指纹识别系统

1、指纹识别系统1.1 指纹识别系统原理指纹识别系统的组成原理。如图1-1所示。图中的学习模块负责采集用户指纹数据，对指纹图像进行预处理， 提取这些指纹的特征,作为将来的比对模板存人数据库。而识别模块然后判断是否则负责采集和处理指纹图像，在提取特征后与数据库中的指纹模板进行比对,图1-11.2 指纹采集与指纹图像处理方法目前，主要的指纹采集方法有两种：一种是光学采集器；另一种是用半导体传感器。光学采集器采集指纹是通过把手指沾上油墨后按在白纸上，然后用摄像机把图像转换为电信号。光学采集受外界干扰小、采集精度较高，但是数据量较大，因此处理时问较长。而对于半导体传感器来说， 手指的温度、湿度对其测量结果

2、有影响，但是数据量不大，处理比较方便。随着半导体技术的发展，半导体传感器的成本低、体积小、方便集成等优点逐步体现，它已逐步代替光学采集器。指纹鉴定过程的第一个阶段是指纹图像的采集阶段，也就是指纹模板白录a阶段。为了初步确定图像预处理方法，我们必须首先了解指纹传感器获得的图像的尺寸和质量。根据不同的指纹传感器， 我们设计不同的方案进行图像采集，并将从各个图中提出特征点储存到数据库中，来产生“活模板”，为后面的指纹鉴定做准备。指纹图像处理是整个指纹识别过程的核心。常见的指纹图像处理包括滤波增强、二值化、细化、提取特征点四个步骤。在采集指纹图像的过程中，由于采集环境，皮肤表面的性质，采集设备的差异等

3、各种因素的影响，采集的图像会不同程度的受到各种噪声的干扰，从而影恢复响了采集图像的质量。所以实际的指纹图像首先通过一个滤波增强来改善图像的质量,脊线原来的结构。特征提取算法的性能和其它指纹识别技术的好坏取决于输入指纹图像质量 的好坏。本系统采用一种用gabor滤波与方向滤波结合对图像进行增强的方法该方法结合gabor滤波器善下分离粘连脊线和方向滤波器善于连接断裂接线的特点，能够对低质量的指纹图像进行有效的增强。完成图像增强后.第二步是对图像进行二值化处理。二值化是指把灰度指纹图像根据所选取的值化为。1取值的二值目像。第三步，对纹路进行细化，细化能够减少大量的多余信息.细化后的指纹图像中的每条纹

4、线都足用单像素来表示点线，更加突出了指纹特征。最后一步则是纹路特征点的提取，在特征提取阶段，选择脊线端点和分歧点作为特征点，记录每-特征点的类别、位置和方向信息，从而得到特征点（特征模板）。经过以上几个步骤，系统便完成对指纹图像的处理过程，得到最终模板。依据上述指纹识另预处理算法 ,通过ccs2.2的模拟功能，实现了指纹识别预处理的dsp处理，达到了 dsp处理指纹图像的应用目的。g配次平增门用愧 枝氐期世匚脂理2.1硬件设计系统硬件电路主要包括：dsp芯片，tms320vc5402传感器fps200、flash、srom以及显示和键盘结构框图如图3-1所示图3-1系统的核心处理单元是 ti公

5、司推出的高性能数字信号处理器tms20vc540g具有精度高、灵活性太、可靠性高、时分复用等特点。其采用程序空间与数据空间完全独立的哈佛总 线结构.指令的执行采用流水线结构，内部有一到多个处理内核，带有片上硬件乘法器，指令执行速度最快为几十纳秒，处理能力为100 mips。片内有8条总线、片上存储器和片上外围电路等硬件，并且有高度专业化的指令系统.msc5402直接数据寻址空间为 64kb,程序空间寻址能力可达1 mb,但是通过程序空间来扩展数据空间将影响系统处理速度。但是mts320vc540在实际使用过程中，程序和数据的一次连续处理一般都不会超过64 kb,所以把核心的程序常驻 tms32

6、0vc540附16kb空间，一般控制在l2kb,再留78kb的空间调 用所需的程序，程序在片内的执行速度要比片外的快许多，通过来回到程序，就能实现程序的全速运行。数据空间可以通过cpld片选来进行扩展。由于 dsp外部最多支持扩展 32 k数据空间.但是我们实际扩展了64 k的sram因此sram勺a15地址线由dsp通过cpld中的逻辑电路来控制，由此来选择使用sram勺高地址段32 k存储空间或者地址段 32 k存储空间，这样既符合 dsp的外扩空间要求，又使系统增加了更多的数据存储空间。cpi是由一种被ieee认定的标准硬件描述语言 vhdl（vhd住要用于描述数字系统的结构、行为、功能

7、 和接口）实现的。在系统终端我们选用lcm液晶显示模块，直接显示需要的指纹图像和数据结果。要显示的图像或数据先由dsp存人缓冲器，再由lcm卖取，这样可以避免了由于 dsp和lcm读写速度不匹配而发生错误。由于该模块板必须具有完全独立运行指纹图像检测；特征提取；特征提取和特征模板存储等程序综合各个方面因素因此采用了ti公司的dsp处理器tms320vc5402该芯片的主要特征有最高频率100mhz性价比极高它含 4k 16bits 片内rom 16k 16bits 片内daram 6个dma!道2个mcbsp 2个timer外部程序空间可扩展到 1m16bits 可工作在 3 种低功耗方式(i

8、dle1 idle2 idle3) 本设计中为该处理器分别扩展了512k 16bits 的 flash 和 sram# 1 片使用 altera 公司的 cpld 芯片 epm3032朋 flash 和 sram等产生部分控制信号利用max3111为dsp扩展一个与pc机通信的异步串口指纹检测芯片采用 veridicom 公司的 fps200 指纹检测芯片整个模块板的系统。图像采集电路是整个系统中极其重要的部分， 高质量指纹图像的采集大大的降低了在鉴定指纹时的误识率和拒识率，提高整个系统的性能。系统采用的是美国 veridicom 公司的 fps200 固态指纹感器作为图像采集电路的核心器件。

9、芯片适用于更复杂的指纹和更恶劣的气候条件。它采用标准 comst艺制造，获取图像为 256x300像素，分辨率为 5。opj提 供二三种接口方式：标准 8位微处理器总线、集成高速 usb接口、串行外设接口 spi。图像 传输速度分别为30帧/s、13帧/s、10赖/s.fps200芯片由256列和300行电容阵列组成，芯片内设计有两个采样保持电路用于指纹图像的采集。 通过测量每个传指感单元在每次充电后的电压值和放电后的电压值的差来获得每路。 系个传感单元的电容值。 每次捕捉每行图像后， 在该内的每个传感单元内就有待数字化的电容值。因此通过改变放电电流大小和放电时间就可以改变fps200 的灵敏

10、度。整个图像采集流程网如网 3-2 所示。fsp200初始化开始采集图像开始第一次 a/d转换升始a/d转换。将上次结果送至缓冲区读输出缓冲区数 据将最后一次a/dw换结果送至输出缓冲区读最后一个传感 器单元的值图像采集结束图3-2（1） dsp处理器与fps200指纹检测芯片相连指纹检测芯片采用了 veridicom 公司的电容式指纹传感器 fps200该芯片提供了 3种 可供选择的接口分别为 usbspi和并行接口使用了 spi接口与dsp的mcbspi互联dsp处 理器的mcbsp接口为高速全双工多通道缓存串行接口每个mcbsp接口包含6个管脚引线分别为 bclkx传送参考时钟）bdx（

11、传送数据） bfsx（传送帧同步信号）bclkr（接收参考时钟）bdr（接收数据）和bfsr假收帧同步信号）在 与fps200的spi接口互联时dsp处理器采用主方式 fps的spi采用从方式连接如图 3-3所示(2) dsp存储空间扩展由于dsp本身所带的数据存储器只有16kb的darami序存储器也只有 4kb的rom我们所采集的一幅原始指纹图像就有75kb再加上指纹处理所需的数据空间以及运行和存储程序所需的程序空间芯片上所带空间无法符合使用要求必须扩展数据存储器和程序存储器 在该模块板上扩展了512k 16bits 的flash芯片用于存储指纹处理程序和指纹特征模板此外还扩展了 512k

12、 16bits 的sram芯片用于运行指纹处理程序提供保存采集到的指纹图像以及程序运行过程中所需的临时数据所需空间flash与sram的d0.15以及a0.14总线直接与 dsp的data0.15 以及add0.14相连另外的/we/oe /ce和a15.18 等信号线 的控制信号将通过 cpld产生相应的译码信号如图所示cpld所产生的译码逻辑将在后面加以说明由于 dsp的数据寻址空间只有 64 16bits 在对数据空间操作时 dsp的地址线 a16-a19将处理高阻状态，因此无法直接对512k 16bits的数据空间进行操作将128k16bits的sram划分给数据空间将剩下的 384k

13、 16bits 的sra厢全部512k 16bits 的flash 划分给程序存储空间 dsp在对数据空间操彳时当标志位ovly为1时系统把低32kb的寻址空间映射到片内 daramf口 rom中外部扩展的数据空间若地址在0000h7fffh范围内的则无法操作再把外扩的128k 16bits 的数据空间分成4页分时影射到8000hffffh 的地址空间 中即高32kb的数据空间如图3-4所示。最终数据空间的寻址范围为0000hffffh 其中高32k的空间可通过页面切换共4个页面总共有144kb的数据空间外部程序间共有896kb寻daramflashnullpage0page1page2pag

14、e3图3-4(3)扩展串行通信口dsp所提供的 mcbsp的接口为高速全双工的串口与pc机所提供的异步串口操作方式不同无法直接相连我们通过一个异步串口收发器max3111来实现操作方式的转换该芯片已包含了 2个rs322电平转换器这样就不再需要max232进行电平转换利用 dsp的mcbsp0端口与max3111互联dsp的发送时钟信号(bclkx0)作为max3111的串行时钟输入发送帧同步脉冲信号(bfsx0)作为max3111的片选信号(cs) bdx0与din连接作为发送数据线bdr0与dout连接作为接u数据线 max3111的tx与t1in连接rx与r1out连接以便利用其片内的转

15、换器实现 uart到rs-232电平的转换 max3111的中断信号(irq)与dsp的外部中断相连连线如图3-5所示图3-5(4)其他电路设计除以上功能模块外再就如下几点作简要说明整个模块板采用+5v单一电源供电经电源调整模块tps767d318输出+3.3v与1.8v电压模块板中所有芯片均采用3.3v电压dsp的核心电压采用1.8v板中通过io 口 hd0和hd1扩展了两个功能按钮两个均采用低电平触发方式两个按钮连线通过或门功能产生一个中断信号连接dsp的/int2管脚使用中断方法对该两个按钮进行编程模块板中提供了一个10芯jtag接口用于对 cpld芯片进行编程板中还提供了一个14芯的j

16、tag接口用以对dsp进行调试模块板中使用 3组调线分别连到 dsp图3-7时钟电路dinjtag1dcl1tks 二t心 tdi td1vc(? emu。tnrrtt1ttafstdivccidotrettckemotrstgxdnc gnd gnd gnd emirkalravostrbr2310kvcc图3-8 jtag电路r2410k014图3-9复位电路2.2. 软件设计识别过程及软件实现；逻辑功能实现；cpld译码电路功能实现我们通过epm3032acpl比片实现对存储器芯片和键盘按钮进行控制键盘按键按钮信号通过一个与运算产生中断信号flash 及sram的读信号通过 dsp的/m

17、strb与r/w信号进行或运算得到flash及sram的写信号通过dsp的r/w信号的非运算后再与/mstrb进行或 运算得到在选中程序存储器时片选信flash和sram芯片的片选信号由 a19产生flash以及sram勺地址线a15.18直接由dsp的地址线addr15.18但是要禁止用户访问程序空间的高 128kb 的空间即发e0000h-fffffh 的地址空间在用户选中数据存储空间时在用户访问高 32kb 的数据空间时通过分时换页方式提供给用户这时系统通过dsp 中 hd5 以及 hd6产生换页信号通过altera 公司的 quartus ii 系统利用 cpld 的 jtag 接口对

18、 epm3032a 进行编程以下是采用 ahdl硬件描述语言对cpld逻辑功能的说明begin% 产生键盘中断信号%dsp_int2= key1 and key2;%产生flash和sram的读信号 flash_sram_oe =dsp_mstrb or (not dsp_rw) ;炉生flash和sram的写信号% flash_sram_we =dsp_mstrb or dsp_rw;if (not dsp_ds) and dsp_a15 then%产生sram的片选信号%sram_ce = dsp_ds ;%产生sram的选页信号%sram_a15 = dsp_hd5 ;sram_a16

19、= dsp_hd6 ;sram_a17 = not dsp_ds ;sram_a18 = not dsp_ds ; end if;if not dsp_ps then%产生sram的片选信号sram_ce = not dsp_a19;% 产生 flash 的片选信号%flash_ce = dsp_a19 ;% 产生 flash 的地址信号%flash_a15 = dsp_a15 ;flash_a16 = dsp_a16 ;flash_a17 = dsp_a17 ;flash_a18 = dsp_a18 ;%产生sram的地址信号%sram_a15 = dsp_a15;sram_a16 = ds

20、p_a16;sram_a17 = dsp_a17;sram_a18 = dsp_a18;%禁止访问sram的高128kb的地址空间%if dsp_a17 and dsp_a18 and(not dsp_ps) thensram_ce = not dsp_ps;end if;end if;end;为兼容不同的应用系统vc5402 共提供了 5 种不同的引导方法(1) 主机接口 hpi 自举引导方式需执行的程序代码通过hpi 由外部主处理器加载至片内存储器中(2) 8 位并行eeprom1举弓i导方式(3) 8 位或 16 位并行自举引导方式自举引导程序通过外部并行接口总线读取存放于数据存储空间中的自举表自举表的内容包括欲加载的