（通信与信息系统专业论文）基于以太网的在线签名数据采集系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 作为生物特征识别之一的在线签名认证技术由于被接受程度高、使用方便、 设备成本低等一系列优点而拥有广泛的应用前景。在线签名认证系统一般采用客 户朋匣务器模式来实现远程签名认证，如何实现远程在线签名数据采集及传输成 为研究的课题。 本文主要提出了一种基于以太网技术的在线签名数据采集系统的架构和设 计方案，并以c 8 0 5 1 f 0 2 0 微处理器为平台进行了实现。 首先分析了在线签名技术在网上阅卷系统中的应用特点，并就目前比较流行 的几种通信接口方式进行了比较，提出了一种基于以太网技术的在线签名数据采 集系统解决方案。 然后给出了基于c s 模式的在线签名数据采集系统架构，并分别就服务器端 和客户端的功能加以介绍。简述了服务器端的系统组成，主要包括主控制模块， 签名数据采集模块，签名显示模块，以太网通信模块。并对各模块进行了基本原 理介绍以及电路设计与实现。 接着重点介绍了服务器端的软件设计，包括以太网底层驱动程序的开发，在 线签名数据的采集和液晶屏笔迹显示，t c p i p 协议栈的实现。其中针对本系统 的应用特点，对传统t c p f l p 协议栈进行了精简。主要实现了a r p ，i p ，i c m p ， t c p 协议中核心的内容。并在服务器端加载精简的t c p l p 协议栈，给出了运行 效果图以及对性能进行了相关的测试。 最后在上述的协议栈基础上实现了一个远程在线签名数据采集系统，分别给 出了服务器端和客户端的实现过程及部分程序代码。最后给出了系统在客户端的 运行效果及签名数据在客户端的保存形式。 关键字：在线签名，数据采集，以太网，c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，t c p i p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o n - l i n es i g n a t u r ev e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya so i l eo ft h eb i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c r e c o g n i t i o n sh a st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o nb e c a u s eo ft h eh i g hr e c e p t i v i t y , e a s i e r o p e r a t i o na n dl o wc o s t t h eo n - l i n es i g n a t u r ev e r i f i c a t i o ns y s t e mg e n e r a l l yu s e st h e c l i e n t s e r v e rp a t t e mt or e a l i z et h er e m o t es i g n a t u r ev e r i f i c a t i o n h o wt or e a l i z et h e r e m o t e0 1 1 1 i n es i g n a t u r ed a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nb e c o m e st h er e s e a r c ht a s l t h i st h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e sas o l u t i o no fd e s i g n i n ga no n - l i n es i g n a t u r ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nt h ee t h e r n e tt e c h n o l o g ya n di sr e a l i z e db yt h eh i g h p e r f o r m a n c ec 8 0 5 1 f 0 2 0m i c r o p r o c e s s o r t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e r i sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ea p p l i c a t i o nc h a 隅c t 豇so f o n - l i n es i g n a t u r et e c h n o l o g yi nt h ee x a m t e s t s y s t e ma r ca n a l y z e d c o m p a r e dt os e v e r a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s , i tp r o p o s e so n e k i n do f r e m o t eo n - l i n es i g n a t u r es y s t e ms o l u t i o nb a s e d0 1 1t h ee t h e r n e tt e c h n o l o g y s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e st h ec o n s t r u c t i o no f r e m o t eo n - l i n es i g n a t u r es y s t e mb a s e d o nt h ec sp a t t e r n , a n ds e p a r a t e l yi n t r o d u c e dt h ef u n c t i o no nt h es e r v e ra n dc l i e n t r s u m m a r i z e st h ec o m p o s i t i o no f t h es o l v e ts y s t e m , i n c l u d e st h em a i nc o n t r o lm o d u l e ， t h es i g n a t u r ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h es i g n a t u r ed i s p l a ym o d u l ea n dt h ee t h e r n e t c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h e ni ti n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l ea sw e l la st h ec i r c u i t d e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no f t h em o d u l e s 。 t h i r d l y , t h es o f t w a r ed e s i g no ft h es e l v e ri n c l u d i n gt h ee t h e m e td r i v e r , o n - l i n e s i g n a t u r ed a t aa c q u i s i t i o na n dd i s p l a y , t c p i ps t a c ka r em a i n l ya n a l y z e di nt h ep a p e r f o c u so nt h ea p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h et r a d i t i o n a lt c p i ps t a c ki ss i m p l i f i e di n t h es y s t e m i th a sm a i n l yr e a l i z e da r e 9i p , i c m pa n dt c pp r o t o c o l s a n dt h e s i m p l i f i e dt c p f l ps t a c ki sl o a d e di nt h es e r v e l i ta l s os h o w st h er u n n i n ge f f e c tp i c t u r e a n dc a r r i e so nt h er e l a t e dt e s t sa b o u tt h ep o r f o r m a n c 君o f t c p i ps t a c k f i n a l l y , i tr e a l i z e sar e m o t eo n - l i n es i g n a t u r ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n t h et c p i ps t a c k t h ep a p e rs e p a r a t e l yi n 仃o d u c e dt h er e a l i z a t i o np r o c e s sa n dp a r t l y p r o g r a mo f t h e $ e l v e ra n dt h ec l i e n t i ta l s og i v e st h ep i c t u r eo fs y s t e mr u n n i n ge f f e c t a n dt h ef o r m a to f t h es i g n a t u r ed a t aw h i c hh a ss a v e di nt h ec l i e n t k e yw o r d s ：o n - l i n es i g n a t u r e ，d a t aa c q u i s i t i o n , e t h e r a e t , c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，t c p i p 此页若属实请研究生a 导师签名，井蓑订在掌位论文的擅要前。 独创性声明 本人声明，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。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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 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了谢意。 研究生( 签名) ：继日期地z ：矽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师c 签鼽辔日期尘! 参丝2 t 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 在线签名认证技术 第1 章绪论 信息化是未来发展的方向，作为生物特征识别之一的在线签名认证技术由于 被接受程度高、使用方便、设备成本低等一系列优点而拥有广泛的应用前景l l 】。 签名作为人的一种行为特征，具有非侵犯性、易为人所接受；对设备的要求不高， 因而成本低，适合于普及使用；不会丢失、遗忘；可随时产生。由于签名本身的 不稳定性，因此对认证技术提出了较高的要求。随之产生的签名认证技术，即将 书写人提供的签名与数据库中已有的他( 她) 的签名相比较，以确定该书写人身 份是否属实。该技术在模式识别、图像处理与中文信息处理领域都属前沿课题， 引起了国内外众多学者的研究兴趣，目前也己成为一种便捷高效的个人身份认证 技术，在金融系统、安全系统等领域，都有着广阔的应用前景。 以往的手写签名一般是人工专家通过视觉辨别真伪，并且只能从笔形外观来 判断，效率较低，现有方法明显改善了原有状况并提高了准备率。签名认证同时 也涉及到生理学、心理学等许多学科的问题，但目前的科学技术尚不能提示手写 签名人工认证机制( 尚未能解释大脑活动的机理和人类智能的本质) ，就当前而 言，利用计算机进行签名认证的理论，从一开始就是以功能实现为目标建立的， 即不追究人工认证的脑机制到底如何，只要能够实现功能即可。 计算机手写签名认证可分为离线签名认证和在线签名认证两种，前者是通过 扫描仪、摄像机等输入设备，利用光电转换原理，将原始的手写签名转换为图像 信息输入到计算机里，然后进行分析与鉴定 2 1 ；后者是通过手写板实时采集书写 人的签名信息，除了可以采集签名位置、方向等静态信息，还可以记录书写时的 速度、运笔压力、握笔倾斜度等动态信息。离线数据容易获取，但是它没有利用 笔划形成过程中的动态特性，因此离线签名容易被伪造。签名图像中的端点、交 叉点及弯曲都可以作为签名认证的特征点，反映了签名的几何变化1 3 j 。 1 1 2 在线签名采集的国内外研究现状 近年来已有许多研究机构进行在线签名识别技术的研究。目前国内签名数据 采集系统的发展落后于国际先进水平，离产业化还有一定距离。在国内，吉林大 学的研究人员取得了一定成果。吉林大学的科研人员通过刻苦攻关，先后开发出 金融高端客户手写签名识别身份认证系统；电子文稿手写系统；手写签名识别电 武汉理工大学硕士学位论文 脑文件保护系统等多个具有自主知识产权的产品。这种手写签名识别产品可以有 效解决电子政务和电子商务中的瓶颈问题，防止金融、证券领域的存款冒领现象 等。据国际生物识别产业协会预测，2 0 0 5 年包括手写签名识别技术在内的生物特 征识别认证技术的软件和硬件市场，将达n 2 0 亿美元规模。我国电子签名法于 2 0 0 5 f f - 4 月1 日实施，这为相关产品提供了更广阔的市场。 在国际范围内，目前已有许多公司都有专门的机构从事该项技术的研发与应 用，包括i b m 、美国智通、日本富士通等，其中美国智通公司在此领域的研究独 树一帜。它的s i g n - i t 电子签名系统已经使用在各种商用场合，用户可以签署电子 文档使得批准和授权的过程变得更自然更方便，此种技术可防止无意或恶意地篡 改文档，能较好的完成电子签名的工作。不过其主要缺点在于它将书写笔迹的压 力信息表现为笔划的粗细，这样，他人仍然可以看到书写者的压力情况，降低了 系统的安全性；另外，这套系统主要用于电子文档的签名，侧重于办公应用，使 用范围相对比较狭窄。 在线签名数据采集主要由触摸屏或手写板来完成1 4 1 。其中手写板是较为成熟 的技术，但其缺点是其采集数据传到p c 处理终端都经过了处理，很难获取原始 数据，不利于后面的特征提取和特征匹配。而触摸屏可以将采集到的原始数据传 输给p c 处理终端，使p c 处理终端的数据处理变的非常方便。现有的签名数据采 集系统的数据传输主要是由r s 2 3 2 串口或u s b 总线来完成。 签名识别的主要缺陷是安全性不高，容易伪造。不过目前国内外的签名识别 技术主要都是在线签名识别技术，即以触摸屏或手写板作为采集笔迹的媒介，将 采集到的笔迹信息实时传送到处理终端并及时处理，这样，采集的笔迹信息可以 包括压力，速度，加速度等多种信息，而由于这些数据都是隐形的，他人极不容 易伪造，这样就大大地提高了签名认证的安全性。 网上阅卷是以计算机网络技术和电子扫描技术为依托，以控制主观题评分误 差，实现考试公平性原则为最终目的，是把多年人工阅卷积累的丰富经验和现代 高新技术相结合的一种新的阅卷方式。从1 9 9 9 年开始，我国在相关省市进行高 考、计算机等级考试、硕士研究生入学考试等考试科目的网上阅卷试点工作。通 过几年的实践，网上阅卷取得很大的效果，但也存在一些问题尚需解决。教育部 考试中心马世晔在“网上阅卷的回顾与思考”一文中特别指出阅卷人身份认证 技术期待解决【5 】。目前，试卷评阅管理( 包括试卷分发管理、评选组长对于试卷 成绩修改确认及评阅人登录等) 都采用基于密码管理的模式。密码管理模式在现 代信息安全管理中相对安全程度较低。此外，为了提到信息安全等级，在电子商 务过程中常采用基于密钥管理的方式，但当个人密钥丢失后存在身份无法认证或 发生身份欺诈无法追溯。在人类历史上签名作为赋予文件法律效力的手段得到广 2 武汉理工大学硕士学位论文 泛的接受，从法律上讲，签名有两个功能：即标志签名人和表示签名人对文件内 容的认可，保证交易的安全性和真实性以及不可抵赖性。2 0 0 5 年4 月1 日开始 实施中华人民共和国电子签名法首次赋予可靠的电子签名与手写签名或盖章 具有同等的法律效力，并明确了电子认证服务的市场准入制度。 现代计算机笔迹鉴别技术的发展为电子签名的推广提供了可能。在线签名签 名认证作为一种先进的个人身份认证技术，已开始应用于网上阅卷系统。网上阅 卷过程中评卷人采用签名的方式登录，为以后进行错误追溯提供真实证据，具有 很强的不可抵赖性，签名认证方式还可用于网上阅卷的各个过程。 1 2 以太网和t c p l p 协议 早期以太网【6 】是在2 0 世纪7 0 年代由美国施乐( x e r o x ) 公司发明的，最初用于 实验室互联网络，接着采用了载波侦听多路访问冲突检测传输规范，到1 9 8 2 年 产生了i e e e 8 0 2 3 规范标准，并且由数字设备公司、英特尔公司和x e r o x 公司联 合开发了与i e e e 8 0 2 3 标准兼容的以太网2 0 方案。以太网是应用最为广泛的局 域网，包括标准以太网( 1 0 m b p s ) 、快速以太 网( 1 0 0 m b p s ) 、千兆以太! 陬l ( 1 0 0 0 m b p s ) 等。 以太网支持的传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤等，其最大的优点是简单、 经济实用。随着网络的普及使用，以太网得到了飞速的发展，主要体现在两个方 面：一是以太网的传输速率从原先的1 0 m b p s 发展到1 0 0 0 m b p s ，甚至更高。另 一重要方面就是网络结构从最初的共享式向交换式发展。 以太网上各工作站间的通信采用竞争方式，其基本特征是采用载波侦听多路 访问冲突检测( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e e d o n ，c s m a c d ) 的共 享访问方案。c s m a c d 是一种非确定性或随机性通信方式。其基本上作原理是： 某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立 即发送，并同时继续监听网络：如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发 送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后 重新发送。1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。 t c p i p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp i o t o c 0 1 ) 协议i t 的来源最早可以追 溯到美国国防部赞助的研究网络a r p a n e t 。a r p a n e t 网最初使用n c p ( n e t w o r k c o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 协议。逐渐地，a r p a n e t 网通过租用的电话线连接了 数百所大学和政府部门。但是当卫星和无线网络出现以后，利用这种协议连接不 同网络时出现了问题。需要一种新的参考体系结构，它能够无缝隙地连接多个网 络。这种体系结构在它的两个主要协议( t c p ， ) 出现以后，就被称为t c p i p 参 考模型。t c p 和m 协议是由斯坦福大学的两名研究人员于1 9 7 3 年提出的。由于 3 武汉理工大学硕士学位论文 t c p m 协议具有跨平台的特性，a r p a n e t 的实验人员在经过对t c p i p 的改进 以后，规定连入a r p a n e t 的计算机都必须采用t c p i p 协议。后来a r p a n e t 逐渐发展成为现在的i n t e m e t 互联网，t c p i p 协议也就成为i n t e m e t 事实上的标 准连接协议。现在，随着人们对数据共享和分布处理要求的不断提高，联网成了 普遍要求，t c p i p 协议得到了越来越广泛的应用，特别是在嵌入式系统应用中。 t c p i p 协议栈中包括很多协议子集，为了减少协议设计、实现的复杂性， t c p i p 协议采用了分层( ( 1 a y e r ) 或分级( 1 e v e l ) 的方式来组织整个协议栈。每一层都 建立在它的下层之上，接受下层提供的服务，并向它的上层提供自己的服务，但 是把如何实现这一服务的细节加以屏蔽。这样就好像一台机器的第n 层与另一台 机器的第n 层直接进行对话，它们之间进行对话的规则就是第n 层的协议。t c p 协议是从工程应用中发展起来的，注重效率，而不象o s i 七层模型那样注重说明 协议的标准性，t c p ，球是一组协议的代名词，除了t c p 协议和协议它还包含 许多别的协议。t c p i p 协议遵守一个四层的模型概念：应用层、传输层、网络 层和链路层，如表1 1 所示。其中每一层完成不同的通信功能，具体各层的功能 和各层所包含的协议说明如下。 表1 - 1t c p p 协议的层次结构 应用层( t e l n e t 、九甲、h t t p 、d n s 、s n m p 和s m t p 等) 传输层( t c p 和u d p ) 网络层( m ，a r p 、r a r p 、i c m p 和i g m p ) 链路层( 以太网、令牌环网、i e e e s 0 2 3 等) ( 1 ) 链路层：模型的基层是链路层，负责数据帧的发送和接收，帧是独立的网 络信息传输单元，网络接口层将数据帧放在网络上或从网络上把帧取下来。 ( 2 ) 网络层：互联协议将数据包封装成i n t e r a c t 数据报，并运行必要的路由算法。 这里有五个互联协议： 网际协议i p ：负责在主机和网络之间寻址和路由数据包。 地址解析协议a r p ：获得同一物理网络中的硬件主机地址。 反向地址解析协议r a r p ：把4 8 位的以太网地址映射到3 2 位口地址。 网际控制消息协议i c m p ：发送消息，并报告有关数据包的传送错误。 互联组管理协议i g m p ：被口主机拿来向本地多路广播路由器报告主机机 组成员。 ( 3 ) 传输层：传输协议在计算机之间提供通信会话。传输协议的选择根据数据传 输方式而定，应用层应用程序通过这一层访问网络。 传输控制协议t c p ：为应用程序提供可靠的通信连接。适合于传输大批数据 的情况，并适用于要求得到响应的应用程序。 4 武汉理工大学硕士学位论文 用户数据报协议u d p ：提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠的保证。 适合于一次传输小量数据，可靠性则由应用层来负责。 ( 4 ) 应用层：负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的t c p i p 实现都会提 供下面这些应用：h t t p ( 超文本传输控制协议) 、t e l n e t ( 远程登录协议) 、f 1 p ( 文 件传输协议) 、s m t p ( 简单邮件传送协议) 、s n m p ( 简单网络管理协议) 。 1 3 课题研究意义 数据采集是在线签名系统中重要数据的获取层，网上阅卷系统一般采用远程 登录模式。签名信息采集端与认证端分离，单个认证服务器和多个在线签名数据 采集终端。当需要认证时，用户在配备手写板的数据采集终端上签名，终端将实 时采集到的签名信息保存并在液晶屏上显示，然后通过网络接口将数据传给认证 服务器进行认证。作为签名信息采集端，要求硬件系统不仅要实时采集书写者的 签名信息，而且要配置网络接口来实现签名数据远程传输，但现有的采集签名信 息的硬件设备还达不到期望的要求。 目前签名采集的数据通信接口主要有r s 2 3 2 和u s b 两种方式。在r s 2 3 2 串口传输方式中，实际每秒钟传输的采样点在1 0 0 个以下，对后续处理造成了较 大地麻烦。根据一些初步分析，存在采样精度不够的主要原因有两点：一是受到 r s 2 3 2 串口传输速度的影响。假设采样频率为2 0 0 h z ，1 秒钟至少传输1 2 0 0 字 节的数据，虽然r s 2 3 2 串口的传输速率可以达到系统的指标，但因为实际工作 中需考虑数据校验、数据出错、数据重发等其他情况，结合考虑往往是达不到传 输要求的。二是r s 2 3 2 串口传输的稳定性也不够高，没有可靠的通信协议来保 证数据的无差错传输。u s b 通信虽然能实现数据的高速传输，但是传输距离很 短，而且难以实现中继。 以太网接口传输速率在1 0 m b i t s 以上，满足在线签名数据的高速传输要求， 且能多个采集终端组成局域网，直接接入因特网，实现数据的远程传输。以太网 的上层通信协议采用t c p 仰协议来实现数据的网络传输，其中在传输层可采用 t c p 协议来实现保证了数据的可靠传输。基于以上分析，本文提出了一种基于以 太网通信的在线签名数据采集系统解决方案，该方案不仅实现了在线签名的现场 采集，而且能将采集到的签名数据传给远程客户端，为基于异地认证的网上阅卷 系统的实现提供了可靠的数据来源。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文主要工作与结构 1 4 1 主要工作 论文的主要任务就是如何设计一个远程在线签名数据采集系统，实现在线签 名信息的远程采集和传送。为了降低硬件成本，该系统采用8 位微处理器架构， 利用以太网接口，将实时采集的签名信息发送到远程p c 处理终端保存，以满足 异地签名认证的数据要求。 论文主要工作有以下几点： 1 ) 在8 位微控制器上实现在线签名数据的实时采集和笔迹显示。 2 ) 完成基于以太网通信接1 ：3 的底层驱动程序的开发。 3 1 在微控制器上移植精简的t c p i p 协议栈，从而实现基于t c p i p 通信的远 程数据传输，解决在线签名认证系统的远程数据采集问题。 4 ) 测试系统的稳定性及传输速率，是否能满足远程在线签名数据传输要求。 1 4 2 结构 全文分为六章，结构安排如下： 第一章首先介绍了在线签名认证技术的应用现状及前景、以太网及t c p i p 技术的应用现状等。然后提出本课题研究的现实意义，最后说明本文的主要工作 内容。 第二章主要介绍整个在线签名数据采集系统架构及设计方案，并就客户端和 服务器各自实现的功能作了分析和介绍。 第三章介绍在线签名数据采集系统的硬件结构。主要侧重于介绍本地数据采 集模块以及以太网通信模块的硬件电路原理及具体的电路实现。 第四章主要介绍在线签名数据采集系统的软件设计。主要包括以太网底层驱 动的开发，在线签名数据的实时采集及显示子程序，t c p i p 协议栈的实现。着 重介绍了t c p f l p 协议栈四层在单片机中的的具体处理过程。 第五章介绍了在线签名数据采集系统的实现和运行。主要介绍了协议栈在服 务器上的运行测试情况以及在线签名数据采集系统的实现和运行。 第六章总结了本文所作的工作以及提出本系统的局限性及进一步研究需要 解决的问题和以后的发展方向。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章在线签名数据采集系统总体设计 2 1 系统方案 系统的方案是利用普通手写笔与触摸屏接触，触摸屏可采集签名者所写笔迹 的多维信息，同时利用液晶屏将书写的签名实时地显示出来。然后将处理后的数 据通过以太网接口传送到远程客户端保存，以供后续的认证算法调用。 在线签名数据通过数据采集接口传给c y g n a l 单片机，单片机将数据暂时保 存下来。用户使用一台连接上i n t e m e t 的电脑作为客户机就可以通过向系统发送 命令实现在线签名数据的远程传送，只需在客户机上运行一个应用程序。因此整 个系统可以划分为两大部分，一是以c 8 0 5 l f 0 2 0 为核心的嵌入式模块作为服务 器端进行现场签名数据的采集与发送，另一部分是运行在远程上位机上的客户端 程序。系统的结构示意图如图2 1 所示。 客户端主要实现的功能有发出数据请求，并接收在线签名数据，同时在客户 端界面上显示采集到的签名数据，并实时显示签名笔迹。最后还需将接收的数据 以固定格式保存下来，以供后续的认证算法调用。在线签名数据采集系统中的客 户端一般是p c 机，客户端软件是运行在p c 机中的w m d o w s 应用程序。本系统 的客户端采用v i s u a lc + + 来进行开发，通过m f c 向导来创建一个应用程序框架。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 m f c 类库 m f c ( m i c r o s o f lf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 提供了一种应用于w m d o w s 的应用程序 结构。m f c 类库包含了大量的适于w m d o w s 编程的类，使用这些类就可以方便 的形成一个完整的应用框架，在此框架中添加用户代码，就可以形成一个完整的 w m d o w s 应用程序。本系统设计的客户端界面如图2 2 所示。 2 2 2w m s o c k 编程 w i n s o c k 是w m d o w s 中一套标准的、通用的t c p h p 编程接口，从w m d o w s 9 5 开始就己经被集成到了g r m d o w s 系统中。利用s o c k e t 进行通信时，有两种主要 的方式：第一种是面向连接的流方式。在这种方式下，两个通信的应用程序之间 先要建立一种连接链路，只有确定了这条数据通路以后，数据才能被正确接收和 发送。这种方式对应的是t c p 协议。第二种叫做无连接的数据报文方式，这时 两台计算机像是把数据放在一个信封里，通过网络寄给对方，信息在传输的过程 中有可能会残缺不全，而且后发出的信也有可能先被收到，这种方式对应的是 u d p 协议。流方式的特点就是通信可靠，对数据有校验和重发机制，本系统为 了实现签名数据的可靠传输，双方在传输层使用t c p 协议来实现数据传输。 2 3 服务器端概述 图2 - 2 采集客户端界面 服务器端主要实现现场签名数据的采集及实时显示，接收客户端的数据请 求，并根据客户端的请求作出相应响应。如建立数据连接通道，发送签名数据以 8 武汉理工大学硕士学位论文 及断开连接等过程。 软件程序的总体层次图如图2 4 所示。发送数据时，单片机将采集到的在线 签名数据交给t c p 协议模块处理，t c p 模块将其首部和数据封装成t c p 数据报。 然后将封装好的t c p 数据报交给口协议模块，m 模块在t c p 数据报上添加球 首部，并封装成m 数据报，然后根据路由表为m 数据报确定路由，如果找不到 相应路由，则向i c m p 协议发送出错报文，由i c m p 协议模块进行处理：找到了 路由则将数据报发送到网络接口层，网络接口层利用a r p 协议找到目的m 地址 对应的物理地址，然后封装成以太网帧，由以太网驱动程序将以太网帧发送出去。 接收数据时，由以太网驱动程序查询新的数据包的来到，然后转向数据接收 任务，由数据接收任务将接收到的数据帧交给网络接口层。网络接口层取出帧头， 判断接收数据的类型，如果是a r p 报文，则将a r p 报文交给a r p 协议模块处 理；如果是口数据报，则将m 数据包交给m 协议模块处理，口协议模块取出 i p 首部信息，然后根据数据报的类型，将报文交给相应的协议模块( t c p 模块或 i c m p 模块) 处理；t c p 模块收到报文后，取出首部进行处理，并将用户数据交给 上层应用程序处理。以下两章将详细介绍服务器端的硬件和软件实现。 图2 - 3 采集系统服务器端层次图 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章服务器硬件设计与实现 3 1 系统组成 服务器端的硬件系统由四大模块组成，即主控制模块、签名数据采集模块、 签名显示模块、以太网通信模块，如图3 1 所示。主控制模块包括c p u 、电源、 数据存储器等核心电路，实现对整个系统的控制。签名数据采集模块实现在线签 名信息的实时采集，签名显示模块实时显示签名笔迹，以太网通信模块实现在线 签名信息的远程传送。 3 2 主控制模块 3 2 1c 8 0 51 f 0 2 0 图3 i 系统模块框图 主控制模块的c p u 采用c y g n a l 公司的s o c 单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 【s l 。c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机是高度集成的混合信号系统级芯片( s o c ) ，具有与8 0 5 1 指令集完全兼容的 c i p 5 1 内核。它在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需 要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件。相比传统5 l 单片机，其技术优 势有： 首先，大力提高指令运行速度，推出了c i p 5 1 的c p u 模式。在这种模式中， 废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完 成l 条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。与8 0 5 1 相比，在相同时钟 下指令平均运行速度为原来的9 5 倍。 其次，i o 从固定方式到交叉开关配置。一改以往哟端口固定为某一特殊 功能的输入输出口的方式，而采用开关网络以硬件方式实现i o 端口的灵活配 置。遵循一定的优先权顺序，通过相应的配置寄存器控制的交叉开关，将内部的 输入输出电路单元配置到所选择的端口上。这种资源分配的灵活性是通过使用 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 优先权交叉开关译码器实现的。不管引脚被分配给数字外设或是作为通用i o ， 总是可以通过读相应的数据寄存器得到端口引脚的状态。 再次，片内还配置了标准的f l a g 接e l ( i e e e l l 4 9 1 ) 。在上位机软件的支持 下，通过串行的j t a g 接口可直接对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入 式、不占用片内资源、全速在线系统的调试。该调试系统支持观察和修改存储器 和寄存器，同时支持断点、观察点、单步运行及停机命令。在使用j t a g 接口进 行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。不但如此，c 8 0 5 1 f 0 2 0 的 y l a g 逻辑还可为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制可 以对所有器件引脚、s f r 总线和加i 口的弱上拉功能实现观察和控制。 此外，它为单片机提供了一个完善的时钟系统，在这个系统中，片内设置有 一个可编程时钟振荡器( 无需外部器件) ，可提供2 眈、4 z 、8 m h z 、1 6 m h z 时钟的编程设定。 因此，它也是最小功耗系统的最佳支持，实现了片内模拟与数字电路的3 v 供电标准，大大降低了系统功耗；完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度 要求下，使系统的平均时钟频率最低；众多的复位源使系统在掉电方式下，可随 意唤醒，从而可灵活地实现零功耗系统设计。非常适合于要求速度快、可靠性高、 扩展功能强和节电的应用系统。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的高端口即( p 4 ，p 5 ，p 6 ，p 7 ) 作为外部存储器接口。p 7 口作 为外部存储器接口的低8 位地址，p 6 为外部存储器接口的高8 位地址。p o 口由 交叉开关配置给外设，如r s 2 3 2 串口，s p i ，1 2 c 以及外部中断。p l 口控制数据 采集设备，其他的i o 口用作外部扩展。 3 2 2 电源电路 由于c 8 0 5 1 f 0 2 0 是采用3 v 电源供电，而外部接口器件为5 v 驱动，因此本 系统需提供3 v 和5 v 电源，5 v 电源由外置的2 2 0 v 转5 v 电源变换器得到，同 时在系统中将5 v 电压转换成3 v ，给单片机供电。转换芯片采用常用的电源芯 片a s i l l 7 ，它能提供最大8 0 0 m a 的电流输出，已能满足本系统的供电要求。如 图3 - 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 25 v 转3 v 电源电路 3 2 3 外部存储器电路 为了提高单片机的数据传输速度和进行复杂的t c p i p 处理，本设计中使用 扩展的外部存储器。同时外部的r a m 也可以用作串行口的输入输出缓冲，以使 单片机可以高速的吞吐数据。c y 6 2 1 2 8 是c y p r e s s 公司生产的一款低功耗 s r a m ，地址线1 7 位，容量为1 2 8 k ，与c 8 0 5 i f 0 2 0 的连接图3 3 所示，外部存 储器模式采用数据地址线复用的方式，d o d 7 为数据线，直接接到单片机的p 7 端口，a 0 - a 7 接到锁存器7 4 h c 5 7 3 的输出。a 8 - a 1 5 接到c 8 0 5 i f 0 2 0 的p 6 端口， a 1 6 接到p 4 0 。 p 7 0 - 1 7 7量 a 仉a 7 d 0 d 7 p 6 o - p 6 7a s - a 1 5 p 4 0a 1 6 c 8 0 5 1 f 0 2 0c y 6 2 1 2 8 图3 3 外部存储器连接图 3 2 4 串口通信电路 c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片内部集成了两个串口通信接口，在系统运行过程中，可以通 过串口向p c 发送状态信息或者报告错误信息，这样可以在系统调试过程中非常 武汉理工大学硕士学位论文 方便的实时观察系统的运行状态。本设计中选用m a x i m 公司的m a x 2 3 2 串口驱 动器。它的工作电压为5 v ，有两组驱动接收器，外接电容的典型值为l u f 。 串口通信所遵从的协议为r s 2 3 2 协议，全称为e i a - r s 2 3 2 c 标准，其中 e i a ( e l e e t m n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 代表美国电子工业协会，r s ( r e e o m m e n d e d s t a n d a r d ) 代表推荐协议，2 3 2 是标识号，c 代表r s 2 3 2 的最新一次修改。p c 上 的c o m i 和c o m 2 是d b 9 型接口。要与p c 进行串口通信，最简单的模式只需 要3 根线，分别是：二号管脚t x d ( 数据发送) ，三号管脚r x d ( 数据接收) ，五号 管脚g n d ( 信号参考地) 。m a x 2 3 2 有两组收发器，可以分别作为t x d r x d 和 r t s c t s 。按照典型连接，电路如图3 4 所示。 图3 4 串口通信电路图 3 3 数据采集模块 数据采集模块主要由四线电阻式触摸屏和触摸屏控制器a d s 7 8 4 6 组成。该 模块主要负责签名的多维数据信息( 包括横轴x 方向上位移、纵轴y 方向上位 移、压力等信息) 的采集，为后面的匹配识别提供原始数据。 3 3 1 电阻式触摸屏 电阻式触摸屏【9 】以一层玻璃作为基层，上面涂有一层透明氧化金属( i t o 氧 化铟) 导电层，上面再盖有一层玻璃或是外表面硬化处理的光滑的塑料层，它的 内表面也涂有一层i t o 导电层，他们之间有许多细小的透明隔离点把两导电层 武汉理工大学硕士学位论文 隔开绝缘，每当有笔或是手指按下时，两个导电层就相互接触，从而形成了回路。 如图3 - 5 所示。 金属余层 t ，： 玻璃罩 绝缘支点( 透明隔离 黔 图3 - 5 触摸屏的触摸示意图 导电层的两端都涂有一条银胶，称为该工作面的一对电极，上下两个导电层 一个是水平方向，一个是竖直方向，分别用来测量x 和y 的坐标位置，在水平 面上的电极称为x + 电极和x 一电极，在竖直平面的电极称为y + 电极和y 一电 极。工作时，两个电极根据测量需要提供参考电压或是作为测量端对接触点的位 置进行测量。当测量接触点x 坐标的时候，导电层上的x + 电极和x - - 电极分 别接上参考电压和地，y 电极不加电压，这样x 电极间会形成均匀的电压分布， 再用y + 电极作为测量点，将得到的电压值通过a d 转换，就可判断出相应接 触点的x 坐标。测量y 坐标的方法亦是如此，只需将其改成对y 电极加电压而 x 电极不加电压即可。 而测量触摸的压力的原理则是和i t o ( 氧化铟) 材料的自身特性有关，i t o 导电膜的电导率公式为p = p 0 0 + 3 厶d ) ，其中d 为导电膜的厚度，所以i t o 电 导率和i t o 导电膜的厚度成反比。因此当触摸的压力越大，接触点的i t o 导电 膜就越薄，对应的电导率就大，电阻就越小。 3 3 2 触摸屏控制器a d s 7 8 4 6 a d s 7 8 4 6 是美国b u r r - b r o w n 公司推出的新一代电阻式触摸屏专用控制器。 a d s 7 8 4 6 是典型的逐步逼近型a d 变换器，其结构以电容再分布为基础，包含 了取样保持功能。a d s 7 8 4 6 的引脚与以前产品a d s 7 8 4 3 的引脚完全兼容，只 是增加了片内温度测量、触摸压力测量和电池电压测量三个功能。a d s 7 8 4 6 的 其它主要特点如下： ( 1 ) 具有四线制触摸屏接口； 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 可单电源工作，电压范围为2 2 5 2 5 v ； ( 3 ) 内部自带+ 2 5 v 参考电压； ( 4 ) 具有1 2 5 k h z 的转换速率； ( 5 ) 带有微处理器的串行接口； ( 6 ) 具有可编程8 位或1 2 位的分辨率； ( 7 ) 具有l 路辅助模拟量输入； a d s 7 8 4 6 是由c s 、d c l