（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的指纹识别系统的设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 指纹具有唯一性和稳定性，因此广泛的被人们用来当作鉴别个人身份的主要依据。 自动指纹识别系统( a f i s ) 是基于计算机或高性能m c u 来进行指纹识别的技术，具有 方便、高效、安全、可靠等优点。在金融安全、数据加密、电子商务等各个领域都得到 了广泛的应用，并将在我们的生产和生活中发挥越来越重要的作用。 本文的内容正是关于自动指纹识别系统的研究与设计。按照设计流程，系统主要包 括以下三大部分：指纹图像采集部分、指纹图像处理部分( 包括预处理、特征提取及特 征匹配) 、指纹数据传输部分。在设计工作中，根据系统的实现要求及目前最新的技术 发展情况，并综合考虑成本与性能等因素，确定了以公司的数字信号处理器 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和a l t e r a 公司的复杂可编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 为核心的系统 组成方案。在此基础上展开的主要工作有：( 1 ) 使用f u j i t s u 公司的固态指纹传感芯 片m b f 2 0 0 完成了指纹图像的采集； ( 2 ) 完成了基于v c 5 4 x 系列d s pc 语言的系统 初始化程序、指纹采集程序、数据传输程序的编写以及指纹识别程序的修改与优化，并 面向系统进行了软件调试； ( 3 ) 使用m a x i m 公司的异步串行收发芯片m a x 3 1 1 1 e 解 决了计算机与目标系统之间的数据通信问题；( 4 ) 使用s s t 公司的闪烁存储器 s s t 3 9 v f 4 0 0 a 存放程序代码，运用“b o o tl o a d e r ”功能实现了目标系统的脱机运行。 本文首先描述了系统设计的整体思路，然后分章节讲解了各个模块设计中的技术细 节，最后列举了一些在系统调试过程中遇到的问题和相应的解决方法，并为系统进一步 优化提出了建议。实验证明本系统设计比较合理、方案可行性高、有较强的实用价值与 广阔的应用前景，并对采用d s p 为核心来构建嵌入式处理系统的方案提供了一些有价 值的参考。 关键词：指纹识别系统，图像处理，d s p ，c p l d 沈阳j ：业大学硕士学位论文 t h ed e s i g no ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e mb a s eo nd s p a b s t r a c t d u et ot h e i ru n i q u e n e s sa n ds t a b i l i t y , f i n g e r p r i n t sa r eu s e da sm a i nb a s i so fp e r s o n a l i d e n t i t y a f i s ( a u t o m a t e df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) ，at e c h n o l o g yo ff i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nu s i n gc o m p u t e ro rh i g h - p o w e r e dm c u ，i so fc o n v e n i e n c e ，h i g he f f i c i e n c y , s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y i th a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha sf i n a n c i a ls e c u r i t y , d a t a e n c r y p t i o n ，e l e c t r o n i cb u s i n e s se t ca n dw i l lp l a yam o r ea n dm o r e 妇驴n a mr o l ei no u rl i f e t h i sp a p e ri sa b o u tt h es t u d ya n d d e s i g no f a f i s a c c o r d i n gt 0t h ep l o c e s so f d e s i g n , t h e s y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ec o m p o n e n t s ：( 1 ) t h ec o l l e c t i o no f f i n g e r p r i u t ；( 2 ) t h ep r o c e s s 吨 o f f m g e r p r i n ii m a g ei n c l u d i n gp r e - p r o c e s s i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i o na n dm a t c h i n go f f i n g e r p r i n t s ； ( 3 ) t h et r a n s m i s s i o no f d a t a t om e e tt h en e e d so f m o d e mt e c h n i q u ea n ds y s t e mr e a l i z a t i o n , t h es t r u c t u r eo f t h es y s t e m i sd e s i g n e dp r o p e r l ya n dt h ed e v i c e si nt h es y s t e ma r es e l e c t e dc a r e f u l l y m o r eo v e r , b o t ht h e c o s ta n dt h e 印蜘a r ea l s oc o n s i d e r e d t h em a i nh a r d w f l l o ft h es y s t e mc o n s i s t so fd s p ( d a t as i 舯1p r o c e s s o r ) t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2o f t ia n dc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) e p m 7 1 2 8 s l c 8 4o f a l t e r a b a s eo l lt h ea b o v eh a r d w a r e ，t h i ss y s t e ma c h i e v e sf o u r m a i nf u n c t i o n sa sf o l l o w i n g ：( 1 ) 群曲髓j n gf 】n g e r p r i n ti m a g eb ys o u df i n g e r p r i n ts e n s o r m b f 2 0 0o f f u j i t s u ；( 2 ) c o m # n gi n i t i a l i z a t i o np r o g r a m , 缸n g e r p r j mg m h e r i n gp r o g r a m , d a t a 咖s m i 【t i l 唱p r o g r a mw i t hv c 5 4 xd s p cl a n g u a g e ；r e e o r r 驴s i n ga n do p 吒i d l i z i f l gf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o np r o g r a ma n dd e b u g g 矗培a l ls o f t w a r e ；( 3 ) u s i n gu a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e rt r a n s m i t t e r ) m a x 3111 eo f m a x i mr e a l i z e sa s y m h r o n o u s l ys e r i a ld a t at r a n s m i s s i o n b e t w e e nc o m p u t e ra n de m b e d d e ds y s t e m ；( 4 ) u s i n gf l a s hs s t 3 9 v f 4 0 0 ao fs s ts t o r e s p r o g r a m c o d e sa n d 曲p k 釉蛐。舢s y s t e mb y b o o tl o a d e r m e t h o d i n t e g r a ln o t i o no f s y s t e md e s i g ni sb r o u g h to u t 址t h eb e g i i l n i n go f t h e 徉i p c r a f h 荆a r d d e t a i lt e c h n i c a li n f o r m a t i o no fm o d u l ed e s i g ni sm r r a t e di ne a c hc h a p t e r a tl a s t ，s o m e p r o b l e m se n c o u n t e r e di ns y s t e md e b u g g i n ga n dm e t h o dh o w t os o l v et h e ma f eb r o u g h to u t a n d s o i t 砖s u g g e s t i o n sf o rs y s t e mo p t i m i z a t i o na r ea l s op r o v i d e d t h es t u d i e sp r o v et h i se m b e d d e d 一2 - 沈阳工业大学硕十学位论文 s y s t e mi sr e a s o n a b l e ，a n dh a st h ea d v a n t a g e so f e a s yo p e r a t i o n , h i g hs p e e d a n dl o wc o s t t h i s p a p e rp r o v i d e ss o m ev a l u a b l er e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g no f p r o c e s s i n g s y s t e mb a s e do nd s p k e yw o r c l b ：f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，i m a g ep r o c e s s i n g , d s p ，c p l d 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：阪1 奄日期： 、。9 ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 敞1 窖导师签名：幽日期： 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 生物识别技术简介 长期以来，在人类社会活动中需要验证个人身份时，传统的方法是验证该人是否持 有有效的证明文件或信物，如照片、密码、磁卡等。从本质上来说，这种方法验证的是 该人所持有的某种“物”，而不是验证其本人。只要“物”的有效性得至确认，j i ! 持有 该“物”的人的身份也就随之得到确认。这种以“物”认人办法的漏洞是显而易见的， 首先：合法的人如果遗失验证其身份的“物”，则合法的人本身得不到合法的验证；其 次：各种伪造证件、信物以及密码被破译或盗用又使非法的人得到合法的验证。受启发 于人的身体特征具有不可复制的特点，人们开始把目光转到生物识别技术上。 生物识别技术是利用人体生物特征进行身份认证的种技术，生物特征是唯的、 可以测量或可自动识别和验证的生理特性或行为方式。生物识别系统对生物特征进行取 样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码，并将这些代码组成特征模板。人们用识别 系统进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数据库中的特征模板进行比对，以确定 是否匹配，从而决定接受或拒绝该人。 用于生物识别的生理特征有虹膜、面容、指纹等，行为特征有签字、声音等。基于 这些特征，人们开发了虹膜识别、面部识别、指纹识别、签名识别、发音识别等多种生 物识别技术。 虹膜识别技术：虹膜是一种在瞳孔内的织物状环状物，每一个虹膜都包含水晶体、 细丝、斑点、凹点、皱纹等特征。由于虹膜的采集多是通过全自动照相机来完成的，所 以其优点是用户无需与设备进行物理上的接触，方便了用户的使用。其缺点是很难将图 像获取设备的尺寸小型化，聚焦所需的摄像头非常昂贵，而且对光源的要求也极高。 面部识别技术：这项技术通过对面部特征和它们之间的关系来进行识别。基于这些 特征的识别是非常复杂的，需要人工智能和机器知识学习系统。面部识别的优点是面部 识别是非接触的，方便实用。其缺点是使用者面部的位置与周围的光环境都可能影响系 统的精确性，并目采集图像的设备要比其它技术昂贵得多。 沈阳：业大学硕士学位论文 指纹识别技术：指纹识别技术己经有很长的历史了，通过分析指纹的局部特征如 脊、谷、终点、分叉点等，可以从中抽取详尽的特征点，从而可靠地确认个人身份。指 纹识别的优点是指纹为人体独一无二的特征，它们的复杂度可以提供用于鉴别的足够特 征。进行指纹识别对，用户只需将手指与采集仪接触即可，使用非常的方便。指纹识别 的缺点是某些人的指纹特征很少难以识别，另外指纹识别是物理接触式的，指纹采集时 的状态对图像的提取有一定的影响。 签名识别技术：签名识别和声音识别一样，是一种行为测定学。它通过测量整个签 名动作中字母与字母之间不同速度、顺序和压力的方式来进行数字化提取。其优点是使 用签名识别更容易被大众接受而且是一种公认的身份识别技术。其缺点是随着年龄的增 长、性情的变化，签名将会发生改变，而且签名也很容易被仿造。 声音识别技术：它通过不断测量、纪录声音波形的变化，将现场采集到的声音同登 记过的声音模板进行匹配来实现身份的认证。其优点是采取非接触的识别技术，用户可 以自然的接受。其缺点是声音会随着音量、速度和音质的变化而影响到采集与比对的结 果，故很难进行精确的匹配。 1 2 指纹识别技术的优点和发展状况 相对于其它身份认证技术，指纹识别是一种更为理想的身份确认技术。指纹识别不 仅具有许多独到的信息安全优点，更重要的是还具有很高的实用性、可行性，具体体现 在以下几个方面： 第一，每个人的指纹都是独一无二的，任何人之间不存在具有相同指纹的情况。 第二，每个人的指纹是相当固定的，不会随着年龄的增长或身体健康程度的变化而 发生变化。 第三，指纹样本便于获取，易于开发识别系统，实用性强。目前已有标准的指纹样 本库，方便了识别系统的软件开发。另外，识别系统中完成指纹采样功能的硬件电路也 相对容易实现。 第四，每个人的十指指纹皆不相同，这样可以方便的利用多个指纹构成多重口令， 从而可以大幅度的提高指纹识别技术的安全性。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 第五，指纹识别中使用的模板并非是最初的指纹图，而是由指纹图中所提取的关键 特征，这就使系统对模板库的存储容量要求较小。另外，对输入的指纹图提取关键特征 后，可以大大减少网络传输的负担，适应计算机的网络功能，便于实现异地确认。 鉴于指纹识别技术的上述优点，目前世界各国都在争先研究和开发实用指纹洪别系 统。据报到：7 0 年代末加拿大警方首次应用激光进行指纹检验；日本n e c 在1 9 8 2 年 首次向警方提供自动指纹识别系统；比利时刑事鉴定局在1 9 9 0 年开始使用a f i s ；在英 国政府的重要部门中，指纹识别仪作为重要的身份认证设备已被广泛的采用；在美国， 除军事设施外五角大楼、政府实验室、银行、监狱和商业部门也广泛使用了自动指纹识 别系统。目前世界上约有3 0 家公司专门从事指纹识别系统的研发工作。进入9 0 年代中 期，我国指纹识别系统的应用发展迅速。北京大学与上海、珠海公安局合作建立的大容 量指纹自动识别系统，在1 9 9 5 年破案超过1 2 0 起，该系统已被国内近1 0 个城市的公安 部门选用。深圳深安计算机集成制造技术有限公司推出的指纹密码识另系统可对指纹、 手指三维、手指血管造影同对控制。清华大学自动化系在1 9 9 6 年也推出了指纹身份验 证系统。到2 0 0 3 年初，国内指纹行业生产商、经销商及集成商合计超过8 0 家。如中国 科学院自动化研究所、北大高科、深安，杭州中正等。 但是必须指出的是，指纹识别目前在国内乃至世界上仍未普及的主要原因是： ( 1 ) 系统运行速度比较慢：目前一般系统从指纹输入到辨别结果产生的时间需要2 秒甚至更长，这已经成为指纹识别系统推广的瓶颈。因此如何简化系统设计，并且在不 影响系统识别效果的基础上简化指纹识别的软件程序，便成为指纹识别系统设计的难 点。 ( 2 ) 价格偏高：目前广泛应用在公安、银行和机场的大型指纹识别系统价格很 高，多辄几十万元，少辄十几万元，这是阻碍指纹识别系统向民用化推广的重要因素之 一o ( 3 ) 性能较差：目前指纹识别系统所能达到的拒识率( f r r ) 和误识率( f a r ) 的指标过高。一般市场上指纹系统的f 砒3 ，f a r i o 。 3 沈l ；目工业大学硕士学位论文 1 3 课题提出的意义与应用前景 近些年来，蓬勃发展的互联网业务给人们带来了巨大的方便与利益，但也产牛了很 多的问题，尤其是在信息安全方面。无论是团体或者个人，都害怕在四通八达的网络上 发生有损权益或隐私的事情。由于指纹特征可以在计算机网络卜进行传输和验证，因此 可以利用指纹识别技术，限定只有指定的人才能访问相关信息，从而大幅度的提高网上 信息的安全性。这样，包括网上银行、网上贸易、电子商务等一系列的网络商业行为， 就都有了安全性的保障。 在医院里，指纹识别技术可以验证病人身份，确定血液类型、既往病史等。指纹识 别技术也有助于证实寻求公共救援、医疗及其它政府福利以及确认保险金领取者的身份 等。在这些应用中，指纹识别系统将会取代或者补充以往大多使用照片或i d 的系统。 指纹识别技术将在各种移动终端中得到越来越广泛的应用。例如手机开机时，可以 要求用户进行一个指纹的认证过程，如果通过认证则授权使用手机的各项功能，如果不 是授权用户，手机便进入锁住功能。如果连续几次认证都无法通过，则手机会自动删除 存储器中的关键信息然后关机，以保护手机所有者的利益与个人隐私。 指纹识别设备还将是整体解决方案中不可或缺的环节。例如驾驶者进入汽车时，将 手指置于传感器上。启动识别过程。电脑将检测到的指纹特征与存储的模板进行比较， 并建立一个与驾驶者楣符的相关设置。当指纹匹配成功时，汽车便按已编程设定的内部 参数来控制后视镜、汽车座椅、g p s 以及车内空气环境等。此外，它还可以控制驾驶速 度，如果驾驶者为青少年时，则限制汽车的行驶速度，以保证驾驶者生命财产的安全。 总之，随着越来越多的指纹识别产品的开发与生产，指纹识别技术的应用已不在局 限于公安、金融、证券、保险等领域。它已经开始进入民用市场并且发展迅猛，这一技 术的普及已经指日可待了。 1 4 论文的主要内容和章节安排 本论文介绍了指纹识剐系统的相关技术与应用，在综合了国内外先进指纹识别系统 的基础上，自主开发了一套基于d s p 的脱机指纹识别系统，并进行了其硬件体系和应 用软件的设计。 4 沈阳：业大学硕l 学位论文 论文共分为十章，各主要章节安排如下： ( 1 ) 指纹图像获取部分的设科( 第i 章) ； ( 2 ) d s p 处理部分的设计( 第四章) ； ( 3 ) 系统时序的设置与b o o tl o a d e r 设计( 第五章) ； ( 4 ) 全局逻辑控制电路综合设计( 第六章) ； ( 5 ) 系统与p c 通讯接e j 的设计( 第七章) ； ( 6 ) 系统应用程序的设计( 第八章) ： ( 7 ) 印刷电路板设计及系统调试( 第九章) 。 1 5 课题所要达到的指标 本课题所要达到的指标为： ( 1 ) 对指纹采集芯片进行设置从中获取大小为1 2 8 1 2 8 的2 5 6 级灰度图像。 ( 2 ) 调用指纹识别程序对采集的指纹进行识别，并用l e d 显示处理结果。 ( 3 ) 使用f l a s h 存放程序代码，运用“b o o tl o a d e r ”功能实现系统的脱机运行。 ( 4 ) 实现目标板与计算机之间的串行通信功能，为联机系统提供数据通信接口。 一5 沈阳i _ = 业大学硕 j 学位论文 2 系统总体设计方案 从工作方式角度而言，自动指纹识别系统可以分成两类：一类是用专l _ j 的硬件设备 来采集指纹图像，然后将采集到的图像传送给上位机，通过上位机强大的运算能力和海 量的指纹特征库，来实现指纹的识别。典型的应用是在银行储蓄系统和公安机关案例分 析中。另一类是将指纹的采集与识别在一个脱机系统中完成，通常这类系统是用d s p 这类具有高速运算能力的器件来构建的。这类系统大多应用在民用系统中如：考勤系 统，指纹门禁等。本系统使用d s p 作为核心器件，一方面是因为d s p 的工作频率、稳 定性和功耗性能等方面要比单片机好的多，由它所搭建的硬件系统更能满足应用的要 求；另一方面当将指纹识别算法嵌入到d s p 中后，就可以实现脱机系统从而应用在更 为广阔的民用系统中。 2 1 系统硬件原理框图 为了降低系统的成本与设计的复杂度，在设计上并没有使用控制密集型的单片机实 现对系统工作流程的控制，而是采用运算密集型的d s p 来完成相关的控制功能。一方 面，这是由于系统中用于进行流程控制的开关量较少；另一方面，是因为现今的d s p 芯片大多都整合了通用i o 口，大幅度的提升了系统的接口性能。从而，使得只使用 个处理器完成系统所有的功能成为可能。系统的硬件原理框图b - a 1 如图2 1 所示。 图2 1 系统的硬件原理框图 6 。 沈阳工业大学硕士学位论文 本系统主要由以下部分构成：指纹图像采集部分、指纹图像识别部分、程序与数据 存储部分、全局逻辑控制部分以及数据通讯部分。 ( 1 ) 指纹图像采集部分：系统利用软件查询方式来判断是否进行指纹的采集，当 进行指纹采集时，指纹传感芯片按照设定的参数采集指纹并将模拟图像转换成数字图 像，然后在d s p 的控制下将数据存储在外部数据空间中，等待进行下一步的处理。 ( 2 ) 指纹图像识别部分：该部分以d s p 和数据存储器为核心，对采集到的指纹图 像进行相应的处理，并控制发光二极管来显示指纹识别的结果。 ( 3 ) 程序与数据存储部分：此部分由f l a s h 、s r a m 和d s p 片内d a r a m 构成。 f l a s h 中存放的是系统的应用程序和指纹模板，系统上电后通过并行“b o o tl o a d e r ”功 能将程序加载到d s p 片内的d a r a m 中以加快程序运行的速度，s r a m 用于存放指纹图像 并提供程序运行时所需要的临时数据空间。 ( 4 ) 全局逻辑控制部分：此部分由c p l d 来完成，实现以下3 方面的功能： 1 对d s p 的数据空间进行分时寻址； 2 产生系统中各个芯片的片选信号； 3 产生系统中各个芯片的读写信号。 ( 5 ) 数据通讯部分：该部分采用通用异步串行收发器完成同步数据传输格式到异 步数据传输格式的转换、1 几电平到r s 2 3 2 电平的转换，实现系统与p c 之间的数据 通讯功能。 2 2 系统的工作流程 系统上电之后，d s p 根据硬件连接方案选择程序加载前方式。在本系统中使用的是 并行方式，即应用程序通过f l a s h 的1 6 根数据线加载到d s p 片内的d a r a m 中。当程序 加载成功后，d s p 执行初始化程序，为系统正常工作设置相应的参数。身份鉴定按键用 于监控系统的流程，一旦按键被按下则表明要进行指纹识别，d s p 启动指纹芯片进行采 集，并将指纹数据存放到数据s r a m 中。然后使用鉴别程序对指纹图像进行预处理、特 征提取与特征匹配。当判断出所采集的指纹是合法的身份时，系统会显示通过；如果是 非法的身份，则系统会显示报警。 7 沈阳工业大学硕士学位沧文 最后，可以通过本课题所设计的图像显示程序来检查图像的采集和处理的结果是否 正确或是构成联机系统。 系统的工作流程图如图2 2 所示。 图2 2 系统的工作流程图 沈阳t 业人学硕十学位论文 3 指纹图像获取部分的设计 指纹获取部分是指纹识别系统中很重要的一环，因为指纹图像采集的好坏将直接影 响到后续识别算法的设计及最终的识别效果。指纹图像的获取包括指纹采集部分和模数 转换部分，随着半导体技术的发展，这两部分的功能已经可以由一个芯片来完成，并且 采集到的图像质量也可以满足实际应用的要求。 3 1 指纹传感器简介 指纹传感器从工作机理层面上可以分为两类1 9 1 ：基于手指皮肤表面特征的技术和基 于手指真皮层特征的技术。基于手指表面特征的技术又可分为三类：光学传感方式、电 容传感方式和热电效应传感方式。 在光学传感器技术中手指按在玻璃表面上，运用光的全反射原理将指纹图像投影在 c c d 上，然后通过处理电路将模拟图像转换成数字图像，再进行相应的处理。相对而 言，光学传感器所采集的指纹图像的清晰度很高，但由于其结构复杂、所需元器件众 多，所以价格比较昂贵，通常用在要求很高精度的场合中。电容传感技术呻1 是采用与 手指差不多大小的一块硅芯片来采集指纹的，当手指放在传感芯片上时，手指皮肤与芯 片上的像素就构成了为数众多的电容。由于手指的脊线和谷线与像素的距离存在差异， 所以构成的电容的电容值也存在差异，通过测量各个电容充放电后的电压差就可获取指 纹图像。最初这类传感器采集的图像质量和光学传感器有较大的差距，但是随着半导体 技术的进步，它采集的图像质量已越来越好，现在这两种传感器采集的图像质量差距已 经很小了。a t m e l 公司推出的是热电效应线装传感器f i n g e r c h i p 技术o ”，当手指滑过 过传感器时，热电层被加热或冷却而产生电荷，然后f i n g e r c h i p 将手指的热特性转换为 电流，通过器件内集成的模数转换器，将模拟图像转换为数字图像。由于f 洫g e r c h i p 传 感器采用了滑扫方式获得指纹图像，因此可以认为它是一种能够自我清洁的器件，能够 防止在表面沉积灰尘或油污，同时还避免了有人从传感器上拷贝指纹潜影并重新利用的 可能。 r 9 - 沈阳工业大学硕士学位论文 对于基于手指真皮层特征的传感器技术，则不需要担心在传感器上留一f 潜影。如 a u 姗n t e c 公司的t r u e p r i n t 技术【l ”，它并不真正扫描手指的表面，而是利用晶片发 射射频( r f ) 信号来采集手指表皮f 活组织层的图像。因此“读取”非常干、非常脏 或磨损的手指图像时不会存在困难。另外，由于它采集的是手指皮肤的活组织层，因此 传感器可以检测是否是真正的手指，从而避免有人利用留下的指纹潜影来愚弄传感器。 然而由于使用r f 信号技术复杂且r f 信号相互干扰严重，因此这类传感器在图像点阵 和分辨率上还无法和基于手指皮肤表面特征技术的传感器相抗衡。 3 2 指纹传感器的选择 考虑到产品价格的因素和所需精度的要求，系统中选择了f u j i t s u 公司推出的新 一代固态指纹传感器m b f 2 0 0 。它是一款专为嵌入式系统设计的高性能、低功耗的电容 指纹传感器。与其它的指纹传感器相比，m b f 2 0 0 具有以下特点 1 3 1 4 1 ： ( 1 ) 坚固耐用的芯片表层：m b f 2 0 0 表面运用专利技术制成，表面涂层异常坚固 耐用，能承受超过3 k v 的静电放电，即便在恶劣的环境中也能正常的使用。 ( 2 ) 采用低功耗设计：m b f 2 0 0 具有手指自动检测功能，允许主机在没有指纹时 处在低功耗待命模式，当有手指时才唤醒主机进行处理，从而节省整个系统的功耗。 ( 3 ) 适应更复杂的手指识别：m b f 2 0 0 的图像搜索功能( i m a g e s e e k t m ) 通过改变 电容阵列的参数值可在1 秒种以内扫描多幅指纹图像并自动选择最好的一幅。因此 m b f 2 0 0 可以获得各种类型手指的高质量图像，大大降低了f a r 和f r r 。 ( 4 ) 提供三种接口，更易于集成： s p i ：m b f 2 0 0 内置的s p i 接口减小了m b f 2 0 0 对硬件的依赖，只需6 条线就可以 与带s p i 接口的微处理器连接。在s p i 模式下，m b f 2 0 0 的图像传输速度为1 0 帧，秒。 u s b ：m b f 2 0 0 内置了高速u s b 核电路，外部不再需要其它u s b 控制器，因此可 作为标准的u s b 设备来使用。在u s b 模式下，m b f 2 0 0 的图像传输速度为1 3 惭秒。 m c u ：通过自动增加行列地址寄存器的值以及模数转换的路径优化功能，m b f 2 0 0 内置的标准8 位微处理器总线的性能大大加强，图像传输速度达到3 0 帧，秒，可以满足 连续指纹图像的采集和比对。 一l o 沈阳工业大学硕士学位论文 3 3 指纹图像获取部分电路设计 指纹采集电路图如图31 所示。 图3 t 指纹采焦电路图 3 3 1 指纹芯片数据输出模式的设置 m b f 2 0 0 通过m o d e 1 ：0 管脚来控制输出的四种状态。当m o d e i ：o 】为0 ，0 时， 为m c u 接口模式；当m o d e 1 ：0 为0 ，1 时，为s p i 模式；当m o d e 1 i o 】为1 ，0 时， 为u s b 接口模式并使用内部r o m ；当m o d e 1 ：0 为1 ，1 时，为u s b 接口模式但使用 外部r o m 。为加快图像的采集速度，系统中选用了m c u 接口模式，因此将m o d e 1 ：0 管脚通过1 0 k 的下拉电阻接地，另外还将d m 、d p 、a i n 管脚也通过1 0 k 的电阻下拉 接地以避免管脚悬空所带来的干扰。 沈阳工业人学硕士学位论文 3 3 2 指纹芯片时钟电路的设计 m b f 2 0 0 的时钟发生器可以采用内部多谐振荡器起振和外接晶体振荡电路两种 输入方式进行工作。就两种起振方式而言，前者的起振精度更高，而后者有助于降 低功耗。使用内部起振方式时将f s e t 管脚通过5 6 k 的电阻下拉接地，以产生标准 的1 2 m h z 时钟频率。使用外部时钟时通过x t a l i 、x t a l 2 连接晶体电路来产生时 钟信号，通过设置控制寄存器c t r l b 的x t a l s e l 位可以选择是何种起振方式。 3 3 3 指纹芯片的总线操作 m b f 2 0 0 使用一个称为“索引寄存器寻址”的方法操控它的各个寄存器。芯片的地 址线a 0 用于在功能寄存器和数据寄存器之间做出选择。当驱动a 0 为低电平时，数据线 上的数据代表所要操控的功能寄存器的地址，而这个地址则会被保存在索引寄存器中； 当驱动a 0 为高电平时，则可通过数据线读写被索引寄存器所记录的功能寄存器的内 容。索引寄存器可以保持功能寄存器的地址值，直到它被重写或芯片被重新设定为止。 微处理器总线接口模式功能表如表3 1 所示。 表3 1 微处理器总线接口模式功能表 c s 0 #c s ia 0r d #w r # 工作方式数据线d 【7 。o 】 1 x xxx 不工作嵩阻状态 x0xxx 不工作高阻状态 0lx】l保持高阻状态 0100l 读索引寄存器输出 010l0写索引寄存器输入 0l101读数据寄存器输出 0ll10写数据寄存器输入 注：) 一可为高电平或低电平，1 一高电平，低电平 3 4 指纹芯片的初始化设置与工作流程 3 4 1 指纹芯片核心寄存器简介 m b f 2 0 0 内部共有1 9 个功能寄存器，其中以控制寄存器c t r l a 和c t r l b 最为重 要，对它们的设置决定了m b f 2 0 0 的工作方式。c t r l a 寄存器用于控制图像的采集方 - 1 2 沈阻工业大学硕士学位论文 式，写该寄存器时指纹芯片按某种采集方式获取图像，读该寄存器时可以得到a d 转 换后的2 5 6 位灰度数据。控制寄存器c t r l a 功能表如表3 2 所示。 表3 2 控制寄存器c t r l a 功能表 设置g e t s u b 位开始获取矩形图像，矩形图像的获取是从起始行的起始像素开始 进行a d 的转换，直到该行的所有像素按先后顺序全部转换完后，再进行下一行像素 的转换，以此类推，直到所有像素转抉完为止。 设置g e t s u b 位会引起芯片进行如下操作： ( 1 ) 行地址自动从r a h 和m 也寄存器的设定值开始； ( 2 ) 列地址自动从c a l 寄存器的设定值开始； ( 3 ) 行获取自动开始； ( 4 ) 第一个像素的a i d 转换自动开始。 c t r l b 寄存器用于控制m b f 2 0 0 的启动并显示其工作状态。控制寄存器c t r l b 功能表如表3 3 所示。 表3 3 控制寄存器c t r l i i 功能表 位名称功能 7 6 m o d e 1 叫 只读位，反映m o d e i ：0 i j i 脚的状态 5r d y 只读位，显示了a d 转换器的状态 4 一 保留，对这位写0 3a f d e n 设置自动手指探测功能( a f d ) 开启或闭合 2a l d 刑c e n 设置地址自动增加功能开启或闭合 1x t a l s e l 选择芯片的时钟源 0e n a b l e 使能或关断芯片 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 控制寄存器c t r l b 中的a u r 0 i n c e n 位用于设置是否启动自动增加行列地址寄存 器的值。当此位被设置为“1 ”时，若某一个像素的a d 转换值被读取后，则列地址自 动增加，同时下一个像素的a d 转换自动开始。一目某行的最后一个像素的灰度值被 读取后，则行地址自动增加，同时这行的第一个像素的a d 转换自动开始。 3 4 2 指纹芯片的工作流程 m b f 2 0 0 的工作流程分为两部分：参数的设置和工作方式的选择。首先，要使能 m b f 2 0 0 并设置相应的参数，然后再选择其以何种方式工作。参数的设置过程如图32 所示。 f ，d c 、 w r i t ec t r l bw i l hb i t s 2a n do $ 。1 0 w a n3 0 i l s 上 ( $ 。n s o re n a b l e d ) 匿黜掣诎 io t h e rr e g i s t e r s ( d t ra n d d c rl o te x a m p 埘c a nb e ii n i t i e l i z e dd u ，i 0 吣ot i m e a d j u 筑p a r a m e t e r s ) 0 w m ed t r 1 l w r i t ed c r | r w l i t ep g c 上 , a r a m e l er sa d j u s t e d ) 图3 2 指纹芯片工作参数设置流程 系统中使m b f 2 0 0 工作在获取矩形图像的工作方式上，初始化芯片时先设置 r a h 、r a l 和c a l 寄存器的值来确定指定区域的起始行和起始列的位置，然后设置 r e h 、r e l 和c e l 寄存器的值来确定矩形区域的结束行和结束列的位置。写c t r l a 寄存器开始自动获取设定的图像，反复读c t r l a 寄存器直到设定的图像全部被采集完 为止。矩形图像的设定流程如图3 3 所示。 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 一 厂，s e t u ps u br e g i o o 、 ( m c u 0 曲) w r i t er a h j wr i l 9r a l i f wr i t c a l 上 lw m 。r e h i 上 i w r i t ea e l j lw | i i e c e l 1 0 u br e g i o ns o l , 。, c t e d ) 5 _ s ，g a o w h i g ho r d o 1b i t _ _ _ t ll s 。e w ts o l a i d r l 9 i f n g b y r l b o w a d d t e s s a d f lr o s s _ 受训i n gc 细n 删一 怛 瓦_ e n d l n g 。一l o wo r d e r r o wa d d r e s s b i t p e wa d d r e $ $ b y t e 匹圣n c l l 吣- 一删r e s s 图3 3 获取矩形图像的设定流程 3 4 3 指纹图像采集程序 按上述工作流程编写的指纹采集程序如下，指纹图像的对比如图34 所示。 p o r t o ( o x p ：o x 0 0 0 9 ；，雳 引寄存黝c t r l b 寄存器。 p o r t 0 0 0 l = 0 x 0 0 0 5 ； 关断a f d ，设置自动增加，选用内时钟，使能芯片。 d e l a y ( 3 0 0 ) ； 设置延时程序满足芯片的工作要求。 p o r t 0 0 0 0 = 0 x 0 0 0 6 ； 朦引寄存器指向d t r 寄存器。 1 5 沈阳工业人学硕士学位论文 1 ) o r t 0 0 0 1 = o x 0 0 0 c ；设 呈d t r 为1 2 。 i ) o r t 0 0 0 0 = 0 x 0 0 0 7 ； 索引寄存器指向d c r 寄存器。 1 ) o r t o o o l = o x 0 0 0 4 ； ，设置d c r 为4 。 1 ) o r t 0 0 0 0 = 0 x 0 0 0 0 ； 朦引寄存器指向鼬钮寄存器。 1 ) o r t 0 0 0 1 = 0 x 0 0 0 0 ； p o r t 0 0 0 0 铷) ( o 0 0 1 ； 索引寄存器指向r a l 寄存器。 p o r t o o o l = o x 0 0 1 6 ；行起始地址为2 2 。 p o r t 0 0 2 ； 索引寄存器指直j c a l 寄存器。 p o r t 0 0 0 1 = 0 x 0 0 0 0 ； 列起始地址为0 。 p o r t 0 0 0 0 = 恤0 0 0 3 ； 索引寄存器指向r e h 寄存器。 p o r t o o o l = o x 0 0 0 1 ； p o r t 0 0 0 0 = o x 0 0 0 4 ； 索引寄存器指向砒! l 寄存器。 p o r t 0 0 0 1 = 0 x 0 0 1 5 ； ，行结束地址为2 7 7 。 p o r t o o o o = o x 0 0 0 5 ； ，索引寄存器指向c e l 寄存器。 p o r t 0 0 0 1 = o x o o f f ； 列结束地址为2 5 5 。 p o r t 0 0 0 0 = 0 x 0 0 0 8 ； 索引寄存器指向c r r i ，a 寄存器。 p o r t 0 0 0 l = o x 0 0 0 4 ； ，开始矩形图像的采集a 南删；r 2 5 6 州 d e l a y ( 2 0 ) ； 设置延时程序满足行地址增加所需时间的要求。 f o r ( c = 0 ；e 2 5 6 ；酣斗) d e l a y ( 1 ) ； 设置延时程序满足列地址增加所需时间的要求。 * ( u 1 6 * ) ( 0 x 2 0 0 0 + j ) = p o r t 0 0 0 1 ；膜i 款c t r l a 寄存器，采集指纹数据。 j + + ； ) 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 4 指纹图像的对比 a ) m b f 如o 获取的指纹图像b l 光学采集仪获取的指纹图像 3 5 本章小结 本章详细的介绍了指纹图像获取部分电路的设计思路和过程，简要说明了m b f 2 0 0 的芯片特性和控制寄存器的功能，并给出了指纹图像的采集程序。由图3 4 a 、b 的效果 对比可见，m b f 2 0 0 所采集的指纹图像质量稳定、纹理清晰，降低了对后续算法的要 求，有力的提升了系统的性能。 1 7 沈阳j 业大学硕l 学位论文 4d s p 处理部分的设计 d s p 的开发分为两个部分：一部分是硬件平台的设计，另一部分是软件平台的设 计。前部分设计追求的是一定范围内的广泛通用性，后部分设计追求的是软件设计 的模块性。硬件平台的设计一方面要求使用通用数字信号处理器或它们的并行处理器作 为整个硬件平台