664524436基于單片機(jī)指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計

1、摘 要隨著時代的發(fā)展，社會越來越需要高效、可靠的身份識別系統(tǒng)。傳統(tǒng)的個人身份鑒別手段如鑰匙、口令、密碼、身份證件，甚至ic卡等識別方式，由于它們具有可假冒、可偽造、可盜用、可破譯的弱點，已不能完全滿足現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)活動和社會安全防范的需要。隨著識別技術(shù)的不斷成熟和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種基于人體生理特征的身份識別系統(tǒng)如：指紋、手掌、聲音、視網(wǎng)膜、瞳孔和面紋等識別技術(shù)紛紛從實驗室中走出來。目前，從實用的角度看，指紋識別技術(shù)是優(yōu)于其它生物識別技術(shù)的身份鑒別方法。關(guān)鍵詞：指紋識別；單片機(jī)；圖像處理目 錄 緒 論1一、指紋識別的概述2（一）指紋識別的歷史2（二）指紋識別的發(fā)展前景3（三）指紋識別中的基

2、本概念3二 、單片機(jī)mcs-51系統(tǒng)6（一）mcs系列單片機(jī)簡介6（二）mcs-51存儲器結(jié)構(gòu)8（三）mcs-51單片機(jī)的引腳功能12（四） mcs-51單片機(jī)的中央處理器16三、指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計18（一）指紋識別系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述18（二）指紋識別功能描述18（三）指紋識別系統(tǒng)工作原理及硬件特性20四、指紋識別系統(tǒng)的軟件設(shè)計23（一）識別指紋的總體特征和局部特征23（二）指紋識別系統(tǒng)的流程24（三）指紋識別系統(tǒng)串行口工作方式25（四）單片機(jī)圖像處理設(shè)計26結(jié) 論29參考文獻(xiàn)30致 謝31緒 論進(jìn)入21世紀(jì)后，由于國際反恐、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等因素的推動，在全球范圍內(nèi)，指紋識別技術(shù)得到了更加廣泛的

3、應(yīng)用，指紋識別市場進(jìn)入高速發(fā)展階段。據(jù)國際生物認(rèn)證組織（international biometric group）的預(yù)測，到2008年，整個生物認(rèn)證市場的總量將達(dá)到46億美元，并將保持每年36以上增長速度。出現(xiàn)這種驚人的高速增長不是偶然的，比爾蓋茨就曾做過這樣的斷言：生物識別技術(shù)，利用人的生理特征，例如像指紋等來識別個人的身份，將成為今后幾年it產(chǎn)業(yè)的重要革新。蓋茨有這段言論是因為據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，每年由于證件或密碼遺失而造成的損失巨大。這是因為各種密碼被破解的概率越來越高，或者由于年齡的曾長記憶力隨之下降的原因?qū)е碌?。而指紋在所有的生物特征中，相對穩(wěn)定、不隨年齡而變化和采集較為便捷，同時它的

4、研究歷史最長、相對更為成熟。與現(xiàn)有的智能卡、身份證號碼和密碼的身份識別系統(tǒng)相比，指紋識別的性價比最高，也更適于應(yīng)用到大眾生活中。因此指紋識別以其革命性的便捷和安全性成為一個理想的卓越的解決方案。一、指紋識別的概述（一）指紋識別的歷史利用人體特有的生物特征，如指紋、聲音、行為等進(jìn)行身份識別成為目前研究的熱點，并發(fā)展成為一種被稱為“生物檢測學(xué)”（biometrics）的專門學(xué)科，其相關(guān)的技術(shù)也被稱之為“生物特征識別技術(shù)”，而實現(xiàn)該項功能的計算機(jī)系統(tǒng)則被稱之為“生物識別系統(tǒng)”。 我國在廣泛應(yīng)用指紋的漫長歷史中，隨著對外文化的交流，應(yīng)用指紋的傳統(tǒng)習(xí)慣傳播到了世界上許多國家。中國也是世界公認(rèn)的指紋發(fā)源地

5、之一。 公元1788年，梅耶（j. mayer）首次著文指出了至今仍然被承認(rèn)的指紋的兩個重要特性，一是沒有人的指紋是完全相同的（唯一性），另外一個是指紋的式樣終身不會改變（穩(wěn)定性）。 公元1823年，珀金杰（j. purkinie）首次把指紋紋形分成了9類。 公元1858年，赫謝爾（w. herschel）規(guī)定與官方定契約必需捺指紋。公元1880年，福爾茨（henry fauld）發(fā)表了指紋認(rèn)證的論文，第一次科學(xué)地提出了指紋的個體性和唯一性。指紋唯一性的發(fā)現(xiàn)，使得指紋作為一種更為有效的鑒別方法而得到采用。 公元1889年，亨利（e. r. henry）在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出基于指紋細(xì)

6、節(jié)特征識別（minutia-based）的理論，并提出了用指紋識別來進(jìn)行確定罪犯身份的設(shè)想，從而奠定了現(xiàn)代指紋學(xué)的基礎(chǔ)。直到兩個世紀(jì)后的今天，采用基于minutia-based的指紋識別算法仍是主流。 公元1892年，英國的弗朗西斯?蓋爾頓（francis galton）爵士對指紋進(jìn)行了廣泛的研究，寫了fingerprint一書，向世人介紹了用于單個指紋分類的細(xì)節(jié)特征，首次系統(tǒng)地闡述了指紋學(xué)。完善地確立了一整套指紋識別的方法，并且用于刑事偵察中對犯罪嫌疑人的甄別和鑒定。 隨著個人電腦的普及，人們在辦公及處理個人資料的過程中，越來越多地依賴電腦，因此電腦中的信息，如程序、文件和數(shù)據(jù)的保密也越來越

7、重要。由于采用密碼容易發(fā)生遺忘或被竊用等弊端，故此，出現(xiàn)了類似指紋登錄、指紋授權(quán)、指紋文件鎖、指紋硬盤、指紋u盤、指紋手機(jī)以及指紋pda等大量的應(yīng)用軟件與硬件產(chǎn)品。（二）指紋識別的發(fā)展前景指紋行業(yè)是一個新興的行業(yè)，本身具有很高的科技含量，相對利潤高發(fā)展前景廣闊。經(jīng)專家預(yù)計，指紋產(chǎn)品將是未來it產(chǎn)業(yè)新的增長點：利潤率最高、發(fā)展?jié)摿ψ畲?。?jù)不完全統(tǒng)計，2004年指紋類產(chǎn)品平均利潤率就已經(jīng)為385%，指紋產(chǎn)品行業(yè)是各行業(yè)及投資者最好的選擇目標(biāo)。于是，世界頂尖的指紋識別技術(shù)得到了全球范圍內(nèi)的高度重視，指紋識別技術(shù)的應(yīng)用如火如荼地迅速發(fā)展起來。目前，國內(nèi)已經(jīng)有不少企業(yè)在參與指紋識別技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。指紋

8、技術(shù)在現(xiàn)代生活和工作中的應(yīng)用已越來越普遍，例如：指紋考勤、指紋社保、指紋銀行、指紋商場、指紋接送幼兒等等生活和工作的新現(xiàn)象已廣為人知，指紋技術(shù)正在日益刷新著我們的現(xiàn)代化生活方式。指紋識別已經(jīng)與人們的生活休戚相關(guān)，指紋識別技術(shù)在全球范圍內(nèi)已經(jīng)徹底拉開了“指紋時代”的巨幕。（三）指紋識別中的基本概念指紋識別技術(shù)的發(fā)展得益于現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)和快速可靠的算法的研究。盡管指紋只是人體皮膚的一小部分，但用于識別的數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比對也不是簡單的相等與不相等的問題，而是使用需要進(jìn)行大量運算的模糊匹配算法?，F(xiàn)代電子集成制造技術(shù)使得我們可以制造相當(dāng)小的指紋圖象讀取設(shè)備，同時飛速發(fā)展的個人計算機(jī)運

9、算速度提供了在微機(jī)甚至單片機(jī)上可以進(jìn)行兩個指紋的比對運算的可能。另外，匹配算法可靠性也不斷提高，指紋識別技術(shù)已經(jīng)非常實用。我們手掌及其手指、腳、腳趾內(nèi)側(cè)表面的皮膚凸凹不平產(chǎn)生的紋路會形成各種各樣的圖案。這些紋路的存在增加了皮膚表面的摩擦力，使得我們能夠用手來抓起重物。人們也注意到，包括指紋在內(nèi)的這些皮膚的紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，也就是說，是唯一的。依靠這種唯一性，我們就可以把一個人同他的指紋對應(yīng)起來，通過比較他的指紋和預(yù)先保存的指紋進(jìn)行比較，就可以驗證他的真實身份。這種依靠人體的身體特征來進(jìn)行身份驗證的技術(shù)稱為生物識別技術(shù)，指紋識別是生物識別技術(shù)的一種。指紋識別是成熟的生物識別(b

10、iometric)技術(shù)，由于人體的身體特征具有不可復(fù)制的特點，人們把目光轉(zhuǎn)向了生物識別技術(shù)，希望可以籍此技術(shù)來應(yīng)付現(xiàn)行系統(tǒng)安全所面臨的的挑戰(zhàn)。要把人體的特證用于身份識別，這些特征必須具有唯一性和穩(wěn)定性。研究和經(jīng)驗表明，人的指紋、掌紋、面孔、發(fā)音、虹膜、視網(wǎng)膜、骨架等都具有唯一性和穩(wěn)定性的特征，即每個人的這些特征都與別人不同、且終生不變，因此就可以據(jù)此識別出人的身份?；谶@些特征，人們發(fā)展了指紋識別、面部識別、發(fā)音識別等多種生物識別技術(shù)，目前許多技術(shù)都已經(jīng)成熟并得以應(yīng)用，其中的指紋識別技術(shù)更是生物識別技術(shù)的熱點。指紋識別技術(shù)可以分為兩類，即驗證(verification)和辨識(identifi

11、cation)。 驗證就是通過把一個現(xiàn)場采集到的指紋與一個已經(jīng)登記的指紋進(jìn)行一對一的比對（one-to-one matching），來確認(rèn)身份的過程。作為驗證的前提條件，他或她的指紋必須在指紋庫中已經(jīng)注冊。指紋以一定的壓縮格式存貯，并與其姓名或其標(biāo)識（id，pin）聯(lián)系起來。隨后在比對現(xiàn)場，先驗證其標(biāo)識，然后，利用系統(tǒng)的指紋與現(xiàn)場采集的指紋比對來證明其標(biāo)識是合法的。辨識則是把現(xiàn)場采集到的指紋同指紋數(shù)據(jù)厙中的指紋逐一對比，從中找出與現(xiàn)場指紋相匹配的指紋。這也叫“一對多匹配（one-to-many matching）”。 驗證和辨識在比對算法和系統(tǒng)設(shè)計上各具技術(shù)特點。例如驗證系統(tǒng)一般只考慮對完整的

12、指紋進(jìn)行比對，而辨識系統(tǒng)要考慮殘紋的比對；驗證系統(tǒng)對比對算法的速度要求不如辨識系統(tǒng)高，但更強(qiáng)調(diào)易用性；另外在辨識系統(tǒng)中，一般要使用分類技術(shù)來加快查詢的速度。 除了驗證的一對一和辨識的一對多比對方法，在實際應(yīng)用中還有“一對幾個匹配（one-to-few matching）”。一對幾個匹配主要應(yīng)用于只有“幾個(few)”用戶的系統(tǒng)中，“幾個”所包含的數(shù)目一般為520人。一對幾個匹配一般使用與一對一匹配相同的方法。（四）課題內(nèi)容與意義指紋識別技術(shù)相對于其他識別方法有許多獨到之處，具有很高的實用性和可行性。因此，指紋識別成為最流行、最方便、最可靠的身份認(rèn)證方式，己經(jīng)在社會生活的諸多方面得到廣泛應(yīng)用。這

13、是由于指紋是獨一無二的，兩人之間不存在著相同的指紋，指紋是獨一無二的，兩人之間不存在著相同的指紋，同時指紋樣本易于采集，難以偽造，便于開發(fā)，實用性強(qiáng)，可以利用多個指紋構(gòu)成多重口令，提高系統(tǒng)的安全性。本文主要通過對mcs-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析，來研究基于單片機(jī)指紋識別系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點和功能闡述以及工作原理，更好的了解了指紋識別系統(tǒng)的未來前景。二 、單片機(jī)mcs-51系統(tǒng)（一）mcs系列單片機(jī)簡介單片機(jī)的全稱是單片微型計算機(jī)（single chip microcomputer）。為了使用方便，它把組成計算機(jī)的主要功能部件：中央處理器（cpu）、數(shù)據(jù)存儲器（ram）、程序存儲器（ro

14、m、eprom、e2prom或flash）、定時/計數(shù)器和各種輸入/輸出接口電路等都集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成了一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)。與通用的計算機(jī)不同，單片機(jī)的指令功能是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計，因此它又被稱為微控制器（microcontroller）。mcs是intel公司單片機(jī)系列的符號。intel公司推出有mcs-48、mcs-51、mcs-96系列單片機(jī)。其中mcs-51系列單片機(jī)典型機(jī)型包括51和52兩個子系列。在51子系列中，主要有8031、8051、875l三種機(jī)型，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，只是片內(nèi)程序存儲器有所不同。mcs51系列單片機(jī)優(yōu)異的性能/價格比使得它從面世

15、以來就獲得用戶的認(rèn)可。intel公司把這種單片機(jī)的內(nèi)核，即8051內(nèi)核，以出售或互換專利的方式授權(quán)給一些公司，如atmel、philips、adi等。這些公司的這類產(chǎn)品也被稱為8051兼容芯片，這些8051兼容芯片在原來的基礎(chǔ)上增加了許多特性。mcs51子結(jié)構(gòu)及功能如圖2-1： 圖2-1 mcs51結(jié)構(gòu)框圖8位cpu。片內(nèi)帶振蕩器及時鐘電路。128b片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。4kb片內(nèi)程序存儲器（8031/80c31無）。程序存儲器的尋址范圍為64kb。片外數(shù)據(jù)存儲器的尋址范圍為64kb。21b特殊功能寄存器。48根i/o線。1個全雙工串行i/o接口，可多機(jī)通信。2個16位定時器/計數(shù)器。中斷系統(tǒng)有5個

16、中斷源，可編程為兩個優(yōu)先級。111條指令，含乘法指令和除法指令。布爾處理器。使用單5v電源。52子系列的產(chǎn)品主要有8032、8052、8752三種機(jī)型。與51子系列的不同之處在于：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器增至256b，片內(nèi)程序存儲器增至8kb（8032/80c32無），有26b的特殊功能寄存器，有3個16位定時器/計數(shù)器，有6個中斷源。其他性能均與5l子系列相同。其對應(yīng)的低功耗chmos工藝器件分別為80c32、80c52和87c52。（二）mcs-51存儲器結(jié)構(gòu)mcs-51的存儲器可分為：程序存儲器 數(shù)據(jù)存儲器 特殊功能存儲器。8051單片機(jī)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用哈佛型，與馮諾依曼型結(jié)構(gòu)（程序和數(shù)據(jù)共用一

17、個存儲器）的通用計算機(jī)不同，它將程序和數(shù)據(jù)分別放在兩個存儲器內(nèi)，一個稱為程序存儲器，另一個稱為數(shù)據(jù)存儲器。因此，8051的存儲器在物理結(jié)構(gòu)上分程序存儲器（rom）和數(shù)據(jù)存儲器（ram），有4個物理上相互獨立的存儲空間，即片內(nèi)rom和片外rom，片內(nèi)ram和片外ram，其配置如圖2-2圖2-2 mcs51機(jī)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖1.程序存儲器 一個微處理器能夠聰明地執(zhí)行某種任務(wù)，除了它們強(qiáng)大的硬件外，還需要它們運行的軟件，其實微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預(yù)先編寫的程序而執(zhí)行之。那么設(shè)計人員編寫的程序就存放在微處理器的程序存儲器中，俗稱只讀程序存儲器（rom）。程序相當(dāng)于給微處理器處理問題的一系列

18、命令。其實程序和數(shù)據(jù)一樣，都是由機(jī)器碼組成的代碼串。只是程序代碼則存放于程序存儲器中。mcs-51具有64kb程序存儲器尋址空間，它是用于存放用戶程序、數(shù)據(jù)和表格等信息。對于內(nèi)部無rom的8031單片機(jī)，它的程序存儲器必須外接，空間地址為64kb，此時單片機(jī)的端必須接地。強(qiáng)制cpu從外部程序存儲器讀取程序。對于內(nèi)部有rom的8051等單片機(jī)，正常運行時，則需接高電平，使cpu先從內(nèi)部的程序存儲中讀取程序，當(dāng)pc值超過內(nèi)部rom的容量時，才會轉(zhuǎn)向外部的程序存儲器讀取程序。 8051片內(nèi)有4kb的程序存儲單元，其地址為0000h0fffh，單片機(jī)啟動復(fù)位后，程序計數(shù)器的內(nèi)容為0000h，所以系統(tǒng)將

19、從0000h單元開始執(zhí)行程序。但在程序存儲中有些特殊的單元，這在使用中應(yīng)加以注意： 其中一組特殊是0000h0002h單元，系統(tǒng)復(fù)位后，pc為0000h，單片機(jī)從0000h單元開始執(zhí)行程序，如果程序不是從0000h單元開始，則應(yīng)在這三個單元中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，讓cpu直接去執(zhí)行用戶指定的程序。 另一組特殊單元是0003h002ah，這40個單元各有用途，它們被均勻地分為五段，它們的定義如表2-3所示：表2-3 0003h002ah特殊單元范圍功能用途0003h000ah外部中斷0中斷地址區(qū)000bh0012h定時/計數(shù)器0中斷地址區(qū)。 0013h001ah外部中斷1中斷地址區(qū)001bh0

20、022h定時/計數(shù)器1中斷地址區(qū)。0023h002ah串行中斷地址區(qū)?？梢娨陨系?0個單元是專門用于存放中斷處理程序的地址單元，中斷響應(yīng)后，按中斷的類型，自動轉(zhuǎn)到各自的中斷區(qū)去執(zhí)行程序。因此以上地址單元不能用于存放程序的其他內(nèi)容，只能存放中斷服務(wù)程序。但是通常情況下，每段只有8個地址單元是不能存下完整的中斷服務(wù)程序的，因而一般也在中斷響應(yīng)的地址區(qū)安放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，指向程序存儲器的其它真正存放中斷服務(wù)程序的空間去執(zhí)行,這樣中斷響應(yīng)后，cpu讀到這條轉(zhuǎn)移指令，便轉(zhuǎn)向其他地方去繼續(xù)執(zhí)行中斷服務(wù)程序。2.數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器。mcs-51單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器在物理上和邏輯上

21、都分為兩個地址空間，一個是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)和一個外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。mcs-51內(nèi)部ram有128或256個字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)存儲（不同的型號有分別），它們是用于存放執(zhí)行的中間結(jié)果和過程數(shù)據(jù)的。mcs-51的數(shù)據(jù)存儲器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。8051內(nèi)部ram共有256個單元，這256個單元共分為兩部分。其一是地址從00h7fh單元（共128個字節(jié)）為用戶數(shù)據(jù)ram。從80hffh地址單元（也是128個字節(jié)）為特殊寄存器（sfr）單元。從圖2-4中可清楚地看出它們的結(jié)構(gòu)分布 圖2-4特殊寄存器 片外ram一般由靜態(tài)ram芯片組成。用戶可以根據(jù)需要確定擴(kuò)展存儲器的容量，mcs-51單片機(jī)訪問片外r

22、am可用1個特殊功能寄存器數(shù)據(jù)指針寄存器dptr尋址。由于dptr為16位，可尋址的范圍為0kb64kb，因此，擴(kuò)展片外ram的最大容量是64kb。片外ram的地址范圍為0000h-0ffffh，其中在0000h-00ffh區(qū)間與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間是重疊的。cpu使用mov指令和movx指令加以區(qū)分。3.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（sfr）也稱為專用寄存器，特殊功能寄存器反映了mcs-51單片機(jī)的運行狀態(tài)。很多功能也通過特殊功能寄存器來定義和控制程序的執(zhí)行。 mcs-51有21個特殊功能寄存器，它們被離散地分布在內(nèi)部ram的80hffh地址中，這些寄存的功能已作了專門的規(guī)定，用戶不能修改其結(jié)

23、構(gòu)。特殊功能寄存器分布一覽表，表2-5特殊功能寄存器特殊功能寄存器標(biāo)識符號地址寄存器名稱acc0e0h累加器b0f0hb寄存器psw0d0h程序狀態(tài)字sp81h堆棧指針dptr82h、83h數(shù)據(jù)指針（16位）含dpl和dphie0a8h中斷允許控制寄存器ip0b8h中斷優(yōu)先控制寄存器p080hi/o口0寄存器p190hi/o口1寄存器p20a0hi/o口2寄存器p30b0hi/o口3寄存器pcon87h電源控制及波特率選擇寄存器scon98h串行口控制寄存器sbuf99h串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器tcon88h定時控制寄存器tmod89h定時器方式選擇寄存器tl08ah定時器0低8位th08ch定時器

24、0高8位tl18bh定時器1低8位th18dh定時器1高8位 （三）mcs-51單片機(jī)的引腳功能 hmos制造工藝的mcs-51單片機(jī)都采用40引腳的直插封裝（dip方式），制造工藝為chmos的80c51/80c31芯片除采用dip封裝方式外，還采用方型封裝工藝，引腳排列如圖2-6圖2-6mcs-51單片機(jī)的引腳排列1.引腳信號功能介紹（1）主電源引腳vcc和vss vcc為+5v電源端； vss為電壓接地端。 （2）外接晶體引腳xtal1和xtal2 xtal1（19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時，對hmo

25、s單片機(jī)，此引腳應(yīng)接地；對chmos單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動端。xtal2（18腳）接外晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對hmos單片機(jī)，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端；對xhmos，此引腳應(yīng)懸浮。 （3）控制或與其它電源復(fù)用引腳rst/vpd、ale/prog、psen和ea/vpp rst/vpd（9腳）當(dāng)振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。推薦在此引腳與vss引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與vcc引腳之間連接一個約10f的電容，以保證可靠地復(fù)位。 vcc掉電期間

26、，此引腳可接上備用電源，以保證內(nèi)部ram的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)vcc主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而vpd在其規(guī)定的電壓范圍（50.5v）內(nèi)，vpd就向內(nèi)部ram提供備用電源。 ale/prog（30腳）：當(dāng)訪問外部存貯器時，ale（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。ale端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）8個ls型的ttl輸入電路。 對于eprom單片機(jī)（如8751），在eprom編程期間，此

27、引腳用于輸入編程脈沖（prog）。 psen（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機(jī)器周期兩次psen有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的psen信號將不出現(xiàn)。psen同樣可以驅(qū)動（吸收或輸出）8個ls型的ttl輸入。ea/vpp（引腳）：當(dāng)ea端保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，但在pc（程序計數(shù)器）值超過0fffh（對851/8751/80c51）或1fffh（對8052）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當(dāng)ea保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。對于常用的8031來說，無內(nèi)部

28、程序存儲器，所以ea腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。 對于eprom型的單片機(jī)（如8751），在eprom編程期間，此引腳也用于施加21v的編程電源（vpp）。 （4）輸入/輸出（i/o）引腳p0、p1、p2、p3（共32根） p0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)i/o口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個ls型的ttl負(fù)載。p1口（1腳至8腳）：是準(zhǔn)雙向8位i/o口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向i/o口。p1口能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ls型的ttl負(fù)載。對8052、8032，p1.0引腳的第二功能

29、為t2定時/計數(shù)器的外部輸入，p1.1引腳的第二功能為t2ex捕捉、重裝觸發(fā)，即t2的外部控制端。對eprom編程和程序驗證時，它接收低8位地址。 p2口（21腳至28腳）：是準(zhǔn)雙向8位i/o口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴(kuò)展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對eprom編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。p2可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ls型的ttl負(fù)載。 p3口（10腳至17腳）：是準(zhǔn)雙向8位i/o口，在mcs-51中，這8個引腳還用于專門功能，是復(fù)用雙功能口。p3能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ls型的ttl負(fù)載。作為第一功能使用時，就作為普通i/o口用，功能和操作方法與p1口相同

30、。 作為第二功能使用時，各引腳的定義如表所示。 表2-7各口線的第二功能定義表p3各口線的第二功能定義口線引腳第二功能p3.010rxd（串行輸入口）p3.111txd（串行輸出口）p3.212int0（外部中斷0） p3.3 13int1（外部中斷1）p3.414t0（定時器0外部輸入）p3.515t1（定時器1外部輸入）p3.616wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖）p3.717rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）值得強(qiáng)調(diào)的是，p3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。 （四） mcs-51單片機(jī)的中央處理器 中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機(jī)的主要功能特性。中央處理器主

31、要由運算部件和控制部件組成。 1.運算部件：它包括算術(shù)、邏輯部件alu、布爾處理器、累加器acc、寄存器b、暫存器tmp1和tmp2、程序狀態(tài)字寄存器psw以及十進(jìn)制調(diào)整電路等。運算部件的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運算、位變址處理和數(shù)據(jù)傳送操作。 mcs-51單片機(jī)的alu功能十分強(qiáng)，它不僅可對8位變量進(jìn)行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環(huán)、求補、清零等基本操作，還可以進(jìn)行加、減、乘、除等基本運算。為了乘除運算的需要，設(shè)置了b寄存器。在執(zhí)行乘法運算指令時，用來存放其中一個乘數(shù)和乘積的高8位數(shù)；在執(zhí)行除法運算指令時，b中存入除數(shù)及余數(shù)。 mcs-51單片機(jī)的alu還具有一般微機(jī)alu，如z80、m

32、cs-48所不具備的功能，即布爾處理功能。單片機(jī)指令系統(tǒng)中的布爾指令集、存儲器中的位地址空間與cpu中的位操作構(gòu)成了片內(nèi)的布爾功能系統(tǒng)，它可對位（bit）變量進(jìn)行布爾處理，如置位、清零、求補、測試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等操作。在實現(xiàn)位操作時，借用了程序狀態(tài)標(biāo)志器（psw）中的進(jìn)位標(biāo)志cy作為位操作的“累加器”.運算部件中的累加器acc是一個8位的累加器（acc也可簡寫為a）。從功能上看，它與一般微機(jī)的累加器相比沒有什么特別之處，但需要說明的是acc的進(jìn)位標(biāo)志cy就是布爾處理器進(jìn)行位操作的一個累加器。 mcs-51單片機(jī)的程序狀態(tài)psw，是一個8位寄存器，它包含了程序的狀態(tài)信息。 2.控制部件

33、 控制部件是單片機(jī)的神經(jīng)中樞，它包括時鐘電路、復(fù)位電路、指令寄存器、譯碼以及信息傳送控制部件。它以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出cpu的時序，對指令進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列定時控制的微操作，用來控制單片機(jī)各部分的運行。其中有一些控制信號線能簡化應(yīng)用系統(tǒng)外圍控制邏輯，如控制地址鎖存的地址鎖存信號ale，控制片外程序存儲器運行的片內(nèi)外存儲器選擇信號ea，以及片外取指信號psen。三、指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計（一）指紋識別系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述指紋識別系統(tǒng)主要包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)、指紋采集部分、串口通信電路、外部存儲部分、開關(guān)按鈕，供電系統(tǒng)組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。指紋識別系統(tǒng)單片機(jī)采用8051單片機(jī)

34、，它是整個控制器的核心部件。max232作為接口芯片用于實現(xiàn)指紋傳感器串口的rs-232信號與8051串行口的ttl信號的相互轉(zhuǎn)換。電源部分包括dc+5v及保護(hù)電路。圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（二）指紋識別功能描述基于單片機(jī)mcs-51的指紋識別系統(tǒng)是由8051處理器、68128ram和eeprom芯片等構(gòu)成，具有指紋錄入、圖像處理、指紋對比、搜索和模版儲存等功能的智能型模塊。它通過與之相配套的指紋傳感器，可構(gòu)成一個獨立的指紋識別系統(tǒng)，或作為一個完整的外部設(shè)備。該系統(tǒng)控制的核心是單片機(jī)8051，因為通過比較dsp芯片，處理速度較快和存儲量較大，但性價比較低。而選取單片機(jī)mcs-51主要原因是功耗低、

35、可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，128x8bit內(nèi)部ram，能滿足設(shè)計要求。指紋識別系統(tǒng)是一個典型的模式識別系統(tǒng)，包括指紋圖像獲取、處理、特征提取和比對等模塊。通過指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，然后要對原始圖像進(jìn)行初步的處理，使之更清晰，再通過指紋辨識軟件建立指紋的特征數(shù)據(jù)。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點”（minutiae）的數(shù)據(jù)點，即指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置，這些點同時具有七種以上的唯一性特征。通過計算機(jī)模糊比較的方法，把兩個指紋的模板進(jìn)行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果。指紋圖像獲

36、?。和ㄟ^專門的指紋采集儀可以采集活體指紋圖像。目前，指紋采集儀主要有活體光學(xué)式、電容式和壓感式。對于分辨率和采集面積等技術(shù)指標(biāo)，公安行業(yè)已經(jīng)形成了國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，但其他還缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)采集指紋面積大體可以分為滾動捺印指紋和平面捺印指紋，公安行業(yè)普遍采用滾動捺印指紋。另外，也可以通過掃描儀、數(shù)字相機(jī)等獲取指紋圖像。指紋圖像壓縮：大容量的指紋數(shù)據(jù)庫必須經(jīng)過壓縮后存儲，以減少存儲空間。主要方法包括jpeg、wsq、ezw等。指紋圖像處理：包括指紋區(qū)域檢測、圖像質(zhì)量判斷、方向圖和頻率估計、圖像增強(qiáng)、指紋圖像二值化和細(xì)化等。紋型是指紋的基本分類，是按中心花紋和三角的基本形態(tài)劃分的。紋形從屬于型，以中

37、心線的形狀定名。我國十指紋分析法將指紋分為三大類型，九種形態(tài)。一般，指紋自動識別系統(tǒng)將指紋分為弓形紋（弧形紋、帳形紋）、箕形紋（左箕、右箕）斗形紋和雜形紋等。圖3-2指紋形態(tài)指紋形態(tài)和細(xì)節(jié)特征提取：指紋形態(tài)特征包括中心（上、下）和三角點（左、右）等，指紋的細(xì)節(jié)特征點主要包括紋線的起點、終點、結(jié)合點和分叉點。指紋比對：可以根據(jù)指紋的紋形進(jìn)行粗匹配，進(jìn)而利用指紋形態(tài)和細(xì)節(jié)特征進(jìn)行精確匹配，給出兩枚指紋的相似性得分。根據(jù)應(yīng)用的不同，對指紋的相似性得分進(jìn)行排序或給出是否為同一指紋的判決結(jié)果。（三）指紋識別系統(tǒng)工作原理及硬件特性工作原理：當(dāng)指紋傳感器收到指紋信息，將通過串口給單片機(jī)發(fā)送命令，單片機(jī)同意并

38、接收相應(yīng)的信息，指紋傳感器采集的指紋轉(zhuǎn)換成rgb格式，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)通過存儲在eeprom中的固化程序執(zhí)行大量的模式識別和圖像處理相關(guān)計算，當(dāng)用戶的指紋被確認(rèn)，單片機(jī)將命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，開關(guān)開。硬件特性：80c51單片機(jī)是在8051的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，8051單片機(jī)與80c51單片機(jī)從外形看是完全一樣的，其指令系統(tǒng)、引腳信號、總線等完全一致（完全兼容），主要差別就在于芯片的制造工藝上。80c51的制造工藝是在8051基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。8051系列單片機(jī)采用的是hmos工藝：高速度、高密度；80c51系列單片機(jī)采用的是chmos工藝：高速度、高密度、低功耗；也就是說80c51單片機(jī)

39、是一種低功耗單片機(jī)。圖3-3 指紋識別系統(tǒng)工作原理圖（四）指紋識別系統(tǒng)硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)采用8051作為指紋識別系統(tǒng)的核心處理器，使用單片機(jī)內(nèi)部的4k程序存儲器，接+5v電源。復(fù)位電路則采用簡單rc復(fù)位電路，同時又可與一些需要復(fù)位的外圍電路相連，達(dá)到復(fù)位與單片機(jī)同步。/ea/vpp為訪問內(nèi)部或外部程序存儲器的選擇信號.由于8051單片機(jī)有4k的內(nèi)部程序存儲器，又外接了128kx8的eeprom存儲器，故該引腳必須接+5v高電平./psen為外部程序存儲器讀選通控制信號.此電路中無擴(kuò)展程序存儲器.故該腳懸空.串口通信接口設(shè)計采用max232實現(xiàn)ttl與rs-232的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與計算機(jī)通信。（五）

40、電源電路設(shè)計當(dāng)指紋識別系統(tǒng)工作時，需要+5v電源，為了使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，在本設(shè)計中，將220v交流電源到+5v直流電的轉(zhuǎn)換電路和識別控制器集成在一塊電路板上，其中的電路原理圖如圖當(dāng)220v通過變壓器后，得到10伏電源vi，在電路的輸入端與公共地之間，加上經(jīng)整流后的不穩(wěn)定直流電壓vi，在輸出端便能得到固定的輸出電壓。為了改善紋波特性，在輸入端外接電容，一般取值為0. 33uf，并緊接在穩(wěn)壓塊的輸入端；在輸出端連接電容，這樣可以改善輸出電壓的紋波特性，一般選為0. 1 uf 。輸入電壓的選擇依據(jù)是： 式中： 穩(wěn)壓塊允許的最大輸入電壓； 穩(wěn)壓塊的輸出電壓； 2v穩(wěn)壓塊輸入與輸出之間的最小壓差。在輸

41、入、輸出之間外接二極管d1，可以起到輸出端路保護(hù)作用，防止輸出短路時負(fù)載電容向7805放電。四、指紋識別系統(tǒng)的軟件設(shè)計（一）識別指紋的總體特征和局部特征總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征。包括紋形、模式區(qū)、核心點、三角點和紋數(shù)等。紋形根據(jù)脊線的走向與分布情況一般將指紋分為三大類環(huán)型（loop，又稱斗形）、弓形（arch）、螺旋形（whorl）。模式區(qū)就是指紋上包括了總體特征的區(qū)域，在此區(qū)域可以分辨出指紋是屬于哪一種類型的。指紋識別算法有時只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)，有時則使用所取得的完整指紋。核心點位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，在讀取指紋和比對指紋時作為參考點。許多算法是基于核心點的，即只能處理和

42、識別具有核心點的指紋。三角點位于從核心點開始的第一個分叉點或者斷點，或者兩條紋路會聚處、孤立點、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點。三角點提供了指紋紋路的計數(shù)跟蹤的開始之處。紋數(shù)是指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計算指紋的紋路時，一般先連接核心點和三角點，這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認(rèn)為是指紋的紋數(shù)。局部特征是指指紋上節(jié)點的特征，這些具有某種特征的節(jié)點稱為細(xì)節(jié)特征或特征點。兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特征，但它們的細(xì)節(jié)特征，卻不可能完全相同。指紋紋路并不是連續(xù)的、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或轉(zhuǎn)折。這些斷點、分叉點和轉(zhuǎn)折點就稱為特征點，就是這些特征點提供了指紋惟一性的確認(rèn)信息，其中最典型的是終結(jié)

43、點和分叉點，其他還包括分歧點、孤立點、環(huán)點、短紋等。特征點的參數(shù)包括：方向（節(jié)點可以朝著一定的方向）、曲率（描述紋路方向改變的速度）、位置（節(jié)點的位置通過x/y坐標(biāo)來描述，可以是絕對的，也可以是相對于三角點或特征點的）。（二）指紋識別系統(tǒng)的流程指紋識別系統(tǒng)核心技術(shù)流程如圖所示。指紋識別系統(tǒng)主要集中在對指紋儀的操作以及使用人員信息登記、數(shù)據(jù)庫管理、記錄查詢等功能的編程。開發(fā)工具采用visual c+6.0。在利用vc開發(fā)程序之前應(yīng)先安裝fdu2000指紋儀的sdk。對sdk的有效應(yīng)用分為兩種：隱式鏈接和顯示鏈接兩種方式。在本系統(tǒng)中采用的是隱式鏈接，將sdk安裝目錄下的相應(yīng)的動態(tài)庫文件(p1mdl

44、l. dll文件)拷入系統(tǒng)目錄或其它系統(tǒng)可以找到的目錄中，同時將lib目錄下的導(dǎo)入庫文件(p1md11. lib文件)加入工程設(shè)置的“l(fā)ink一general一object/library module”欄中以及將inc目錄下的頭文件p1md11. h加入工程的頭文件中，并在*. cpp文件中包含相應(yīng)頭文件即可。接下來就可以開始編寫應(yīng)用程序的代碼了。（三）指紋識別系統(tǒng)串行口工作方式串行口工作方式mcs-51單片機(jī)的串行口是一個可同時接受數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)全雙工的接口，該串行口可以設(shè)定四種工作方式：移位寄存器（方式0） 8位數(shù)據(jù)uart方式（方式1） 9位數(shù)據(jù)波特率固定uart方式（方式2） 9位數(shù)據(jù)位波特率可變uart方式（方式3）。mcs-51串行通訊的方式選擇、接受和發(fā)送控制以及串行口的狀態(tài)標(biāo)志