 工件表面造成不良破坏。相比之下，气动浮针式标码设备具有标码准确、性价比 高，适应性强，对表面破坏小，可实现二维条码标示的特点，被广泛应用于汽车、 钢管生产等大型制造型企业中l j “。 气动式标码设备是通过气动冲击的点痕来形成条形码的，为使条码阅读设备 能准确实现信息扫描读取，在点痕清晰度、点距准确度等方面都需达到较高的标 准。这就要求标码设备具有良好的运动控制住能。以实现条码的清晰准确标示； 同时，实现生成二维条码的算法规范也具有一定难度，因此现今市场上具有条形 码标记功能的气动式标码系统主要来自于国外厂商。如加拿大e a s t w a r d 公司研 制开发的g m l 0 8 型二维条码气动打标机，美国t e l e s i s 公司研制的t m m 4 2 5 0 型 2 一dc o d ep i n s 融m pm a k e r ，都可实现标准二维条码打印标记功能。图1 7 为 浙江大学硕士擘位论文 t e l e s i s 公司研制的二维条码打标机的打印效果图，打标速度可达到5 0 m m s ，打 印深度为0 0 7 m m 0 2 m m ，打印范围3 8 r a m 6 3 m m ，点密度为4 7 9 个厘米。 图1 7t m m 4 2 5 0 型二维条码打标效果图 随着计算机技术、微电子技术、自动控制技术的发展及交叉融合，设计出数 字化、多功能、高效率、操作方便的标码设备是制造业的新需求。当前，条形码 标码设各的发展主要有以下三个方向： ( 1 ) 数字化、系统化 将标码设备、识别设备和企业信息管理系统紧密融合，在工位上实现条码自 动标记、自动扫描、自动定位和跟踪检测；实现实时的产品现场跟踪和质量监测。 ( 2 ) 集成化、高效化 随着微电子技术的发展，要求标码设备不仅能够实现一维、二维条形码的标 记，而且能提供多种类型的字符打印功能：通过软硬件的优化，不断提高设备的 标码速度，提高企业工作效率。 ( 3 ) 便携化、人性化 伴随着嵌入式技术越来越多的进入制造行业中，设备体积越来越小，功能越 来越强大，集成度越来越高。利用模块化的软硬件来实现功能，采用窗口图形化 的操作系统、触摸屏等技术，使操作更加方便、直观。图1 8 为最新的手持式标 码设备，是朝这一方向发展的标志体现。 图1 8 手持式标码设备 6 浙江大学硕士学位论文 1 3 论文背景及研究意义 经济全球化和信息化使制造业的竞争环境和发展模式都发生了深刻变化。为 了应对这些变化，制造企业针对生产、供应及销售的各个环节实施e r p 、p d m 等管理信息系统，以帮助企业提高运作效率及管理水平，使企业能从容应对瞬息 万变的市场变化和激烈的市场竞争。e r p 等管理信息系统的主要特点便是将企业 产品信息数字化，通过数据库、网络等载体对产品进行全生命周期的监测跟踪， 因此高效、准确的进行产品信息标记及自动识别成为制造业的研究热点。 制造企业中的信息标记指将产品的各类相关信息以明显的符号等形式在产 品表面进行标示，以方便下一环节及整个制造系统对产品信息的查询。信息识别 是指根据标示的产品信息数据，进行识读、辨认，并使之与企业信息管理系统中 所存储的信息进行比对，达到产品信息监控、更新的目的。由此可见，信息标示 的目的在于准确、高效的信息识别；信息识别的基础是清晰、完整的信息标示。 传统上，企业采用人工方式进行产品信息的识别，即各工位上的操作员以手 工方式将产品信息输入信息系统中。其速度大约每分钟2 0 0 个字符，误码率大约 每3 0 0 个字符出现一个错误，且不能用于实时数据输入的场合。因此这种速度慢、 错误率高，同时占用了大量的人力资源的方式逐渐成为管理信息系统进一步提高 企业运作效率的“瓶颈”。 正如1 1 小节所介绍的，随着计算机技术，自动控制技术，c a d 技术的发 展，自动识别技术逐渐得到发展和推广，也越来越多的应用在制造业中。应用自 动识别技术实现产品信息的标示和识别不但节省了大量人力物力，提高了生产效 率，更是企业实现数字化控制、信息化管理的重要契机。 与其他自动识别技术相比，条形码自动识别技术具有快速、准确、成本低、 可靠性高的特点，其误码率小于百万分之一，首读率可达9 8 。同时，条形码方 便在产品表面直接打印，特别适合应用于电子电器、机械、汽车、仪表等大规模 制造业中，成为解决企业信息管理系统“瓶颈”难题的关键。条形码自动识别技 术应用包括条形码的标示和识读，是涉及条码技术和图像识别处理技术的交叉领 域。条形码自动识别技术在发达国家的应用已相当成熟，而国内还处于起步阶段， 开发基于条形码的标码一自动识别系统有着广阔的市场前景和应用空间。 在这样的背景下，本文在应用条形码迸行产品信息标记一识别系统的研制方 面，特别是在标码设备的开发上做了一些研究。学习研究了条码技术的基础原理， 比较了各类标码设备的优劣及在制造业的应用前景，研制了一台气动式二维条码 标记系统，对我国制造业实现产品现场跟踪和产品信息数字化管理具有较大的意 义和应用价值。 7 浙江走学硕士学位论文 1 4 论文的主要工作和组织结构 本文对d a t am a t r i x 二维条形码在工业生产线上的应用方面作了一些研究， 开发了一套应用条形码自动识别技术来实现产品现场跟踪所需的气动浮针式二 维条码标码设备，取得定成效。本论文的工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 调研了国外先进标码设备的发展状况，研究了条码技术的编码理论： 1 2 ) 分析比较几种二维条码的特性及应用优势，设计了生成d a t am a t r i x 二 维码图案的算法程序及a s c h 字符打印程序； ( 3 ) 根据二维条码对标码设备稳定性、准确性的要求，完成了气动浮针式 标码设备的总体设计及控制器部分设计，完成了实验样机的搭建； ( 4 ) 以l p c 2 1 0 0 为控制核心，完成了基于pc 一0 s 操作系统的标码系统整 体控制程序的设计，进行了相关的标码实验研究； ( 5 ) 以本文研制的条码标记系统为主体，搭建了二维条形码识别实验平台。 论文内容的组织结构如图1 9 所示。 图1 9 论文结构图 i绪论 l 工 i d a t am a t r i x 二维码实现原理 j 标码系统的功能实现 l l标码系统硬件平台设计 l i 标记实验与识别平台的建立 l 占 f总结与展望 浙江大学硕士学位论文 第二章d a t am a t r i x 二维码的实现原理 i 本章提要 d a t am a t r i x 二维码图案的实现原理是本文所设计系统的理论基础， 它包括d a t am a t r i x 码字的编码原理及图案结构的组成规则。本章首先比较了各 种二维码的优缺点，选定d a t am a t r i x 作为本文的研究对象；然后重点介绍了 d a t am a t r i x 条码的结构、数据编码及纠错编码规则；最后提出评定d a t am a t t i x 条码图案质量的标准。 2 。1 二维条码的分类及特点比较 正如第一章中所介绍的，一维条码由于受到信息容量的限制，仅仅能够充当 物品名称的代码，而不能含有更多的物品信息，在没有数据库和网络的支持下， 一维条码的使用受到了较多的限制，甚至毫无意义。开发设计二维条码的目的就 是要提高信息密度，在固定的面积上标示出更多的信息。解决这个问题的方法有 两种：一是在一维条码的基础上进行纵向叠加，即向二维方向进行条码扩展；二 是利用图像识别原理，采用新的几何形体和结构来构造设计二维条码的码制。因 此，根据二维条码的编码原理、结构形状的差异，可分为行排式( 或堆积式) 二 维条码和矩阵式( 或棋盘式) 二维条码两大类型。 ( 1 ) 行排式二维条码是根据第一种方法来实现二维条码的构造的，它是建 立在一维条码的基础之上，按需要堆积成两行或多行。它在编码原理、检验原理、 识读方式等方面继承了一维条码的特点，但在行鉴别、译码算法上都与一维条码 不同。有代表性的二维条码有c o d e4 9 ，c o d e1 6 k ，p d f 4 1 7 等。图2 1 即为行排 式二维条码。 图2 1 行排式二维条码：c o d e l 6 k ( 上) 和c o d e4 9 ( 下) 9 浙江托孝硕士幸位论文 ( 2 ) 矩阵式二维条码是利用矩阵的形式组成的。在矩阵相应元素位置上， 用点的出现表示二进制的“1 ”，点的不出现表示“0 ”，点的组合排列确定了矩阵 码所代表的意义。矩阵码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上 的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵码有d a t am a t r i x ， c o d eo n e ，m a x i c o d e ，q rc o d e 等。图2 2 为矩阵式二维条码。 图2 2 矩阵式二维紊码：q r c o d e ( 左) 和m a x i e o d e ( 右) p d f 4 1 7 码是行排式二维条码中较为典型也是应用较广的一种。它是一种多 层、可变长度、具有高容量和纠错能力的连续型二维条码，因为组成条码的每一 符号字符都是由4 个条和4 个空共1 7 个模块构成，所以称为p d f 4 1 7 条码。每 个p d f 4 1 7 符号可以表示1 1 0 0 个字节，或1 8 0 0 个a s c i i 字符或2 7 0 0 个数字的 信息。通过错误纠正码，p d f 4 1 7 拥有纠错功能。每个符号需两个错误纠正码进 行错误检测，并可通过用户自定义纠错等级纠正多达5 l o 个错误码词，最大纠错 能力5 0 ，这使得污损的p d f 4 1 7 条码也可被正确识读。具有如此的优点，使得 p d f 4 1 7 码成为当今国际上使用较为流行的二维条码，特别是应用条码打印机打 印而成的e d i 纸，成为一种大信息量，高保密性的电子信息交换的方式。图2 3 为p d f 4 1 7 码图。 图2 3p d f 4 t 7 二维奈码 m a x i c o d e 码、q rc o d e 码是应用较为广泛的矩阵式二维条码。m a x i c o d e 条 码是一种固定尺寸的矩阵式二维条码，它由紧密相连的多行六边形模块和位于中 央位置的定位图形组成，可表示全部a s c i i 字符和扩展a s c i i 字符，共可表示 9 3 个字母字符或1 3 8 个数字字符。由于其尺寸确定( 符号宽度为2 8 1 9 r a m ，符 号高度为2 6 9 1 m m ) ，因此m a x i c o d e 条码所表示的字符数确定，无法容纳较大的 新江大学硕士擘位论文 信息量，多用作包裹的标签。 q rc o d e 条码是日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年研制的矩阵式二维条码，可表示 2 9 0 0 字节的信息量，纠错能力达到3 0 。q rc o d e 具有高速的识读特性，每秒 可识读3 0 个q rc o d e 条码字符，比p d f 4 1 7 条码快了近1 0 倍。同时，它可用 1 3 b i t 表示一个中国汉字或日本汉字，比p d f 4 1 7 码提高了2 0 的汉字表示效率。 作为新近开发的二维条码，q rc o d e 条码的标码及识别技术受到日本的高度保 护，多用于日本国内实时性要求高，信息量大的生产线现场，在国际上未得到推 广应用。图2 2 为m a x i c o d e 和q r c o d e 码二维条码实物图。 与上面所介绍的两类三种二维条码相比较，d a mm a t r i x 二维条码在工业自 动化现场管理的应用具有自己独特的优势。d a t am a t r i x 条码是美国r v s i 公司发 明的矩阵式二维条码，其尺寸可以从0 6 5 m m 2 ( 1 一m i ls q u a r e ) 至9 m 2 ( 1 4 - i n c h s q u a r e ) 不等【6 】，最大可容纳2 3 3 5 个文本字符，2 1 1 6 个数字或1 5 5 6 个字节的信 息。相比另外的二维条码，d a t am a t r i x 条码具有以下几个特点： ( 1 ) 信息容纳效率高。在1 6 1 6 的矩阵码中便可容纳1 8 个信息码字和1 4 个纠错码字，可包含3 6 个数字字符或2 5 个字母字符，实现小尺寸大容量存储。 ( 2 ) 自纠错性强。应用e c c 2 0 0 标准的d a t a m a t r i x 码，应用r e e d - - s o l o m o n 纠错算法生成多项式计算纠错码字，不同尺寸应用不同量的纠错码字，最大纠错 能力达6 2 5 ( 1 0 x1 0 矩阵模式下) ，高于一般的行排式条码1 7 j 。 ( 3 ) 全方位识读。具有全方位( 3 6 0 。) 识读能力，方便生产现场的跟踪识 读，这是行排式条码如p d f 4 1 7 码所不具备的。 ( 4 ) 打印标示容易。由于d a t a m a t r i x 条码由点阵图构成，可方便的通过激 光、浮针打印等方式直接在产品表面标示，而m a x i c o d e 码中央圆形定位图形不 容易准确打印，从而影响识别。 ( 5 ) 成本相对低廉。d a t am a t r i x 码作为现今应用较为广泛的二维条码，技 术较为成熟，同时又没有如q rc o d e 码一样受到严格的版权保护。另外，采用 本文所设计的浮针式标码设备来标示d a t am a t r i x 码，不仅可以在表面硬度较大 的产品( 如钢材) 表面进行标记，也大大减少了应用中易耗品的成本，如墨水或 昂贵的激光设备。 综上所述，d a t am a t r i x 矩阵式二维条码具有信息密度大、可靠性好、纠错 能力强、成本低廉等优点，特别适合在发动机、零件、钢管等产品表面上进行产 品信息的标记1 3 j ，来实现现场的产品跟踪管理，符合本文所研究的领域方向及设 计目的，因此选择d a t am a t r i x 二维条码作为本文所设计系统的研究对象，其具 体的编码原理及算法规则在下- - , j , 节中具体阐述。表2 1 为常见的四种二维条码 各方面特性比较表。 浙江大学硕士学位论文 表2 1 常见二维条码比较 条码名称 p d f 4 1 7 q r c o d e m a x i c o d ed a t am a t r i x 类型行排式矩阵式矩阵式矩阵式 字节最大容量 1 1 0 02 9 0 08 0 01 5 5 6 最大纠错能力5 0 3 0 3 5 6 2 5 应用成本 低高 低低 应用场合 e d i 纸生产线包襄分类现场产品标识 2 2d a t am a t r i x 码图案规则及编码原理 2 2 1 条码图案结构与尺寸 正如前面小节所介绍的，d a t am a t r i x 码是矩阵式二维条码的一种，可分为 e c c l 4 0 和e c c 2 0 0 两种标准类型。e c c 2 0 0 标准的条码通过r s 算法生成纠错码， 尺寸可以根据需要标示成不同大小，共有3 0 种尺寸可供选择。由于其算法较为 容易，且尺寸具有弹性，所以e c c 2 0 0 标准较为普遍，本文所提到的d a t a m a t r i x 码都为e c c 2 0 0 标准的条码。 每个d a t am a t r i x 条码图案由寻边区( f i n d e rp a t t e r n ) 和数据区( d a t aa r e a ) 组合构成。如图2 4 所示，将数据区嵌入寻边区中央的空白处就构成了完整的 d a t am a t r i x 条码。 + d a t am a t r i x 码 f i n d e rp a t i t e md 嘲姐 图2 4d a t am a t r i x 条码结构组成示意图 寻边区由两条实线边组成的“l ”形和与其相对的两条虚线边组成。寻边区 只用于定位和定义条码外形大小，而不包含任何编码信息。它将条码图案和背景 图案相区分，为的是使得扫描识别仪器能对“l ”形的顶点进行精确定位，以便 读取设备能够提取条码图案中数据区图案m ，再解码出其中所包含的数据，如图 2 5 所示。 浙江大学硕士学位论文 图2 5d a t am a t r i x 码的寻边区( f i n d e rp a t t e r n ) 数据区是d a t am a t r i x 二维条码实际包含码字的图案区域，它的每一个黑白 小方格表示一个数据单位，通常黑色代表“1 ”，白色代表“0 ”，以此来表示码字 字节的各个“位”。如图2 6 所示，众多的黑白小方格构成了数据区表示的所有 码字的各个位，将这些方格进行提取解码就能得到我们所需的信息。 图2 6d a t a m a t r i x 码的数据区( d a t aa r e a ) d a t am a t r i x 条码的数据区包含条码的所有码字，称为码字序列。码字序列 包括数据码字和纠错码字，分别用于表示条码所要表示的字符信息及用r e e d - - s o l o m o n 算法生成的纠锗信息。d a t am a t r i x 条码是具有弹性尺寸的条码图案，数 据码字和纠错码字的数量根据条码尺寸大小而变化，从最小为1 0 1 0 大小的方 阵到最大为1 4 4 1 4 4 的方阵，还包括6 个非方阵的矩形尺寸。当然，实际条码 图案的尺寸不但取决于选择的条码规格。还取决于标码设备的精度以及产品表面 质量。从表2 2 可以看出，表面质量越好，实际条码图案尺寸可以越小。 表2 2 条码图案实际尺寸比较 二维码的大小( m m ) 点阵 最大容纳数字最大客纳字符 r a = 1 5 u r n r a j 2 4 u r n 1 49 1 4 1 61 03 0 8x3 0 8 4 3 4 4 3 4 1 6 1 62 41 6 3 5 2x3 5 24 9 6x4 9 6 1 8 1 8 3 62 5 3 ，9 6 3 9 65 ，5 8 5 5 8 2 0 2 04 4 3 l4 4 4 46 2x6 2 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 码字容量与码字排布 不同规格的条码图案具有不同大小的码字容量，如图2 4 最左边为2 0 x 2 0 大小的d a t am a t r i x 条码，它的数据区是1 8 1 8 的小格方阵，共包含4 0 个字节 的数据，其中包括2 2 个数据码字和1 8 个纠错码字。在i s o ，i e c l 6 0 2 2 标准中对 各个规格大小条码所能容纳的码字作了详细说明，表2 3 给出了部分常用规格条 码的码字容量。 表2 3d a t am a t r i x 条码图案码字容量表 条码图案尺寸 数据区码字总数 最大信息容量 行列尺寸个数数据码字 纠错码字数字字符字母字符 1 01 08x8l3563 2 02 01 8x 1 812 21 84 43 1 2 4 2 42 2x2 2l3 62 47 25 2 4 04 01 8x 1 8 4 1 1 4 4 8 2 2 81 6 9 6 46 41 4x 1 41 62 8 01 1 25 6 04 1 8 根据表2 3 ，可见2 0 2 0 大小的d a t a m a t r i x 包含4 0 个字节组成的码字序列， 其中前2 2 个为数据码字，之后为1 8 个纠错码字。如何在1 8 1 8 数据区方阵中， 即3 2 0 个方格内合理安排这4 0 个字节的码字的所有位，并具有一定的规律，也 是生成d a t am a t r i x 条码图案必须研究考虑的问题。 首先，对于大尺寸的d a t am a t r i x 条码，为方便图案识别读取，将数据区分 为多个子数据区，例如由表2 3 中可知，4 0 4 0 大小的条码将数据区分为4 个 1 8 1 8 的独立数据区，如图2 7 所示，另外，6 4 6 4 大小的条码分为1 6 个独立 的数据区。 。、。、 i - 1 号数据区 2 号数据区 - _ _ _ _ _ - - l一_ - - _ - 一_ - _ 3 号数据区 ： 4 号数据区 o - 图2 7 条码图案数据区分割示意图 1 4 浙江走擘硕士学住论文 其次，考虑1 个字节码字的8 个位在图案中的排布规则。在i s o 的标准中， 规定每个字节的8 个位以图2 8 所示的位置来排布，其中l 为每个字节的最高位， 8 为字节的最低位。 图2 8 码字各数据住的排布图 确定了单个字节中各个数据位的布置后还要确定不同码字字节在矩阵中的 排布，这是d a t am a t r i x 条码图案码字排布的关键问题。由2 8 图可见，单字节 的图案外形并不是标准的矩形，同时，整个条码矩阵所包含的方格数可能并不是 8 的整数倍，需要合理拆分组合才能将所有码字安排在矩阵形的条码图案中，可 见码字排布尤为复杂。i s o 标准中对d a t am a t r i x 条码图案的码字排布做出了如 下规定： ( 1 ) 2 号码字一直位于条码符号的最左上角。 ( 2 ) 对于所有d a t am a t r i x 条码，3 号码字的第6 位和2 号码字构成3 3 的矩形；1 号码字的第5 位和第8 位位于2 号码字第