（模式识别与智能系统专业论文）嵌入式多模态生物特征识别系统设计.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h e d e g r e eo f m e n g t h e d e s i g no fe m b e d d e dm u l t i m o d a l b i o m e t r i c s ，s i d e n t i f ys y s t e m c a n d i d a t e ：h u a n gy u s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gk e j u n a c a d e m i ed e g r e e a p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m d a t eo f s u b m i s s i o n ：f e b r u a r y , 2 0 10 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 10 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y l i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：奄甲 日期：立o1o 年；月i 丫日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文州在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：莨尹导师( 签字) ：2 参节乙 日期： 如j q 年3 月f 铲日 2 0 lo 年3 月件日 r 哈尔滨t 柙大学硕十学何论文 摘要 随着人类逐渐迈入信息时代，基于生物特征的身份鉴定技术愈加显示出 它的价值。生物特征识别技术主要是利用人体固有的生理特征或者行为特征 来进行个人身份鉴别的技术。传统的生物特征识别系统大多数是单模态系统， 但是单模态的生物特征识别具有一些无法克服的问题，例如传感器噪声、缺 乏普遍性、单一性不强、特征的描述缺乏恒定性、易被窃取等问题，同时由 于市场对生物特征识别系统提出了便携性好、功耗低、体积小等要求，以及 嵌入式技术在近年来高速的发展，所以本文展开了嵌入式多模态生物特征识 别系统的研究。 本文给出了基于a r m - l i n u x 的嵌入式多模态生物特征识别系统的设计方 案，将系统的硬件设计分为了三部分：第一部分为a r m 核心板，其主要进行 控制和运算工作：第二部分为系统扩展板，其主要是对a r m 功能进行扩展并 为外围设备提供接口；第三部分是摄像头l c d 等外围设备，其主要完成生物 特征图像的采集和显示等功能。 本文在硬件设计方面阐述了a r m 系统的设计过程，讲解了各功能模块的 设计与调试过程：在软件设计方面，建立了交叉编译环境，修改并移植了 u - b o o t ，进行了嵌入式l i n u x 内核的裁剪和移植，建立了根文件系统并进行 了移植，基于l i n u x 系统完成了摄像头以及l c d 显示屏等硬件驱动程序的设 计，建立了嵌入式系统软件平台。最后在嵌入式系统软件平台进行了生物特 征图像的采集与显示应用程序设计和摄像头切换程序设计。 最后在所建立的嵌入式生物特征识别系统上做了相关的实验，实验结果 表明该系统架构设计可行。本文建立起了一个相对通用的嵌入式多模态生物 特征识别系统平台，为后期针对特定生物特征识别系统的研究打下了良好的 基础。 关键词：多模态：嵌入式系统：a r m l i n u x ；生物特征识别 7 0 a b s t r a c t a sm ei n f o r m a t i o na g ec o m e s ，i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nb i o m e t r i e i s i n c r e a s i n g l ys h o w i n gi t sv a l u e b i o m e t r i c su s e st h em a i np h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so rb e h a v i o r a lc h a r a c t e r i s t i c st o d o p e r s o n a li d e n t i f i c a t i o n t r a d i t i o n a lb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m sa r em o s t l ys i n g l e m o d a ls y s t e m ，b u t s i n g l e - m o d a lb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nh a ss o m ei n s u r m o u n t a b l e p r o b l e m s m e a n w h i l e ，b e c a u s et h em a r k e tr e q u e s t s p o r t a b l er e c o g n i t i o ns y s t e m ，t h e e m b e d d e dm u l t i m o d a lb i o m e t r i cr e c o g n i t i o ns y s t e mi sb e g a n t or e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，a r m l i n u xe m b e d d e dm u l t i m o d a lb i o m e t r i c r e c o g n i t i o n s y s t e mi sd e s i g n e d t h es y s t e mc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：a r mc o r ep l a t et a k e s c o n t r o la n dc o m p u t i n gt a s k s ；t h es y s t e me x p a n d e db o a r do fa r m e x p a n d st h e f u n c t i o n sa n dp r o v i d e si n t e r f a c e ；c a m e r al c da n do t h e rp e r i p h e r a l sc o m p l e t e i m a g ea c q u i s i t i o na n dd i s p l a y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r ed e s i g n ，a r ms y s t e md e s i g np r o c e s s ，a n d e x p l a i n st h ed e s i g na n dd e b u g g i n gp r o c e s so fv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e s f o r s o f t w a r ed e s i g n ，c r o s s - c o m p i l e re n v i r o n m e n ti ss e tu p ，t h eu b o o ti sm o d i f i e da n d t r a n s p l a n t e d ，t h ee m b e d d e dl i n u xk e m e la n dt h er o o tf i l es y s t e ma r ec o m p i l e d a n dt r a n s p l a n t e d a tl a s t ，h a r d w a r ed r i v e r sa r e d e s i n g e db a s e do nt h el i n u x s y s t e m m o r e o v e r ，i m a g ea c q u i s i t i o na n dd i s p l a ya p p l i c a t i o np r o g r a ma n dc a m e r a s w i t c hp r o g r a m ma r ed e s i g n e d f i n a l l y ，t h ee m b e d d e ds y s t e mi se s t a b l i s h e dt od oe x p e r i m e n t s w h i c hr e s u i t s h o w st h a tt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g ni sf e a s i b l e t h i sp a p e re s t a b l i s h e da r e l a t i v e l yc o m m o ne m b e d d e dm u l t i m o d a lb i o m e t f i cp l a t f o r m ，w h i c hh a sl a i da g o o df o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho fb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m s k e yw o r d s ：m u l t i - m o d a l ；e m b e d d e d ；a r m - l i n u x ；b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o n ： 9 ：= 哈尔滨t 程火学硕十学位论文 目录 第1 章绪论j 1 1 课题的研究背景1 1 2 课题研究的目的和意义3 1 3 国内外研究现状和发展趋势一4 1 4 本文研究的主要内容和章节安排6 第2 章嵌入式生物特征识别系统的总体设计7 2 1 嵌入式系统概述7 2 1 1 嵌入式系统的定义7 2 1 2 嵌入式系统的特点7 2 2 嵌入式系统的选型8 2 2 1 嵌入式芯片的选型8 2 2 2 嵌入式操作系统的选型9 2 3 嵌入式多模态生物特征识别系统的原理l o 2 4 系统的软硬件平台规划1 3 2 4 1 硬件平台构成13 2 4 2 软件平台构成 ：一1 4 2 5 本章小结1 4 第3 章系统硬件电路设计15 3 1 系统硬件平台总体架构1 5 3 2 系统核心主板电路设计1 5 3 2 1 处理器“1 6 3 2 2s d r a m 17 3 2 3n a n d f l a s h ”l8 3 3 系统扩展板电路设计1 9 3 3 1 电源电路设计1 9 3 3 2 复位电路设计2 1 3 3 3 串口电路设计2 2 9 “ 哈尔滨下稗大学硕十学位论文 3 3 4j t a g 接口电路设计2 2 3 3 5 以太网接口电路设计2 3 3 3 6l c d 接口电路设计2 4 3 3 7 摄像头接口电路设计2 5 3 4 本章小结2 9 第4 章嵌入式l in u x 系统软件平台的设计3 0 4 1 交叉编译环境的建立3 0 4 2 嵌入式l i n u x 系统的b o o t l o a d e r 设计与移植31 4 2 1u b o o t 的简介31 4 2 2u b o o t 目录结构3 2 4 2 3u b o o t 的启动流程分析3 3 4 2 4u b o o t 的移植3 5 4 3 嵌入式l i n u x 内核的裁剪和移植3 8 4 3 1l i n u x2 6 内核简介”3 8 4 3 2l i n u x2 6 2 4 内核的配置3 9 4 3 3 内核的编译与下载4 3 4 4 根文件系统移植4 4 4 4 1 文件系统简介4 4 。 4 4 。2 根文件系统的建立和移植4 6 4 5 本章小结4 8 第5 章图像采集与显示的软件设计4 9 5 1 嵌入式l i n u x 驱动的概念4 9 5 1 1l i n u x 的设备驱动程序结构4 9 5 1 2l i n u x 对中断的处理5 2 5 1 3l i n u x 驱动加载方式5 3 5 2 图像采集5 3 5 2 1o v 7 6 2 0 摄像头驱动程序5 4 5 2 2 多路图像采集程序设计5 6 5 3 图像的显示5 9 5 4 本章小结6 0 尹 k h 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 在2 1 世纪中，随着我们逐渐边入数字时代，基于生物特征的身份鉴定技 术愈加显示出它的价值。以美国为例，基于这项技术的产业规模已经达到数 十亿美元。在美国，每年约有上亿美元的福利款被人以假冒的身份领取，每 年约有价值四亿五千万美元的信用卡诈骗案发生；利用可靠的方法鉴别a t m 持卡人的身份，可以使全美国每年a t m 诈骗案造成的损失减少3 亿美元；据 美国移民局统计，如果在美国与墨西哥边境采用快速准确的身份鉴别系统， 每天可查出3 0 0 0 件非法入境案件，因此，生物识别的可靠性以及有效地鉴定 个人的身份有着重大的社会和经济意义1 。 生物识别技术是指通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学 原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性，( 如指纹、人脸、 静脉等) 和行为特征( 如笔迹、步念等) 来进行个人身份的鉴定b 1 。 生物特征涵义很广，大致上可分为生理特征和行为特征两类。生理特征 包括：指纹、掌型、视网膜、虹膜、脸型等；行为特征则包括：签名、行走 步态等。在这么多生物特征中，由于人的指纹、掌纹、脸相、步态、静脉等 等生物特征都具有普遍、惟一、可测和稳定的特征，而被广泛运用于生物识 别，这里仅对主要生物特征相关技术的原理、应用、优缺点作简要分析p 4 耶l 。 指纹识别，由于其具有终身不变性、唯一性和方便性，已几乎成为生物 特征识别的代名词。指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹 线。纹线有规律的排列形成不同的纹型，纹线的起点、终点、结合点和分叉 点，称为指纹的细节特征点。指纹识别即指通过比较不同指纹的细节特征点 来进行鉴别。由于每个手指的指纹具有明显区别，因此指纹可用于身份鉴定。 扫描指纹的速度很快，使用方便：读取指纹时，用户需将手指与指纹采集装 置接触，与指纹采集装置直接接触是读取人体生物特征最可靠的方法；指纹 采集装置可以更n d , 型化，并且价格会更加的低廉。指纹验证的缺点是某些 人或某些群体的指纹指纹特征少，难成像：现在的指纹鉴别技术都可以不存 储任何含有指纹图像的数据，而只是存储从指纹中得到的加密的指纹特征数 口- i c 哈尔滨r 挥大学硕十学何论文 i i ii i i 据；但是指纹痕迹容易被收集，从而能被复制伪造p 。 人脸识别，特指利用分析比较人脸视觉特征信息进行身份鉴别的计算机 技术。人脸识别的优势在于其自然性和不被被测个体察觉的特点。所谓自然 性，是指该识别方式同人类进行个体识别时所利用的生物特征相同。例如人 脸识别，人类也是通过观察比较人脸区分和确认身份的；不被察觉的特点对 于一种识别方法也很重要，这会使该识别方法不令人反感，并且因为不容易 引起人的注意而不容易被欺骗。虽然人脸识别有很多其他识别无法比拟的优 点，但是它本身也存在许多困难。人脸识别的困难主要是人脸作为生物特征 的特点所带来的。人脸在视觉上的特点是：第一，不同个体之间的区别不大， 所有的人脸的结构都相似，甚至人脸器官的结构外形都很相似。这样的特点 对于利用人脸进行定位是有利的，但是对于利用人脸区分人类个体是不利 的：第二，人脸的外形很不稳定，人可以通过脸部的变化产生很多表情，而 在不同观察角度，人脸的视觉图像也相差很大，另外，人脸识别还受光照条 件、人脸的很多遮盖物、年龄等多方面因素的影响。 签名识别，签名作为身份认证的手段已经用了几百年了，而且我们都很 熟悉在银行的格式表单中签名来确认身份。将签名数字化是这样一个过程： 测量图像本身以及整个签名的动作，在每个字母以及字母之间的不同的速 度、顺序和压力。签名识别的优点：易被大众接受，是一种公认的身份识别 的技术。签名识别的缺点：随着经验的增长、性情的变化与生活方式的改变， 签名也会改变：在网上使用不便：用于签名的手写板结构复杂且价格昂贵p 1 。 静脉识别是生物识别领域最新技术之一。静脉和指纹一样具有个体独特 性因此可利用这些静脉图像识别不同的个体。此外，由于静脉血管是存在 于人体内，而静脉识别模块只识别在人体内静脉中流动的脱氧血色素图纹， 因此，试图仿制一个特定个体的静脉图纹是非常困难的因而静脉识别技术 具有很高的安全性能吩。与其他生物验证技术相比，静脉验证的优点如下： ( 1 ) 由于手掌静脉位于体表之下，难于进行伪造，表现更为安全、稳 定，手掌静脉受温度和其它外部冲击的影响也较小，从而具有高验证准确度； ( 2 ) 静脉纹络较复杂，可以提供足够的特征信息识别精度高。静脉纹 络特征点和采集设备的精度有关，高精度设备可以获得更丰富的细节特征； ( 3 ) 用户接受度好。除了无需与扫描器表面发生直接接触以外，这种 “ 哈尔滨1 _ 程大学硕+ 学何论文 非侵入性的扫描过程既简单又自然，减轻了用户可能存在的抗拒心理。 图1 1 即为被用于生物生物特征识别的各种生物特征j 。 一幽一 ( e ) ( i )( j )( k ) 图1 1 被用于生物生物特征识别的各种生物特征：( a ) 指纹：( b ) 掌形； ( c ) 虹膜；( d ) 人脸；( e ) 视网膜；( f ) 掌纹；( g ) 声音；( h ) 步态； ( i ) 签名；( i ) 击键方式；( k ) 静脉 由于各种生物特征的识别方式都有其一定的适用范围和要求，单一的生 物特征识别系统在实际应用中显现出各自的局限性，如有些人的指纹无法提 取特征，患白内障的人虹膜会发生变化等等，统计显示迄今为止，还没有一 个单生物特征能达到完美无错的要求。目前，生物特征识别领域又出现了一 种新的方向，即多种生物特征识别技术结合使用。 1 2 课题研究的目的和意义 由于基于单模态的生物识别系统存在着问题，例如传感器噪声、缺乏普 氏 哈尔滨一f ：稗火学硕十学何论文 遍性、单一性不强、特征的描述缺乏恒定性、易被窃取等各种问题，丌始了 对多模态生物特征识别系统的研究。本课题的提出是由于本教研室的各种生 物特征的识别算法已经日趋成熟及随着嵌入式技术的快速发展市场对嵌入 式生物特征识别系统的需求。 本课题研究的主要目的是基于a r m 开发出一个相对通用的嵌入式生物 特征识别平台，可以在此平台加上各种图像采集装置和并能移植进对应的识 别算法以便实现一个的多模态生物特征识别设备。 此嵌入式多模态生物特征识别系统以较为成熟的指纹识别和静脉识别 技术为基础，具有相对通用的生物特征识别功能、并具有系统升级能力和系 统扩展功能。这种嵌入式多模态生物特征识别具有很强的单一性、受传感器 噪声影响小、特征描述具有恒定性以及体积小和移动方便等特点。 1 3 国内外研究现状和发展趋势 在国内，我国有着一批以哈尔滨工程大学、清华大学等为代表的研究机 构和高校。这些科研院所主要从事基础理论的研究。我国核心技术的基础研 究尤其是核心算法的研究，在国际上是一流水平，某些方面甚至是国际先进 水平。但是，而我国生物识别产业在配套应用技术以及产业化应用方面与国 外相比还有很大差距。目前，虽然国内生物识别市场需求有所增加，但产品 的应用还主要集中在门禁与考勤领域。生物识别市场的应用领域还有待于进 一步拓宽。从总体上看我国生物识别领域申请专利数量较少，而且申请专利 的技术多为应用性技术。在我国生物识别领域，国内企业所掌握的能够商用 的生物识别核心技术非常少。部分原因是与此相关的光学、电子、通信、半 导体集成制造行业大部分为国外企业所垄断，国内进行此方面的基础研究较 少，相关配套技术研究较少。先进的理论缺少合适的平台和载体，造成叫好 不叫座局面，成为我国生物特征识别技术市场的瓶颈。 而在国外，生物特征识别技术从民间到政府、从消费领域到安防监控都 获得了广泛的应用。美国警方使用的手持式指纹设备i b i s ，这种设备嵌入了 无线技术，使警方可以随时随地取指纹，并与相应数据库信息进行比对，将 嫌疑犯确认时间缩短至3 分钟；新加坡建立了入境自动通关系统，旅客需办 理一张包含有其指纹信息的通行卡，到达自动通道时，由系统核对持卡人指 4 ， - 一 哈尔滨丁稗大学硕十学何论文 纹是否与其通行卡信息一致，确认之后自动开门，整个过程只需8 至1 2 秒； 日本的静脉识别技术在本国银行业已较为普及，为此日本银行联合会已经确 定技术应用标准，提高使用效率。生物特征识别技术越来越备受世界的重视， 各国都将生物特征识别作为关系国家安全的关键技术加以发展嘲。 多模态生物特征识别作为身份鉴别领域发展的趋势也有了应用，例如德 国知名的法兰富尔协会研发了一种多模态生物特征识别系统，d c s a g 公司采 用此专利开发了身份识别系统b i o l d ，此系统利用的数字摄像头，将人的面貌、 声音以及嘴唇运动3 种生物特征相结合，在一秒钟内快速完成识别；台北市 民政指纹便民系统，整合了指纹、脸型两种识别技术，取得了较好的效果。 据国际生物集团在2 0 0 7 年生物特征验证技术市场的分析报告，得出指纹 识别占全部市场的2 5 3 ，如果算上a f i s ( a u t o m a t i cf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e m ) 合并起来约占全部生物识别市场的5 8 9 ，而在0 4 年这个数字仅为 4 8 。目前，生物特征识别技术已经开始向着多模态的方向发展。根据报告， 静脉识别和多模态生物特征融合技术也已分别占整个市场的3 和2 9 规模， 而在0 4 年这两项还未被列入。由此，指纹识别技术、静脉识别技术和多模态 生物特征识别技术的发展前景广阔。如图1 2 所示。 图1 22 0 0 7 年生物验证技术市场的分析报告 哈尔滨 _ 稃大号? 硕十学佗论文 1 4 本文研究的主要内容和章节安排 本文主要研究内容为基于a r m 的嵌入式多模态生物特征识别系统的应 用研究及硬件实现，并着重研究了基于a r m l i n u x 的嵌入式多模念生物特征 识别系统的总体结构设计、硬件构成、驱动软件等方面的内容。本课题的主 要研究任务是开发一个相对通用的嵌入式多模态生物特征识别平台，在这个 平台上，可以加上多路的图像采集装置并移植相应的识别算法以便实现一个 的多模态生物特征识别装置。 全文由6 个章节组成，章节安排如下： 第1 章：绪论部分，总体阐述了生物识别技术发展趋势和多模态生物特征 识别的国内外发展现状及本课题研究的目的与意义。 第2 章：介绍了嵌入式生物特征识别系统的总体设计方案。阐述了嵌入式 系统的定义与特点，并结合研究课题给出了嵌入式芯片和嵌入式操作系统的 选择过程。本文选择了基于a r m l i n u x 进行开发。最后给出了嵌入式多模态 生物特征识别系统的软硬件规划。 第3 章：本章主要是阐述系统硬件电路的设计过程，所设计的系统分为系 统核心主板和系统扩展板两部分，并分别给出了每个功能模块的设计过程。 最后建立了生物特征识别系统的嵌入式硬件平台。 第4 章：本章主要是基于前面所建立的硬件电路i 在其上移植建立软件开 发平台。其中首先建立了交叉编译开发环境，给出了嵌入式系统b o o t l o a d e r 的开发和移植过程，再进行了嵌入式l i n u x 内核的裁剪和移植，以及根文件系 统的建立与移植。就这样建立起了嵌入式软件开发平台。 第5 章：本章主要进行了图像采集与显示的软件设计，其中阐述了摄像头 驱动与l c d 驱动的开发过程，并进行了多路图像采集与在l c d 上显示的软件 程序设计。 第6 章：进行了系统的调试，并结合实验进行了系统分析。 6 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 第2 章嵌入式生物特征识别系统的总体设计 2 1 嵌入式系统概述 在现在日益信息化的社会中，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的 每个角落。对于我们每个人，需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档， 进行工作管理和生产控制的计算机：各种各样的嵌入式系统设备在应用数量 上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人可能拥有各种使用嵌入式技术 的电子产品，小到m p 3 ，p d a 等微型数字化产品，大到智能家电，车载电子 设备。而在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工 业机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。而在生物识别领域，随着应 用市场的不断拓宽和传感器在尺寸、成本以及准确度等各技术方面的进展， 促进了嵌入式生物识别产品的发展们。 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算 机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应 。用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理 器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括 操作系统软件和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系 统控制着应用程序编程与硬件的交互作用1 。 2 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统与通用的计算机系统相比具有如下特点【幢1 ： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，其c p u 与通用型的最大不同是 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由 板卡完成的任务集成在芯片内部，从而使嵌入式系统设计趋于小型化，增强 移动能力网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个 7 k 哈尔滨工程大学硕十学位论文 行业的具体应用相结合后的产物。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗 余，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具 体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化 在存储器芯片或单片机本身中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备开发能力，即使设计完成以后用户通常也不 能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 2 嵌入式系统的选型 2 2 1 嵌入式芯片的选型 嵌入式系统的核心是处理器，传统嵌入式处理器根据应用可分为两大类： 一是以单片机为主的微处理器，这一类芯片的产品有8 1 6 位的单片机，女n i n t e l 的8 0 c 5 1 等，单片机具有体积小，指令系统简单，抗干扰能力强，成本低廉， 控制能力强等特点。二是注重数字化后的各种快速算法的数字信号处理器 d s p ，d s p 作为高速的数字信号处理器主要的应用在声音、图像等需要大量 的数据计算的领域，有着功耗小、运算速度快、吞吐量大的特点。 近年来，随着微电子技术、计算机技术、通信以及网络技术的发展，嵌 入式技术渗透到各个领域。由于被嵌入对象的复杂程度变化很大，对嵌入式 系统本身在性能、体系结构等方面要求多样化，导致了嵌入式系统及其应用 的多样性。作为嵌入式系统核心的嵌入式微处理器必须应对嵌入式应用面临 的挑战，而a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式微处理器，以其完整的体 系结构发展系列，极小的体积、极低的功耗、极低的成本、极高的性能，及 时根据嵌入的对象的不同进行功能上的扩展的优势，在众多种类的嵌入式微 处理器中脱颖而出。a r m 的设计实现了非常小但高性能的结构。a r m 处理器 的结构简单使得其内核十分的小，因此器件的功耗非常低”钔。 首个被设计的a r m 处理器芯片采用的加载存储体系结构是典型的精简 指令集计算机( r i s c ) 结构。a r m 体系结构继承了r i s c 结构中的加载存储 体系结构、固定长3 2 位指令和三地址指令格式。a r m 处理器大量使用寄存器， 8 哈尔滨i ：群人导? 硕十学何论文 指令执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器完成5 1 。a r m 具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，很好兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度快； ( 4 ) 大部分数据操作均在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式简单灵活，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定： 因此本系统采用a r m 微处理器。 2 2 2 嵌入式操作系统的选型 随着嵌入式技术的发展，系统需要管理的资源越来越多，若仅靠一个主 程序来管理这些资源，其软件开发的复杂度是相当大的，效率也是非常低的， 因此很有必要在嵌入式系统中引入操作系统。嵌入式操作系统是在嵌入式系 统中运行的一种系统软件，它能有效合理的组织和管理系统的软硬件资源， 合理的控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使整个系统变得高效。 与普通l i n u x 系统不同，嵌入式l i n u x 受嵌入式硬件平台存储资源和功耗的限 制，开发时需要对其进行裁减，剔除内核中与平台无关的代码，减少无用的 动态链接库，修改进程调度和定时器调度算法，以适应实时性要求酊。 嵌入式l i n u x 系统的空间一般可分为内核空间和用户空间。其中，内核空 间包含操作系统内核，为用户空间提供一个虚拟的硬件平台，以统一方式访 问资源，并支持多任务：用户空间为用户提供标准的函数库和应用程序。 由于l i n u x 的源码丌放，内核精简且性能强悍，适用于多种硬件平台，因 此目前的嵌入式市场中l i n u x 被广泛的应用于多种设备中。特别是和a r m 嵌 入式微处理器相结合，使得l i n u x 得到了更广泛的应用。由于在目前的主流嵌 入式a r m 中大多不具有m m u ，因此只用1 m 左右的内核就能实现网络功能和 任务调度的l i n u x 系统就可以适用于从高端服务器到嵌入式应用的各级平台。 典型的l i n u x 系统经过打包，在拥有硬盘和大容量内存的p c 机上运行， 嵌入式系统不需要这么高的配置。一个带有中文系统及图形化界面的核心程 序也可以做到不足1 m b ，而且同样稳定。而l i n u x 微内核只占用其中很小一部 分内存，包括虚拟内存和所有核心的操作系统功能在内，只需占用系统约 9 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 1 0 0 k 内存。只要有5 0 0 k 的内存，一个有网络栈和基本实用程序的完全的l i n u x 系统就可以在一台8 位总线i 拘i n t e l 3 8 6 微处理器上很好的运行m 1 。 l i n u x 操作系统本身的微内核体系结构相当简单。网络和文件系统以模块 形式置于微内核的上层。驱动程序和其它部件可在运行时作为可加载模块编 译到或者是添加到内核。这为构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的构 件方法。嵌入式系统也常常要求通用的功能，这些功能的实现运用了许多现 成的程序和驱动程序，它们可以用于公共外设和应用。l i n u x 可以在外设范围 广泛的多数微处理器上运行，并早已经有了现成的应用库。 嵌入式l i n u x 由于代码开放性以及强大的网络功能，在中低端的嵌入式网 络设备中的应用有许多优势。 ( 1 ) 广泛的硬件支持。l i n u x 能够支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 等多 种体系结构的处理器。 、 ( 2 ) 内核高效稳定。l i n u x 的内核设计非常精巧，分成进程调度、内存 管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口五大部分，其独特的模块机制 可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入内核或从内核中移走。 ( 3 ) 开放源码，软件丰富。l i n u x 是丌放源代码的自由操作系统，它为 用户提供了最大限度的自由度。l i n u x 的软件资源十分丰富，每一种通用程序 在l i n u x 上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。 ( 4 ) 优秀的开发工具。使用嵌入式l i n u x ，一旦软硬件能够支持正常的 串1 ：3 功能时，即使不用在线仿真器也可以很好地进行开发和调试工作。 ( 5 ) 完善的网络通信和文件管理机制。l i n u x 至诞生之日起就与i n i m e t 密不可分，支持所有标准的i n t e m e t 网络协议，并且很容易移植到嵌入式系统 当中。 此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t i 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统，这些都为开发 嵌入式系统应用打下了很好的基础。 因此本系统采用嵌入式l i n u x 操作系统。 2 3 嵌入式多模态生物特征识别系统的原理 嵌入式多模态生物特征识别系统以应用为中心，基于嵌入式a r m l i n u x 系统进行构建。嵌入式系统一般由硬件平台和软件平台两部分组成。其中硬 l o 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 _ i i 暑；高i i 暑皇i i ；i i 暑昌暑暑；i i i 宣i1 i 叠宣暑宣宣 件平台由嵌入式微处理器和外围硬件设备组成，而软件平台由嵌入式操作系 统和应用软件组成。嵌入式系统一般采用采用模块化的结构设计思想，将设 备分为核心模块和各个功能模块。核心模块和各功能模块之间有统一的或者 特定的接口形式，用户可根据不同的需要选用不同的功能模块，各种类型的 数据可以同时传输而不相互干扰，同时也可根据市场的需求继续扩展其它功 能模块。而嵌入式l i n u x 操作系统为底层硬件提供驱动支持、内存管理、中断 管理以及图像处理任务管理等，系统启动后首先通过引导程序启动操作系统 完成硬件的初始化，然后通过操作系统提供的任务管理模块建立图像采集任 务，分配内存、将图像采集模块采集到的图像信息存储在存储器的视频缓冲 区中，再通过软件算法将显示缓冲区的图像信息写入l c d 缓冲区中，完成对 图像的实时显示，最后通过数字图像处理算法将缓冲区的指定图像进行编码、 存储及数字图像处理功能引。 多模态生物特征识别系统主要由硬件平台、嵌入式操作系统、生物特征 图像处理算法三个部分组成。硬件部分以a r m 核的嵌入式处理器为核心并扩 展了大容量s d g a m 存储器，系统通过多路图像采集模块实时采集生物特征图 像，在采集图像的同时使用数据传输模块和图像显示模块来实现图像的显示， 并以大容量的f l a s h 存储器作为生物特征图像的存储设备，s d r a m 芯片作 为系统内存及显示缓冲、并扩展了液晶显示器作为显示设备。系统驱动和应 用软件部分负责屏蔽系统设备驱动，并提供系统识别算法的透明接口。如果 加上识别算法所得出的结果并显示出来，就可以构成一套完整的多模态生物 特征识别系统。 多模态生物特征识别系统的构成与原理如图2 1 所示。 哈尔滨工稗大学硕+ 学何论文 图2 1 嵌入式生物特征识别系统的构成 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 4 系统的软硬件平台规划 2 4 1 硬件平台构成 ， 硬件平台采用核心主板加扩展板的设计方式，基于a r m 微处理器芯片的 核心主板，能将a r m 的所有的i o 全部引出，在核心主板上面只提供最基本 的接口；而对于一些特殊用途的u s b 接口、以太网接口、摄像头接口、显示 屏接口、按键等，以扩展板的形式提供。图2 2 为嵌入式多模态生物特征识别 系统的硬件框图，各部分作用介绍如下： ( 1 ) a r m 核心主板主要负责控制部分，其硬件体系部分结构灵活、接 口丰富。它包括a r mc p u 以及必需的s d r a m 和f l a s h 存储器等器件，通过表 贴封装的双排插针将各信号线及控制线引出。 ( 2 ) 系统扩展板，它支撑整个系统能够运行。包括数据传输模块、l c d 接口、串行e e p r o m 、复位电路、电源输入输出电路，摄像头接口等，这些 设计的接口用于连接各种外围的设备。 ( 3 ) 两个c m o s 摄像头( 下图多个摄像头为扩展) 接在扩展板的摄像头接 口上，分别用来获取生物特征图像，供识别算法进行图像分析。 ( 4 ) 光源控制电路、l c d 显示器、键盘、及其他的外围设备均接在扩展 板上。 图2 2 嵌入式多模态生物特征识别系统结构框图 进一个嵌入式图形用户界面，最后移植进生物识别算法，在p c 机上调试的 算法程序只有移植到l i n u x 和相应的g u i 体系下才能运行。 这样经过以上步骤就能建立起嵌入式软件平台。 2 5 本章小结 本章首先简略介绍了嵌入式系统的涵义及特点，并阐述了a r m 和嵌入式 l i n u x 系统的基本概念和特点，和为何基于a r m l i n u x 来设计嵌入式多模态生 物特征识别系统。最后，本章还阐述了嵌入式多模态生物特征识别系统的系 统架构与基本工作原理，同时给出了系统的软硬件规划，给出了硬件平台和 软件平台的组成和建立步骤。 哈尔滨 ：程大学硕十学位论文 第3 章系统硬件电路设计 3 1 系统硬件平台总体架构 本系统的主要工作是完成多路生物特征图像的采集和显示，并移植相关 的生物特征识别算法，以搭建一个嵌入式多模态生物特征识别系统，基于此 系统硬件电路的设计分为两部分，第一部分是系统核心主板的电路设计，其 包括c p u 和n a n d f l 嬲h 以及s d r a m ；第二部分是系统扩展板的电路设计， 其包括电源电路、复位电路、l c d 接