DSP課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)基于DSP的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)湖 北 民 族 學(xué) 院 科 技 學(xué) 院信息工程系dsp課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)題目: 基于dsp的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2010 年 5 月 28日信息工程系課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）電氣工程設(shè)計(jì)題目基于dsp的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)（1）tmsc5402芯片的運(yùn)算能力高達(dá)100mips(2)fps200采集的指紋圖像為256300象素(3)系統(tǒng)錄入指紋時(shí)間小于0.5，誤識(shí)率小于0.1%，拒識(shí)率小于2%.設(shè)計(jì)要求（1）繪制系統(tǒng)框圖(visio)；（2）包括電源設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)空間的軟硬件設(shè)計(jì)、rs232 通

2、信接口軟硬件設(shè)計(jì)、總線控制和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)等、用protel軟件繪制原理圖和pcb圖；（3）編寫(xiě)測(cè)試程序；（4）從理論上分析，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要滿足基本的信號(hào)處理要求；（5）參考文獻(xiàn)、論文格式規(guī)范。工作量字?jǐn)?shù) 5000-10000字圖紙 10-15張。工作計(jì)劃第14周認(rèn)真復(fù)習(xí)教材第15周再次認(rèn)真學(xué)習(xí)protel和visio軟件的使用第16周完成課程設(shè)計(jì)第17周認(rèn)真檢查修改參考資料1康華光，陳大欽. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）m. 北京：高等教育出版社，20052楊強(qiáng).譚禮俊.生物識(shí)別技術(shù)對(duì)比淺析j.人眾科技.2005 2 50- 51.3勒中鑫.數(shù)字圖像信息處理m 北京:國(guó)防工業(yè)出版社.2003 63

3、 654陳宏.田捷.檢驗(yàn)配準(zhǔn)模式的指紋匹配算法j.軟件學(xué)報(bào).2000年 16(6): 115趙鵬匕.基于tms32 c5402 dsp的指紋識(shí)別系統(tǒng)研究c.山西:中北大學(xué).20指導(dǎo)教師簽字 年 月 日信息工程系課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）： 電氣工程 課程設(shè)計(jì)題目： 基于dsp的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 成績(jī)： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 摘 要在綜合考慮日前技術(shù)的發(fā)展、性能與成本等因素的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以ti公司的tm s320c5402處理器為核心的指紋識(shí)別系統(tǒng)該系統(tǒng)的硬件由fps200指紋采集傳感器、主控電路、輸入通路、輸出通路等部分組成.并對(duì)指紋識(shí)別算法

4、采用dsp專(zhuān)用匯編指令集與c語(yǔ)言混合編程的方法，以此實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效低功耗的嵌入式系統(tǒng)。文中介紹了其組成原理、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、圖像采集電路的實(shí)現(xiàn)，以及指紋識(shí)別算法的處理流程和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)試驗(yàn)，該模塊的采集效率高、識(shí)別速度快且準(zhǔn)確可關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別 tms320c5402 dsp 識(shí)別算法abstract on the basis of comprehensive balancing of the current advancern ent of technology system performance and the cost a novel fingerprint identi

5、fication system is designed with tms320c5402 chip made by ti corporation as its central processor .the hardware of system consists of fps200 fingerprint collecting sensor main control circuit ,input channels,output channels the program of fingerprint identification algorithm mixes the assemble langu

6、age and c,which implements a high effective and low cost embedded system.the software and hardware design and implementation of this system are introduced later .in experiments,the module is fast speed and accurate ,and takes a very good performance.key words:fingerprint identification; dsp;tmsc5402

7、；identification algorithm目 錄緒言61 指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作原理72總體硬件設(shè)計(jì)82.1存儲(chǔ)空間的軟硬件設(shè)計(jì)82.2 rs232 通信接口軟硬件設(shè)計(jì)102.3總線控制和驅(qū)動(dòng)102.4指紋圖像的獲取113軟件設(shè)計(jì)123.1識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)123.2系統(tǒng)處理流程134系統(tǒng)調(diào)試方法155總結(jié)16參考文獻(xiàn)17 緒言：隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，生物識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越加廣泛.在各種生物識(shí)別技術(shù)中，指紋識(shí)別是日前生物檢測(cè)學(xué)中研究最深入、應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成熟的最有前景的一種識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)分析指紋的局部特征，從中抽取詳盡的特征點(diǎn)，從而可靠地確認(rèn)個(gè)人身份.指紋識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)是指紋作為

8、人體獨(dú)一無(wú)一的特征，它的復(fù)雜度可以提供用于鑒別的足夠特征，具有極高的安全性、實(shí)用性、可行性.是一種比較理想的身份認(rèn)證技術(shù)。1指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作原理指紋識(shí)別系統(tǒng)從整體上可分為指紋圖像采集、圖像處理和識(shí)別二大部分組成.工作原理框圖如圖1所示. 系統(tǒng)學(xué)習(xí)模塊負(fù)責(zé)采集用戶指紋數(shù)據(jù)，對(duì)指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取這些指紋特征，作為將來(lái)的對(duì)比模板存入數(shù)據(jù)庫(kù);指紋識(shí)別模塊則負(fù)責(zé)采集和處理指紋圖像，在提取特征后與數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋模板進(jìn)行對(duì)比，然后判斷是否匹配，得出結(jié)論。整個(gè)系統(tǒng)核心就是圖像處理特征提取以及指紋比對(duì). 圖1.指紋識(shí)別系統(tǒng)原理框圖2 總體硬件設(shè)計(jì)指紋系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。該系統(tǒng)是由指紋采集儀、fp

9、ga、sram 和flash 等硬件組成。rs232 用于數(shù)據(jù)傳輸，pc 機(jī)可以通過(guò)該接口得到指紋特征數(shù)據(jù)；flash 存儲(chǔ)指紋信息庫(kù)、lcd 用的字符和dsp 程序；fpga 在dsp 的控制下從取指器中取出圖放入sram 中. 圖2.系統(tǒng)總體硬件框圖2.1 存儲(chǔ)空間的軟硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)要訪問(wèn)的存儲(chǔ)器有三個(gè)：dsp 內(nèi)部daram（16k 字，用于存放常量和變量的數(shù)據(jù)空間）、sram 和flash。因?yàn)?402 有20 根地址線可以用來(lái)對(duì)程序空間尋址，所以有1m 字節(jié)的尋址空間，利用高地址線a19 來(lái)區(qū)分flash 和sram。其中sram 是bootloader 后程序運(yùn)行的空間，這樣就把f

10、lash 放在高地址上去了。5402 的數(shù)據(jù)尋址空間僅為64k，所以要進(jìn)行分頁(yè)擴(kuò)展。為了避免和daram 的訪問(wèn)沖突，不能使用64k 一頁(yè)。因?yàn)?4k 中低地址的16k 實(shí)際上不能訪問(wèn)，它優(yōu)先被64k 中低地址的16k 實(shí)現(xiàn)上不能訪問(wèn)，它無(wú)被daram 訪問(wèn)，所以定為32k 的一數(shù)據(jù)頁(yè)。分配一個(gè)i/o 地址，而后通過(guò)i/o 地址的譯碼對(duì)74ls273 進(jìn)行使能控制，最后鎖存i/o 的數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)頁(yè)。當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，應(yīng)分為以下幾步：解析該地址，進(jìn)行分割。前（低）15 位為頁(yè)內(nèi)地址，后（高）6 位為頁(yè)地址。判斷頁(yè)地址是否為0。如果為0，則說(shuō)明訪問(wèn)daram，直接使用訪問(wèn)數(shù)據(jù)的指令；需要的16

11、 位地址就是前15 位的地址、高位補(bǔ)零，并結(jié)束。把頁(yè)地址用portw 命令送到寄存器（所分配的i/o 空間地址）里，頁(yè)地址也就在sram 的高地址線上了。再使用訪問(wèn)數(shù)據(jù)的指令，需要的16 位地址就是前15 位的地址、高位補(bǔ)零。對(duì)存儲(chǔ)器的管理，需要編寫(xiě)一定量的程序。可以設(shè)置一個(gè)全局變量存儲(chǔ)頁(yè)地址。由于擴(kuò)展頁(yè)僅為32k，大于32k 的數(shù)組是開(kāi)辟不出來(lái)的，所以使用鏈表。需要注意的是釋放空間時(shí)，把相鄰的未使用的空間盡量連接成一大塊，同時(shí)需要一個(gè)接一個(gè)地把用過(guò)的堆棧拷貝到堆空間的尾部，使自己空間聚合成一個(gè)大塊。圖3、圖4 分別為外部程序擴(kuò)展和數(shù)據(jù)空間擴(kuò)展示意圖。 圖5.外部存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)2.2 rs232

12、 通信接口軟硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)使用max3232 連接dsp 與pc 機(jī)，通過(guò)軟件控制分頻比可獲得通用的300baud230kbaud 的波特率。max3110e 內(nèi)部uart 與rs232 收發(fā)器能夠獨(dú)立工作。mcbsp 的時(shí)鐘停止模式可以兼容spi 主-從協(xié)議。所謂mcbsp 的時(shí)鐘停止模式是指其時(shí)鐘會(huì)在每次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)停止，并在下次數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始時(shí)立即啟動(dòng)或延半個(gè)周期再啟動(dòng)。其接收器和發(fā)送器是同步的，即clkx 和fsx 分別與clkr 和fsr 相連；在傳輸過(guò)程中，clkx 和fsx 又分別用做spi 的移位時(shí)鐘sck 和從方使能ss，可以是輸出（主方），也可以輸入（從方）。其mcbsp

13、初始化編程應(yīng)遵守以下幾個(gè)步驟：將spcr 中的xrst、rrst 置為0，處于復(fù)位狀態(tài)。mcbsp 保持復(fù)位的狀態(tài)下，設(shè)置有關(guān)的寄存器為需要的值。由于spi 協(xié)議要求mcbsp 在移位輸出數(shù)據(jù)之前，fsx 信號(hào)必須由dxr-xsr 產(chǎn)生fsx，所以xcr 寄存器中xdataly 位必須設(shè)置為1。設(shè)置spcr-grst 為1，采樣率發(fā)生器退出復(fù)位狀態(tài)，開(kāi)始工作。等待兩個(gè)時(shí)鐘周期，以確保mcbsp 在初始化過(guò)程中內(nèi)部能夠正確地同步。而后，配置max3110e 的波特率和發(fā)送波形，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)max3110e 的數(shù)據(jù)手冊(cè)拼裝成一個(gè)16 位的字進(jìn)行發(fā)送。接收通過(guò)dsp 的int0 中斷進(jìn)行處理。 圖

14、6.rs232通信接口設(shè)計(jì)2.3 總線控制和驅(qū)動(dòng)本系統(tǒng)中總線有兩種：數(shù)據(jù)總線和地址總線。數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，地址總線進(jìn)行尋址。因?yàn)閐sp 的數(shù)據(jù)總線是3.3v 的高電平邏輯值，可能出現(xiàn)不能驅(qū)動(dòng)外部5v 的邏輯電平的情況；而且連接在動(dòng)能力不足。因此，需要對(duì)總線，特別是數(shù)據(jù)總線進(jìn)行加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)計(jì)。其中數(shù)據(jù)總線使用sn74lvth16245 來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)向驅(qū)動(dòng)；地址總線是單向的，沒(méi)有方向的控制，也沒(méi)有使能的控制，使用sn74lvth16244單向驅(qū)動(dòng)器就可以了。對(duì)于數(shù)據(jù)總線的控制，按照所邏輯合理使用了dsp_mstrb。dsp_iostrb、r/w 就可以完成了 圖7.總線控制和驅(qū)動(dòng)2.4 指紋

15、圖像的獲取采用altera 公司的maxplus ii 軟件進(jìn)行vhdl 語(yǔ)言編程。按照一定的時(shí)序，把指紋圖像放大sram的固定地址中，這一部分調(diào)試有些麻煩，可以放在最后做，而圖像的獲取可使用ccs2.0 下的file-data-load 把圖像文件放入指定的內(nèi)存區(qū)域。此圖像文件為ccs 數(shù)據(jù)文件，可以編寫(xiě)一段c 程序把bmp 文件轉(zhuǎn)換成ccs 文件。另一種比較方便的方法是用dsp 編寫(xiě)一個(gè)小程序，使用fopen()、fread()等函數(shù)把圖像讀入內(nèi)存，然后使用file-data-save 保存成ccs 文件。3 軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于d sp的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ccs2 0下設(shè)計(jì)的.軟件實(shí)現(xiàn)

16、包括兩大部分:一是完成指紋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化一是完成指紋識(shí)別程序.系統(tǒng)初始化程序包括:v c 5402內(nèi)部寄存器初始化程序、接日程序設(shè)計(jì)、判斷是否進(jìn)行指紋采集的程序.我們將在下節(jié)重點(diǎn)討論識(shí)別程序算法及實(shí)現(xiàn).調(diào)用tm s320c 5402編輯器將系統(tǒng)初始化及指紋識(shí)別程序編譯生成h ex文件后燒寫(xiě)到系統(tǒng)的flash中，以便保證系統(tǒng)上電后能夠正常自舉加載.3.1識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別算法是指紋識(shí)別的核心技術(shù)，本系統(tǒng)的指紋識(shí)別算法流程圖，如圖8所示先經(jīng)過(guò)圖像分割、濾波增強(qiáng)(包括規(guī)格化、計(jì)算方向圖和方向?yàn)V波)、一值化、細(xì)化這兒個(gè)指紋圖像預(yù)處理后，再進(jìn)行特征提取和特征匹配最后輸出結(jié)果. 圖像分割卞要是將

17、指紋圖像的前景區(qū)域和背景區(qū)域分割開(kāi)來(lái).前景區(qū)域包括了指紋圖像的脊和谷，為提高特征點(diǎn)提取的可靠性，要進(jìn)行圖像分割，去除背景區(qū)域.規(guī)格化即是把指紋圖像的對(duì)比度和灰度都調(diào)整到一個(gè)固定的級(jí)別上，為后續(xù)處理提供統(tǒng)一的規(guī)格.方向信息是指紋圖像的貢要信息.本文采用基于鄰域灰度統(tǒng)計(jì)特征法獲取指紋的點(diǎn)方向圖，進(jìn)而設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)的濾波器模板，使指紋在切向平滑、在法向銳化，以消除指紋的誤斷和義連一值化是將灰度指紋圖像根據(jù)所選閩值將像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換為q1的一值圖像，從而增強(qiáng)了脊、谷的對(duì)比度.之后對(duì)紋路又進(jìn)行細(xì)化細(xì)化的日地是刪除紋線的邊緣像素，使之只有一個(gè)像素寬度.細(xì)化以后的指紋圖像中的每條紋線都變?yōu)閱蜗袼貙挼摹包c(diǎn)線”再經(jīng)去噪

18、，就可以見(jiàn)到清晰的點(diǎn)線圖，為以后的特征提取作好了準(zhǔn)備. 指紋特征提取算法可以簡(jiǎn)單的分為直接從灰度指紋圖像提取特征和從細(xì)化一值指紋圖像提取征，本系統(tǒng)采用了細(xì)化一值圖像提取特征的方法，該方法在得到可靠的細(xì)化一值圖像后，提取出特征點(diǎn)相應(yīng)的坐標(biāo)位置、種類(lèi)、方向等有用的信息.我們采用了較典型的方法(鄰域判定法)，該方法用一個(gè)3x3的模板便可將端點(diǎn)和分義點(diǎn)提取出來(lái)，對(duì)于細(xì)化后的一值圖像，對(duì)每個(gè)點(diǎn)值計(jì)算其交義數(shù)(c .1).點(diǎn)r的交義數(shù)c.,定義在一個(gè)3x3的模板上.模板如圖9所示. 圖8.指紋算法識(shí)別流程圖圖9特征提取模板r是待檢驗(yàn)點(diǎn)，如果r是端點(diǎn)，則它的8領(lǐng)域滿足如果m點(diǎn)是分義點(diǎn)，則它的8領(lǐng)域點(diǎn)滿足這樣

19、就可以找到特征點(diǎn)，并記錄他們的類(lèi)型和位置.求出特征點(diǎn)后，再根據(jù)平均紋線距離等信息對(duì)所得特征點(diǎn)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，去除偽特征點(diǎn)，保留真特征點(diǎn).然后一特征點(diǎn)的坐標(biāo)(戈力，及特征點(diǎn)的方向d，結(jié)合其鄰域情況(鄰域內(nèi)的特征點(diǎn)數(shù)、相對(duì)位置、脊線上特征點(diǎn)所處位置的紋曲率、特征點(diǎn)鄰域內(nèi)的脊線紋密度等等)，可以構(gòu)成該指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的特征向量.將所有的特征向量進(jìn)行篩選后留下50到80個(gè)特征向量，構(gòu)成指紋特征模板.特征匹配卞要是細(xì)節(jié)特征的匹配，依靠指紋本身決定的可靠參考坐標(biāo)系，可以提高指紋的匹配的效率.指紋中心處具有較高的不可定向性程度，其附近的紋線方向多變.利用方向圖和不可定性圖設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了指紋自動(dòng)定位的快速算法.該

20、算法能夠確定指紋中心點(diǎn)的位置和方向，自動(dòng)定位率在9/c以上.對(duì)于用活體指紋采集輸入的指紋，自動(dòng)定位率更高.用同樣的方法，我們還可以準(zhǔn)確提取指紋的下、中心及左、右二角點(diǎn)等形態(tài)特征與輔助定位信息.對(duì)點(diǎn)模式匹配算法很多，我們使用的算法是通過(guò)在一定范圍搜索參數(shù)空間，計(jì)算其匹配支持?jǐn)?shù)，也就是在該參數(shù)空間單，有多少指紋對(duì)匹配.當(dāng)匹配支持?jǐn)?shù)最大時(shí)，也就得到了所需要的結(jié)果.算法步驟:(1)分別讀取兩個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)集合;( 2)分別計(jì)算他們的細(xì)節(jié)節(jié)點(diǎn)的模值:，細(xì)節(jié)節(jié)點(diǎn)的方向。，細(xì)節(jié)節(jié)點(diǎn)的弧度值rad ianx，y為細(xì)節(jié)點(diǎn)的戈j軸坐標(biāo)，angle為細(xì)節(jié)點(diǎn)的角度. ( 3)依據(jù)rack二的大小按升序排列兩個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)集合;(

21、 4)根據(jù)r，e，rad ian的值計(jì)算兩細(xì)節(jié)點(diǎn)集合的匹配支持參數(shù)值supportvalue m n ;（5)循環(huán)比較、pportvalue m n與閥t值的大小(本程序t = 10)，大于t則匹配度參數(shù)加上( 6)匹配度=匹配度參數(shù)乘100再除以細(xì)節(jié)點(diǎn)數(shù)，如果大于70則超過(guò)70%的細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配，認(rèn)為兩細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配.3.2系統(tǒng)處理流程整個(gè)系統(tǒng)的處理的過(guò)程分為四個(gè)步驟： 從圖像傳感器輸出的指紋圖像首先送到fpga緩沖,同時(shí)運(yùn)用設(shè)計(jì)好的預(yù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到各像素點(diǎn)的梯度值以及子塊中極大值點(diǎn)的坐標(biāo),所有這些數(shù)據(jù)連同原始數(shù)以突發(fā)模式存入ddr sdram中; dsp通過(guò)fpga從ddr sdra

22、m中讀取所有相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算出脊線方向和脊線頻率,然后利用gabor對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,處理后的圖像數(shù)據(jù)再通過(guò)fpga存入ddr sdram中,因此在ddr sdram的輸入輸出端都需要進(jìn)行緩沖; 根據(jù)dsp處理的指令要求,從ddr sdram中讀出濾波后的數(shù)據(jù),由fpga內(nèi)部的比較邏輯提取出指紋圖像中每行（每列）中的極大值點(diǎn),送到dsp進(jìn)行進(jìn)一步處理,完成指紋圖像脊線提取; 由dsp完成匹配識(shí)別算法,并輸出處理結(jié)果。4系統(tǒng)調(diào)試方法設(shè)計(jì)并加工好印制電路板后，就進(jìn)入了硬件調(diào)試階段。首先應(yīng)對(duì)電路板作細(xì)致常規(guī)檢查，防止短路和斷路情況發(fā)生。加電后，檢查晶體是否振蕩，復(fù)位是否正確可靠，而后用示波器檢查5402輸出時(shí)鐘clkout是否按照指定時(shí)鐘模式工作。在作完這些檢查賓，就可以進(jìn)入系統(tǒng)硬件調(diào)試階段。在硬件仿真時(shí)，首先要配置目標(biāo)系統(tǒng)存儲(chǔ)器映像，這是通過(guò)設(shè)置仿真器命令文件實(shí)現(xiàn)?？梢栽诜抡嬲{(diào)試軟件目錄下改