毕业设计（论文）-指纹识别系统的软件设计.doc

北方民族大学学士学位论文 论文题目: 指纹识别系统的软件设计 院(部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 专 业: 通信工程 学 号: 指导教师姓名: 论文提交时间: 2012 论文答辩时间: 2011年5月28日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制摘要指纹识别是一种主要应用于安防领域的一种成熟的生物技术，它利用了人体的指纹非常稳定、具有终身不变、不可丢失及唯一性的特点，解决了传统的安防系统存在损坏、丢失或替代等问题。目前在安防系统中利用指纹识别技术来进行身份认证是一种较好的解决方案，在社会得到了很好的推广应用。本文讲述的指纹识别系统主要由以51系列的stc89c52单片机为控制器，以具有由高性能dsp 图像处理器和 flash 存储器等芯片构成的光学指纹传感器fm-180以及外部显示模块1602液晶三部分组成。由于光学指纹传感器fm-180本身具有指纹图像处理、指纹特征模板提取、指纹模板匹配、指纹搜索和模板存储等项功，所以它具有设备结构简单、易于维护、成本低、便于推向市场等优点。本文主要从软件设计方面入手，讲述软件总体设计方案、流程及各模块程序实现方案。关键词：指纹识别，单片机控制，指纹传感器，软件设计abstractfingerprint identification is a main application in the field of security in a mature biological technology, it used the fingerprint of the human body is very stable, with lifelong unchanged, must not be lost and the characteristics of the uniqueness, solve the traditional security system is lost or damaged, replace, etc. at present in the security system using fingerprint identification technology to carry out the identity authentication is a good solution, in social got very good promotion application.this article tells the fingerprint identification system mainly consists of the single chip microcomputer to 51 series stc89c52 for controller and with high performance dsp image by the processor and flash memory chips such as a optical fingerprint sensor fm-180 and external display module 1602 lcd of three parts. due to the optical fingerprint sensor fm-180 itself has the fingerprint image processing, the fingerprint characteristics template extraction, fingerprint template matching, fingerprint search and template storage and so on a work, so it has simple structure, easy maintenance equipment, low cost, easy to market, etc. this article mainly from the aspects of the software design, overall design scheme about software, process and the modules program realization scheme.keyword: fingerprint identification, mcu control, fingerprint sensor, software design目录第1章 前言1.1 指纹识别技术简介1.2 指纹识别技术的应用及展望.第2章 系统原理及硬件设计 2.1 指纹识别系统主要功能部件 2.1.1 mcu控制器 2.1.2 光学指纹传感器fm-180 2.2 硬件设计 2.2.1 硬件实现原理及组成 2.2.2 硬件原理图第3章 软件设计 3.1 fm-180指纹图像处理 3.1.1 dsp图像处理 3.1.2 dsp算法 3.2 功能模块函数描述 3.3 设计方案第4章 各功能模块实现方案 4.1 控制器模块 4.2 传感器模块 4.3 显示模块 4.4 键盘模块 4.5 模块交互第5章 总结第1章 前言1.1 指纹识别技术简介 指纹识别现已是成熟的生物技术之一，它主要利用人体的身体特征具有唯一性、稳定性和不可复制的特点，把人体的特征用于身份识别，并希望借此技术来应对现行系统所面临的安全挑战。有研究表明，每个人的指纹、虹膜、掌纹、面孔、视网膜、发音、骨架等都与别人不同并且终生不变，因此我们就可以根据这些生物技术来识别出人的身份。基于生物技术发展了指纹识别技术、人脸识别技术、声音识别技术等多种生物识别技术，并且许多技术都已经发展成熟推广到生活应用中，其中，指纹识别技术更是成为生物识别技术中的热门技术。现代电子集成制造技术的飞速发展和快速可靠的算法的研究成为指纹识别技术发展的最大推动力。指纹尽管只占到人体皮肤极小的一部分，但运用到识别时期数据量却相当大，它使用的是需要大量运算的匹配的算法，而不是对这些数据进行简单的对比，得出简单的相等或不相等的结果的问题。因为现代电子集成技术的飞速发展，使得我们可以把指纹图像读取设备做的很小，同时飞速发展的处理器技术使其运算速度不断提高，使得使得指纹的对比运算可能在计算机甚至是单片机上进行。1.2 指纹识别技术的应用及发展前景 安全性是许多系统考虑的首要问题，在当前的计算机网络系统中，许多非常机密的系统进行身份认证和访问控制时都使用用户id+密码”的方法。在这种身份认证和访问控制方案中，存在着一些问题，比如说，容易忘记密码，同时密码也可能被人窃取。但是如果用户忘记密码的话，他将不能进入系统；而系统管理员也是通过同样的方式进入系统，而如果管理员忘记密码的话，那么这个系统将有可能要重新安装了。密码被人窃取更为可怕，因为一旦你的密码落入用心不良的人手中，那么它将有可能冒用主人的名义去坐一些不正当的事情，比如窃取公司机密、提取别人存款等。实际上，盗取密码对于那些用心不良的人来说也比较容易，如果你在需要输入密码的终端前输入密码时，人家通过留意你输入密码时击键的动作就可以大概锁定你的密码。甚至于可以通过获取你的个人信息包括生日、年龄、姓名或者一些其他的信息才出你的密码，因为许多人的密码或多或少都跟自己的信息有关，比如生日等。世界上很多高度机密的军事机构的计算机网络系统也都时有被黑客侵入，黑客的侵入就是从破解该网络中的某一合法用户的密码开始的。伴随着科技的进步，指纹识别技术在我们的日常生活中已经开始得到应用，许多技术问题都已经得到突破，也推出了许多新的产品，比如说bac公司推出的securetouch指纹识别机等。指纹识别技术的推广也解决了一些需要进行身份验证的传统领域的安全问题。解决了诸如证件伪造和盗用、不正当转借等问题。另一个典型的应用就是考勤机，它方便了企业对职工进行考勤管理。避免了弄虚作假、代人打卡的现象的出现。随着更多的指纹识别相关产品的开发和生产，指纹识别技术也将开始进入到民用市场，相信指纹识别技术的普及应用已经不再遥远。第2章 系统原理及硬件组成2.1指纹识别系统主要功能部件2.1.1 mcu控制器本设计中微控制器采用宏晶公司的stc89c52单片机，该单片机是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系统可编程flash 存储器。具有以下标准功能： 8k字节flash，512字节ram， 32 位i/o 口线，看门狗定时器，内置4kb eeprom，max810复位电路，三个16 位 定时/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。（/view/4704946.htm）控制器与传感器之间的通信为通过串口之间的半双工异步通信，默认波特率为9600bps，控制器与传感器之间相互传送的命令、数据、结果均采用帧的形式进行，通过串口通信有时会出现错误，比如在数据接收的开始丢了一两个字节的数据，这就有可能在未接收完数据是程序陷入死循环，由此可以在程序中设定一固定时间，使其在规定时间未有动作时强行退出循环，重新进行数据传输。stc89c52如图2.1： 图2.1 stc89c52因为本作品中使用的光学指纹传感器fm-180与单片机之间通信默认的波特率为9600bps，通过下式：式中设置smod1=0，则可得出其所匹配晶振频率为11.0592mhz。 为了保证指纹传感器与单片机之间正常通信，单片机选择的晶振频率必须为11.0592mhz。 2.1.2 光学指纹传感器fm-180亮背景光学头指纹识别设备采用光学指纹传感器fm-180，由高性能dsp图像处理芯片、微处理器以及flash存储器等芯片，使其具有集指纹图像处理、指纹模板提取、指纹模板匹配、对ram存储器进行指纹搜索和模板存储操作等项功能。fm-180实物如图2.2。 图2.2 fm-180fm-180具有如下特点：（1）功能完善：独立完成指纹采集、指纹登记、指纹比对（1:1）和指纹搜索（1:n）功能。（2）适应性强：算法性能优异，采集表面经过高科技特殊处理，对各类指纹都有极好的适应性，特别在对干手指的采集和比对上，具有极高的辨识率和良好的校正、容错性能。（3）一致性好：采集头采用特殊材料一次成模，与三棱镜打磨的方式相比，产品一致性大大提高，从根本上保障指纹采集、指纹登记、指纹比对和指纹搜索的工作效能。（4）体积小巧：产品体积小巧尤其体现在模块的厚度上，对于指纹类产品的应用开发在外观设计上具有更大的灵活性，有助于设计出更为美观、新颖的产品。（5）超低功耗：产品整体功耗极低，同时提供休眠控制接口，适用于低功耗要求的场合。（6）esd 抗静电能力强：具有很强的抗静电能力，抗静电指标达到15kv以上。（7）应用开发简单：开发者可根据提供的控制指令，自行指纹应用产品的开发，无需具备专业的指纹识别知识。（8）安全等级可调：适用于不同的应用场合，安全等级可由用户设定调整。（fm180数据手册）/2.2 硬件设计2.2.1 硬件实现原理及组成指纹识别系统共由4各部分组成，分别是控制器、显示器、辅助键盘和传感器。因为亮背景光学头指纹识别设备采用光学指纹传感器fm-180本身具有指纹图像处理、模板提取、模板匹配、指纹搜索和模板存储等功能。所以控制器主要工作是建立与传感器之间的良好通信，以命令的形式控制传感器进行指纹采集，进行指纹图像处理。当工作在录入指纹模式时，控制器需要传感器将提取的指纹模板保存在器自带的ram中，并将其编号；当工作在识别模式时，控制器控制传感器将提取的指纹模板暂存，并将其与ram中的指纹模板逐一进行比对，若找到匹配的指纹模板，则将其编号读出，送控制器处理，若没有找相匹配的指纹模板，则可能是采集指纹时手指放的位置不正确或者是指纹库中没有此指纹，这时控制器将控制传感器重新采集指纹。为了提高对指纹的识别率，降低系统误读率，在生成指纹模板时传感器将会采集两次指纹，第一次采集完指纹，生成特征文件1，第二次采集完指纹后生成特征文件2，两次采集指纹结束后，将特征文件1和特征文件2合并为该指纹的指纹模板。该系统的显示部分为1602液晶显示屏，主要在操作时进行操作提示；在指纹录入模式时，显示采集指纹的指头在ram中存储是的编号；在识别模式时，显示的是与当前输入指纹的指纹模板相匹配的ram中指纹模板的编号，而在识别模式下，输入不成功或指纹库中没有与该指纹模板所匹配的指纹模板时提示重新输入。辅助键盘包括三个功能键：（1）模式切换键 模式切换键主要功能是对系统的工作模式进行切换，使系统在同一时间段工作在录入模式或识别模式；（2）指纹录入键 指纹录入键是当系统工作在录入模式时，按指纹录入键一次，录入一个指纹，同一个指纹要采集两次。即按键一次需要对同一个指纹采集两次。待采集完两次之后，再按一次指纹录入键，采集下一个指纹。（3）删除指纹键 删除指纹键功能是删除所有指纹的按键，即不管系统的工作模式，只要按下删除指纹键将会删除ram中的所有指纹模板及其编号信息。 其原理图如图2.3： 图2.3 硬件原理框图2.2.2 硬件原理图 硬件原理图如图2.4： 图2.4 硬件原理图图中出了前面提到的控制器、液晶显示、辅助键盘、指纹传感器之外，还有一些辅助电路，蜂鸣器电路、发光二极管电路，当系统工作在录入模式时，采集完指纹后，蜂鸣器响两声，说明指纹采集成功；当工作在识别模式时，采集完指纹后，蜂鸣器响一声，说明识别成功；若要删除所有指纹时，按删除指纹键后，若蜂鸣器长响一声，则说明所有指纹已经被清除。led与工作模式及工作状态有关。第3章 软件设计3.1 fm-180指纹图像处理3.1.1 dsp图像处理前面提到，光学指纹传感器fm-180，内部拥有高性能dsp图像处理芯片、微处理器以及flash存储器 等芯片，使其具有集指纹图像处理、指纹模板提取、指纹模板匹配、对ram存储器进行指纹搜索和模板存储等项功能。其中最为重要的是对指纹图像的处理。dsp图像处理芯片对指纹图像的处理包括图像增强、二值化、细化、特征提取、特征匹配等，当然这所有的处理过程都需要在特定的算法下实现，总体上，dsp图像处理芯片对指纹图像的处理过程如图3.1所示： 图3.1 dsp指纹图像处理框图3.1.2 dsp算法 图像处理算法包括图像增强、二值化、细化、特征提取、特征匹配。鉴于在本作品中，对图像的处理等均由传感器完成，在此只简单介绍算法原理，不再作代码分析。 图像增强是为了改善原始图像质量、消除原始图像中的噪声，从而便于对图像特征的提取，在图像预处理中是需要解决的核心问题。正对指纹图像的处理，为了改善增强算法的效果，一般用到滤波器，如用gabor滤波器作为滤波器模板。gabor滤波具有良好的方向性、频率选择性，能较好的获取局部特征、全局特征，增强特定的方向的信息，是真正的脊和谷结构以保留，同时降低其他方向上的强度，消除非指定方向上的噪音，从而从而实现对图像是增强。 二值化是将指纹图像转换成二值图像，这样可以大大减少需要处理的数据量，去掉大量的粘连，使其更加有利于后续的特征提取、特征匹配。通常用的二值化算法有阀值法、自适应阀值法、局部自适应阀值法。 细化是对二值化图像的进一步处理。在传感器采集指纹图像时，由于手按捺的轻重不均匀，使得指纹脊线的粗细也不可能恒定，不利于直接提取指纹的特征集。对二值图像的细化，可以清晰指纹线的走向与结构，还能进一步压缩数据量，提高识别的准确性。通过包括图像增强、二值化和细化三步对图像的预处理，就可以进行指纹特征的提取，特征提取有很多方法，如8邻域法等。初步得出特征点后，再根据平均纹线距离等信息，对之前的特征点进行有效性校验，去掉伪特征点，留下的均为真特征点，然后以特征点的坐标、特征点方向以及其邻域情况，构成了该指纹的细节特征点相应的特征向量，然后再生成指纹特征模板。特征匹配就是对两个指纹模板的比对，验证两个指纹是否相同。3.2 功能模块描述 在本作品中，所涉及到的指纹图像采集、指纹图像处理、指纹模板储存、指纹模板搜索、指纹模板的比对以及删除等，全部都在光学指纹传感器fm-180内部完成，所以控制器（单片机）的工作是保持与传感器之间的通信畅通，并通过指令的方式控制传感器工作，同时从传感器读取相应的信息，因此，程序中不涉及到与图像处理相关的程序。指纹传感器fm-180的工作状态通过传感器命令集控制，传感器只有在接收到命令后，根据相应的命令内容确定下一步的操作。以下为部分命令。部分确认码定义： 1. 00h：表示指令执行完毕或ok； 2. 01h：表示数据包接收错误； 3. 02h：表示传感器上没有手指； 4. 03h：表示录入指纹图像失败； 5. 04h：表示指纹图像太干、太淡而生不成特征； 6. 05h：表示指纹图像太湿、太糊而生不成特征；(fm-180使用手册) 部分指令集 1. ps_getimage 指令代码：01h 功能：从传感器上读入图像存于图像缓冲区 2. ps_genchar 指令代码：02h 功能：根据原始图像生成指纹特征存于charbuffer1 或charbuffer2 3. ps_match 指令代码：03h 功能：精确比对charbuffer1 与charbuffer2 中的特征文件 (fm-180使用手册) 总的来讲，程序分为出程序和中断程序两个模块，它们包括以下几个部分：（1）分析控制部分 即控制器与传感器通信，包括握手、发送控制命令、接收确认码或数据的分析处理； （2）显示部分 即操作提示或处理结果的显示；（3）中断程序 键盘信号中删除指纹键、模式切换键的信号均以中断的形式被控制器接收处理。录入指纹键信号由控制器读相应端口低电平产