《DSP原理及應(yīng)用課程設(shè)計-基于DSP的指紋生物特征識別統(tǒng)的設(shè)計》

1、山東建筑大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書題 目： 基于DSP的指紋生物特征識別統(tǒng)的設(shè)計課 程： DSP原理及應(yīng)用課程設(shè)計院 部： 信息與電氣工程學(xué)院專 業(yè)： 電子信息工程班 級： 電信082學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2021年7月目 錄摘要 = 2 * ROMAN II1 設(shè)計目的12 設(shè)計要求13 設(shè)計內(nèi)容2 DSP與指紋生物特征技術(shù)概述 23.1.1DSP處理器概述 23.1.2指紋生物特征識別技術(shù) 3方案設(shè)計 5器件選型 73.3.1DSP處理器選擇 73.3.2指紋傳感器選擇 83.3.3存儲器選擇 10設(shè)計11電源設(shè)計11存儲器設(shè)計 12 指紋采集模塊設(shè)計 13 其

2、他模塊設(shè)計 14軟件設(shè)計15總結(jié)與致謝18參考文獻(xiàn)19附錄20目錄及摘要的頁碼使用、等符號連續(xù)編排，字體Times New Roman，小5號摘 要指紋識別系統(tǒng)是指使用取像設(shè)備讀取指紋圖像，通過識別軟件提取出指紋圖像中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得出的結(jié)果鑒別指紋所有人身份的生物識別的一套由硬件和軟件組合的裝置。指紋識別技術(shù)是通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的身份識別手段，也是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的生物特征識別技術(shù)之一。在過去主要應(yīng)用于刑偵系統(tǒng)。近幾年來已逐漸走向民用市場。同時，民用市場也對指紋識別技術(shù)提出了具有小型化、廉價的指紋采集設(shè)備，高速計算平臺，更高的識別準(zhǔn)確率的要求，以滿足各種不同應(yīng)用的需求。目前，指紋識

3、別主要應(yīng)用在考勤、門禁、保險箱柜等領(lǐng)域，將向身份證，機(jī)動車，家居等更多的領(lǐng)域開展。隨著科技的進(jìn)步，個人電腦和光學(xué)掃描儀兩項技術(shù)不斷革新，指紋識別技術(shù)不斷開展，為指紋識別技術(shù)的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。本設(shè)計做作的是一個基于DSP的指紋生物特征識別系統(tǒng)。由于系統(tǒng)要存儲很多指紋模板，而且要留出一局部空間用于代碼的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)指紋的匹配，所以要外擴(kuò)存儲器。其實(shí)，指紋識別就是模式識別的過程，指紋圖像識別局部的算法主要通過DSP ( TMS320C6713 ) 芯片來完成。本系統(tǒng)有MBF200采集指紋并轉(zhuǎn)化成八位數(shù)字量，DSP根據(jù)指紋識別算法，對其進(jìn)行運(yùn)算，提取指紋特征，進(jìn)而與模板匹配。匹配成功那么在上位機(jī)

4、提示匹配成功，顯示指紋及指紋信息；如果匹配失敗，那么在上位機(jī)提示匹配失敗，只顯示采集到的指紋。關(guān)鍵詞：指紋；DSP；MBF200；模式識別 設(shè)計目的指紋識別已經(jīng)有了很長一段時間的歷史，指紋識別技術(shù)是通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的身份識別手段，也是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的生物特征識別技術(shù)。在過去主要應(yīng)用于刑偵系統(tǒng)。近幾年來已逐漸走向民用市場。同時，民用市場也對指紋識別技術(shù)提出了具有小型化、廉價的指紋采集設(shè)備，高速計算平臺，更高的識別準(zhǔn)確率的要求，以滿足各種不同應(yīng)用的需求。目前，指紋識別主要應(yīng)用在考勤、門禁、保險箱柜等領(lǐng)域，將向身份證，機(jī)動車，家居等更多的領(lǐng)域開展。隨著科技的進(jìn)步，個人電腦和光學(xué)掃描儀兩項技術(shù)不斷革新

5、，指紋識別技術(shù)不斷開展，為指紋識別技術(shù)的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。目前，指紋鑒定已經(jīng)被官方所接受在法律界成為一種有效的身份鑒定手段。如何正確提取特征和實(shí)現(xiàn)正確匹配，是指紋識別技術(shù)的關(guān)鍵。指紋識別技術(shù)涉及圖像處理、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、計算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、小波分析等眾多學(xué)科。本文將設(shè)計一個基于DSP的模式識別系統(tǒng)。2 設(shè)計要求指紋傳感器提供指紋圖像給DSP，DSP系統(tǒng)對照存儲的指紋模板對捕捉的指紋圖像進(jìn)行處理，一旦匹配成功，DSP系統(tǒng)通過RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口或USB標(biāo)準(zhǔn)，向上位機(jī)PC機(jī)用可視圖像或者音頻信號，通知使用者或認(rèn)證系統(tǒng)識別成功。3 設(shè)計內(nèi)容 DSP與指紋生物特征識別技術(shù)概述DSP處理器

6、概述 DSP(Digital signal Processors)芯片，即數(shù)字信號處理芯片，是一種進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其特有的穩(wěn)定性、可重復(fù)性、可大規(guī)模集成，特別是可編程性高和易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)處理等特點(diǎn)，給數(shù)字信號處理的開展帶來了巨大機(jī)遇，并使信號處理手段更靈活，功能更復(fù)雜，其應(yīng)用領(lǐng)域也拓展到國民經(jīng)濟(jì)生活的各個方面。DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)：在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；片內(nèi)具有快速，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；快速的中斷處理和硬件IO支持；具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件

7、地址產(chǎn)生器；可以并行執(zhí)行多個操作；支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以并行執(zhí)行。DSP芯片可以按照以下三種方式進(jìn)行分類： eq oac(,1)按根底特性分這是根據(jù)DSP芯片的工作周期和指令類型來分類，如果有兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的及其代碼機(jī)管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，那么這類DSP芯片稱為一致性DSP芯片。 eq oac(,2)按數(shù)據(jù)格式分這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱為定點(diǎn)DSP芯片。而浮點(diǎn)DSP芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的DSP芯片采用白定義的浮點(diǎn)格式，有的DSP芯片那么采用IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式。 eq oac(,3

8、)按用途分按照DSP的用途來分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。通用型DSP芯片適合普遍的DSP應(yīng)用。專用DSP芯片是為特定的DSP運(yùn)算設(shè)計的，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波、卷積和FFT。指紋生物特征識別技術(shù)指紋，具有終身不變性、唯一性和方便性。指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。相對于人體其它的生物特征而言，指紋在唯一性、永久性方面有著明顯得優(yōu)勢：科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，兩枚指紋完全相同的概率極小，可以認(rèn)為世界上沒有兩個人會有完全相同的指紋；而且每個人的指紋會保持終生不變，指紋由皮膚外表死亡的角質(zhì)細(xì)胞堆積而成，即使磨損，只要不傷及真皮，也能重新長

9、出。另外，指紋的應(yīng)用是非常方便、可靠的，并且不會對人體構(gòu)成侵犯，用戶接受程度也比擬高?；谝陨咸攸c(diǎn)，指紋識別技術(shù)在社會平安、信息平安、金融平安、個人平安以及防偽領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎成為生物特征識別的代名詞。紋線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)和分叉點(diǎn)，稱為指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。指紋識別即指通過比擬不同指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)來進(jìn)行鑒別。傳統(tǒng)的指紋識別運(yùn)用局限在法律用途，而且是以人工肉眼比對，十分費(fèi)時。從八十年代開始，各國政府己將指紋卡輸入大型電腦代替人工比對，且全球已累積到一億張以上的數(shù)量。然而這些資料是先以油墨沾印到指紋卡，再掃描進(jìn)電腦。指紋品質(zhì)多半不夠好，有時甚至在犯罪現(xiàn)場上采到清晰的指紋，也會因建檔的指紋

10、資料模糊，而無法找出嫌犯。目前的技術(shù)開展，已有足夠能力取得高品質(zhì)的活體指紋影像，且在建檔及傳輸上完全電腦化，足以解決上述的窘境。 eq oac(,1)指紋識別技術(shù)的根本原理指紋識別技術(shù)是指使用取像設(shè)備讀取指紋圖像，通過識別軟件提取出指紋圖象中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得出的結(jié)果鑒別指紋所有人身份的生物識別技術(shù)。指紋識別系統(tǒng)主要有兩種方法，連接到PC的桌面應(yīng)用系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。連接PC桌面應(yīng)用系統(tǒng)具有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，多個系統(tǒng)可以共享指紋識別設(shè)備，實(shí)現(xiàn)建立大型的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。但由于需要連接計算機(jī)才能完成指紋識別的功能，因此限制了這種系統(tǒng)在許多方面的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)是一個相對獨(dú)立的完整系統(tǒng)，它不

11、需要連接其他設(shè)備或計算機(jī)就可以獨(dú)立完成其設(shè)計的功能。例如指紋門禁系統(tǒng)和指紋考勤機(jī)就是嵌入式系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有速度快、體積小、接口多、價格低、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用在各種領(lǐng)域。指紋處理識別主要涉及指紋圖像采集、指紋圖像處理、特征提取、特征匹配等過程。首先，通過指紋取像設(shè)備讀取得到指紋的數(shù)字圖像，并對原始圖像進(jìn)行初步處理，使之更清晰。然后，指紋識別算法將建立指紋圖像的特征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的集合通常稱為模版。進(jìn)行指紋識別時，由計算機(jī)對預(yù)存的模版與當(dāng)前獲得的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比擬，計算出它們的相似程度，從而得到兩幅指紋圖像的匹配結(jié)果?？梢姡讣y識別過程實(shí)質(zhì)上是一個圖像識別過程。 eq oac(,2)指紋處理算法

12、在本系統(tǒng)中所采用的指紋處理流程主要有以下幾個步驟：1) 原始指紋圖像數(shù)據(jù)來源于MBF200指紋傳感器，采集象素尺寸為300X256。2) 濾波：由于指紋頭采集到的數(shù)據(jù)受到傳輸線路和物理器件的干擾，不可防止的存在噪聲。比擬明顯的是椒鹽噪聲，所以對采集到數(shù)據(jù)(象素值小于17)進(jìn)行了中值濾波。(實(shí)踐說明該濾波器能有效除掉椒鹽噪聲)3)圖像分割：區(qū)分指紋和背景區(qū)域。在300X256模式下，指紋區(qū)域只是占整個采集圖像的一局部，并且在指紋區(qū)域，有些地方的紋線比擬模糊(比方污跡)，必須將其視作背景，以免產(chǎn)生偽特征。4)在指紋的局部區(qū)域，紋線保持相同的方向。求出指紋在每個區(qū)域的方向信息，此信息對后面的求紋線寬

13、度和增強(qiáng)有著重要的作用。算法中將指紋分割成77的塊，然后求得每一塊的方向信息。對所得方向信息進(jìn)行量化，得到8個方向值。在某些位置，由于噪聲的干擾或圖像質(zhì)量本身的問題，初次求得的方向信息不準(zhǔn)確，需要根據(jù)周圍的方向信息對其進(jìn)行修正。5)脊線寬度：沿著指紋脊線垂直的方向，根據(jù)灰度變化特性，求出每一塊的指紋脊線寬度。6) 根據(jù)指紋的方向信息和紋線寬度信息，將象素值為0255的灰度圖像變換成象素值為0和255的二值圖像。其中，象素值為0的地方表示指紋的脊線，象素值為255的地方表示指紋的谷線。7) 細(xì)化：二值圖像中，指紋的脊線寬度(每條脊線上，垂直與脊線方向的象素個數(shù))不為l，因此，將寬度變?yōu)橐粋€象素的

14、過程就是細(xì)化。8) 后處理：由于細(xì)化算法的不完備或者二值化圖像不是很精確，所得到的細(xì)化圖像不可防止的存在一些毛刺和空洞。后處理就是消除毛刺和空洞。9) 特征提?。褐讣y的主要信息是端點(diǎn)和分叉點(diǎn)。l0) 指紋分類：指紋的特征分為全局特征和局部特征，全局特征指描述指紋總體結(jié)構(gòu)的一些特征，如紋線的整體走向，奇異點(diǎn)相對位置等。這些特征最終表現(xiàn)為不同的分類，包括：拱、尖拱、左旋、右旋、螺旋五類。11) 匹配：將提取的信息與指紋庫中的指紋特征信息進(jìn)行比對，檢查是否存在相同的指紋。 eq oac(,3)指紋匹配算法同一指紋傳感器在不同時刻采集同一個手指的指紋，所得到圖像不可防止的存在平移和旋轉(zhuǎn)，為了匹配算法的

15、簡單化和精確度，本系統(tǒng)的匹配算法以極坐標(biāo)為參考坐標(biāo)系(極坐標(biāo)系的原點(diǎn)選取將在下文說明)。在下面的闡述中，將指紋庫中的指紋信息稱為模板圖像P，輸入待匹配的圖像稱為輸入圖像Q。以P和M(P)分別表示一幅模板指紋和該指紋的特征點(diǎn)信息，Q和M(Q)分別表示輸入指紋和該指紋的特征點(diǎn)信息。為了將直角坐標(biāo)中的指紋信息轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)，需要在P和Q中分別找出一個特征點(diǎn)M(P)(i)和M(Q)(j)作為參考點(diǎn)，并以M(Q)(j)的特征點(diǎn)的位置為坐標(biāo)系的極點(diǎn)，Q中的OX軸作為極坐標(biāo)系的極軸(方向：從特征點(diǎn)到最后采樣點(diǎn))。確定極坐標(biāo)系后，在后續(xù)的特征點(diǎn)的匹配過程中，需要將M(Q)(j)變換到極坐標(biāo)系中。由于一開始對M(

16、P)和M(Q)中點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系一無所知，所以從M(P)(m)(1mm(P)和M(Q)(m)(1mm(Q)找出一對參考點(diǎn)。指紋匹配算法步驟如下：1)對于M(P)中的每個特征點(diǎn)M(P)(i)(1i=m(P)和M(Q)中的每個特征點(diǎn)M(Q)(j)(1j=m(Q)，判斷他們是否是一對參考點(diǎn)。如果不是，繼續(xù)尋找(改變i或j的值)，直到找到一對參考點(diǎn)，并轉(zhuǎn)入(2)；假設(shè)所有的點(diǎn)被判斷過但仍然沒有找到參考點(diǎn)，那么認(rèn)為兩個指紋不匹配，跳出。(軟件實(shí)現(xiàn)中，以j為外循環(huán)，i為內(nèi)循環(huán)，一個一個點(diǎn)的比照查找)(2)以M(P)(i)和M(Q)(j)為參考點(diǎn)，判斷其它所有點(diǎn)(M(P)(m)(mi)和M(Q)(n)(nj)是

17、否為匹配點(diǎn)。假設(shè)為匹配點(diǎn)，那么使標(biāo)記符說明這兩個特征點(diǎn)已經(jīng)匹配，無需再將這兩個特征點(diǎn)與其它特征點(diǎn)比照。(程序中，使jzb2m2=m,jzbln2= 1，程序初始化時這兩個值都為一1)(3)檢查全局變量mscore的值，看是否滿足兩幅指紋匹配的條件，假設(shè)滿足，那么認(rèn)為兩幅指紋匹配，否那么轉(zhuǎn)入(1)。3.2 方案設(shè)計指紋識別系統(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。指紋識別系統(tǒng)框圖如圖1所示。 圖1 指紋識別系統(tǒng)框圖現(xiàn)在國內(nèi)外指紋識別大都采用基于細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的指紋識別技術(shù)，即采用基于圖像處理的指紋識別算法，其中比擬有代表性的有兩種。一種是基于方向?yàn)V波增強(qiáng)，并在指紋細(xì)

18、化圖上提取特征點(diǎn)的算法，另一種是直接從指紋灰度圖上提取特征點(diǎn)的算法。指紋識別作為一種熱門的生物識別技術(shù)受到越來越多人的關(guān)注，國內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)和學(xué)者都采用了很多不同的算法對指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理和匹配。但有些算法會由于指紋圖像的噪音、皮膚彈性引起的非線性形變等多方面因素，導(dǎo)致在識別過程中出現(xiàn)誤差，影響識別率等。由于指紋識別要用到復(fù)雜的算法，計算量很大，所以我們選用DSP作為控制器。從圖中可以看到整個系統(tǒng)包括：電源模塊、DSP處理器、JTAG接口、指紋采集模塊、CPLD邏輯控制接口、存儲器、USB接口等。嵌入式指紋生物特征識別系統(tǒng)主要包括嵌入式硬件、指紋算法的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用管理程序及邏輯。整個算法的過程如圖

19、2所示： 圖2 指紋圖像處理的一般過程 器件選型 DSP處理器選擇圖3 TMS320C6713 功能模塊和內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖美國德克薩斯儀器公司(TI)是全世界領(lǐng)先德高性能信號處理集成電路制造商，是全球主要的可編程DSP芯片供給商之一。TMS320C600061系列具有非常強(qiáng)的高速處理能力，廣泛用于通信、圖象、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。該系列包括定點(diǎn)系列TMS320C62xx、TMS320C64xx和浮點(diǎn)系列TMS320C67xx。圖3所示為TMS320C6713的內(nèi)部系統(tǒng)框圖，主要包括以下幾個局部：程序讀入及指令譯碼、分配機(jī)構(gòu)。包括指令取指單元、指令分配單元和指令譯碼單元。程序取指單元由程序總線與片內(nèi)程序存儲

20、器相連；程序執(zhí)行機(jī)構(gòu)。包括2個對稱數(shù)據(jù)通路(A和B)、2個對稱的通用存放器組、2組對稱的功能單元(每組4個)、控制存放器和控制邏輯以及中斷邏輯等。每組數(shù)據(jù)通路有讀入及存儲(寫入)數(shù)據(jù)總下及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器連接；芯片測試和仿真端口及其控制邏輯。由于指紋處理算法大多數(shù)為浮點(diǎn)運(yùn)算，為了方便實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)選用了TI公司C6000系列中的高性能32位浮點(diǎn)DSP-TMS320C6713作為整個系統(tǒng)的核心處理器。該芯片的主要特征如下：300、225、200MHz(GDP)系統(tǒng)時鐘頻率；最高可達(dá)24001800 MIPSMFLOPS；增強(qiáng)型甚長指令字結(jié)構(gòu)；內(nèi)部含有4K-Byte L1P第一級程序緩存(Program

21、 Cache)、4K-Byte LID第一級兩路數(shù)據(jù)緩存(2Way Data Cache)、64K-Byte L2第二級緩存、192K-Byte L2映射存儲器；32位外部存儲器接!EI(EMIF)，可以和SRAM、EPROM、FLASH、SBSRAM、SDRAM無縫連接；16個獨(dú)立的增強(qiáng)型直接存儲訪問控制(EDMA)；16位主機(jī)接口(HPI)：兩個多通道緩沖串口。指紋傳感器選擇目前指紋傳感器主要有三類：光學(xué)傳感器、硅晶體電容傳感器、超聲波掃描傳感器。 eq oac(,1)光學(xué)傳感器工作原理光學(xué)傳感器主要是利用CCD將有深色脊和淺色谷構(gòu)成的指紋圖象傳感成數(shù)字圖象。光線照射到壓有指紋的玻璃外表，

22、光線經(jīng)玻璃射到谷的地方后在玻璃與空間的界面發(fā)生全發(fā)射，光線被反射到CCD，而射向脊的光線不發(fā)生全反射，而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，反射廣的量依賴于壓在玻璃外表指紋的脊和谷的深度和皮膚與玻璃間的油脂和水分，這樣就在CCD上形成了指紋的圖像。脊谷構(gòu)成的指紋圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，為了獲得一個實(shí)際可用的圖像，圖像的亮度需要作自動(多采用)或手工(較困難)的調(diào)整。由于指紋的采集是通過CCD來獲得，通常情況下嵌入式系統(tǒng)CPU的外部接口和CCD連接在時序上是不吻合的，因此還需要額外的CPLD或FPGA來配合CCD時序并將數(shù)據(jù)傳送到CPU。在硬件上實(shí)現(xiàn)起來比擬麻煩。 eq oac(,2)硅晶

23、體傳感器工作原理硅晶體電容傳感器是1998年在市場上才出現(xiàn)的，最常見的硅電容傳感器通過電容感應(yīng)電壓來捕獲指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上結(jié)合大約100，000個電容傳感器，其外面是絕緣的外表，當(dāng)用戶的手指放在上面時，皮膚組成了電容陣列，硅芯片傳感器為電容陽極，手指那么代表陰極，硅芯片面板與手指之間的電容被轉(zhuǎn)換成一個8-bit的灰度數(shù)字圖象。另一種晶體傳感器是壓感式的，其外表的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料，它們依靠指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電子信號。其他的晶體傳感器還有溫度感應(yīng)傳感器，它通過感應(yīng)壓在傳感器上的脊和遠(yuǎn)離傳感器的谷溫度的不同來獲取指紋圖象。硅晶體傳感器的獲取方式又分為以下兩種：單次觸

24、摸型傳感器，要求手指在指紋采集區(qū)進(jìn)行可靠的觸摸；滑動型傳感器，要求手指在傳感器外表擦過。硅晶體電容器體積小巧，它可以集成到許多現(xiàn)有設(shè)備中，能夠生成質(zhì)量較好的指紋圖象，并且指紋錄入時不需要像光學(xué)錄入設(shè)備那樣，要求有較大面積的錄入頭。但相比光學(xué)傳感器，硅晶體傳感器缺乏主要有：l、穩(wěn)定性方面還有待提高；2、指紋掃描區(qū)域小于光學(xué)傳感器；3、容易受到靜電影響，對于枯燥指紋效果非常差。 eq oac(,3)超聲波傳感器工作原理超聲波指紋圖像采集技術(shù)被認(rèn)為是指紋采集技術(shù)中最好的一種，但在指紋識別系統(tǒng)中還不多見，本錢很高，而且還處于實(shí)驗(yàn)室階段。超聲波指紋取像的原理是：當(dāng)超聲波掃描指紋的外表，緊接著接收設(shè)備獲取

25、的其反射信號，由于指紋的脊和谷的聲阻抗的不同，導(dǎo)致反射回接受器的超聲波的能量不同，測量超聲波能量大小，進(jìn)而獲得指紋灰度圖像。積累在皮膚上的臟物和油脂對超聲波取像影響不大。所以這樣獲取的圖像是實(shí)際指紋紋路凹凸的真實(shí)反映。根據(jù)對各種指紋傳感器采集質(zhì)量和性能的分析，本系統(tǒng)選用了富士通公司推出的一款固態(tài)指紋傳感器芯片MBF200。該芯片具有自動指紋檢測功能，可支持多種接口模式，設(shè)計方便。MBF200具有高性能、低功耗和低本錢等特點(diǎn)，屬于電容性傳感器。MBF200芯片內(nèi)含有一個256列300行的電容傳感器陣列，分辨率為500點(diǎn)英寸。其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當(dāng)一個電容板，接觸的

26、手指充當(dāng)?shù)诙€電容板，器件外表的鈍化層作為兩板的絕緣層。當(dāng)手指觸摸傳感器外表時，指紋的上下不平就會在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。MBF200每一列有兩組采樣保持電路，指紋采集按行實(shí)現(xiàn)。在采集的過程中，首先選定一行，對該行的所有電容充電，用采樣保持電路保存電壓值，然后放電，用另一組采樣保持電路保存剩余電壓值，兩組采樣保持電路的電壓差值通過內(nèi)部8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換就獲得了一行的圖象灰度值。 存儲器選擇系統(tǒng)中主要用到了三種存儲器，TMS320C6713內(nèi)部存儲器、高速的隨機(jī)動態(tài)存儲器SDRAM和非易失性存儲器FLASH。在TMS320C6713內(nèi)部有2

27、56K字節(jié)的存儲器，其中的64K字節(jié)可以配置為DSP的第二級CACHE來使用，其地址分配如圖4所示。由于整個系統(tǒng)程序所需要的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于256K字節(jié)，在L2存儲器中無法裝下。為了充分利用L2存儲器，系統(tǒng)中將64K存儲空間配置為4路CACHE，提高CPU對存儲器的訪問速度。另外由于訪問內(nèi)部存儲器比訪問外部存儲器要快得多，其余的192K字節(jié)存儲空間用于存放關(guān)鍵代碼和頻繁使用的數(shù)據(jù)，以提高CPU的執(zhí)行效率。例如指紋算法的關(guān)鍵代碼。由于系統(tǒng)中的指紋處理算法較為復(fù)雜，存儲一幅圖象也需要很大的容量。而且，TMS320C6713的EMIF接口支持對SDRAM的無縫連接，考慮到本錢因素，本系統(tǒng)選用了SDRAM

28、 MT48LC16M16A2P-6A作為外擴(kuò)存儲器。由于SDRAM和TMS320C6713的內(nèi)部RAM在掉電后會喪失，因此需要非易失性存儲器在掉電后保存程序和一些初始化的數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)中通常使用Flash存儲器來保存這些數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中使用了兩片 AM29F800B來組合成32位的存儲器連接到DSP的外部存儲空間。圖4 存儲器映射3.4 硬件設(shè)計電源設(shè)計由于各芯片工作電壓不完全相同，除了+5v直流電源，本系統(tǒng)中還有需要多種電源，如：+33V,+126。因此，電路上還需要一組穩(wěn)壓器將直流+5V電壓轉(zhuǎn)換成所需的三種電壓。市面上常用的電源轉(zhuǎn)換芯片一般有兩種：LDO(Low Dropout Regul

29、ator)和DC-DC開關(guān)式降壓器。LDO為低壓差線性穩(wěn)壓芯片，是傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器的改良型產(chǎn)品。LDO的特點(diǎn)有：外圍電路簡單、使用方便、本錢低、輸出紋波小、無電磁干擾、效率低。DC-DC是實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的另一種方法，效率比線性穩(wěn)壓器高，但設(shè)計比線性穩(wěn)壓器復(fù)雜很多，外圍電路也比線性穩(wěn)壓器復(fù)雜，而且還帶有一定的電磁干擾?？紤]到設(shè)計的簡單實(shí)用性，本系統(tǒng)采用了TI芯片分別對DSP芯片和CPLD等芯片供電。TI公司的TPS75733 電壓調(diào)節(jié)器同時為DSP提供+3.3V電源輸出；TPS54310電壓轉(zhuǎn)換芯片可以提供+1.26V電源輸出。電路連接圖如下 圖 5 電源連接圖存儲器設(shè)計按照圖6 的接法，SDRA

30、M被映射到DSP的CE0空間，總大小為64M字節(jié)，對應(yīng)的地址為：0 x8000，0000-0 x8400，0000。根據(jù)TMS320C6713的bootloader流程，系統(tǒng)上電后，DSP用EDMA從外部的CEl尋址空間拷貝1K字節(jié)的數(shù)據(jù)到內(nèi)部存儲空間OxO開始處，然后從內(nèi)部存儲空間OxO開始執(zhí)行，因此FLASH存儲器只能被映射到DSP的CEI空間。其硬件連接如圖7所示。兩片F(xiàn)lash大小共為4MByte，對應(yīng)的地址為Ox9000，0000-0 x9040，0000。 圖 6 SDRAM 局部連接圖 圖 7 flash 局部連接圖 指紋采集模塊設(shè)計MBF200與TMS320C6713連接可以使

31、用SPI接口或微處理器總線接口。SPI接口硬件連接線數(shù)量少，但編寫驅(qū)動復(fù)雜。微處理器總線接口硬件連接線數(shù)量多，但編程簡單本系統(tǒng)中選用8位微處理器總線接口來與MBF200連接。MBF200可以工作在+33V電源電壓條件下，總線上不需要任何緩沖，使硬件實(shí)現(xiàn)更加方便。硬件連接如圖8所示。 圖 8 指紋模塊連接圖MBF200的片選信號由CPLD給出。MBF200使用內(nèi)部自帶振蕩器，省去釙部的晶體振蕩器。模擬電源和數(shù)字電源之間有一個PI型濾波器，濾除數(shù)字電路中的電源噪聲。模擬地和數(shù)字地采用共地的方式連接。ISET引腳接一電阻到地，該電阻用于控制芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電流，電容放電電流為該基準(zhǔn)電流的倍數(shù)。AIN引腳

32、為一外部模擬輸入腳，可以通過控制存放器來使內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集這個引腳上的電壓值。FSET引腳和地之間的電阻用于設(shè)置內(nèi)部多諧振蕩器的頻率和自動指紋探測的頻率，當(dāng)電阻值為56K歐姆時內(nèi)部振蕩器頻率為12MHz，自動指紋探測頻率為120KHz。 其他模塊設(shè)計本設(shè)計選用CPLD 作為外圍的邏輯控制，主要是來控制USB，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。另外還有指紋片選端、DSP復(fù)位的控制，局部連接圖如圖9 所示。USB 的主要連接如圖10所示。 圖 9 CPLD 連接圖 圖 10 USB 連接圖3.5 軟件設(shè)計在本系統(tǒng)中，指紋圖像識別局部的算法主要通過DSP ( TMS320C6713) 芯片來完成，TMS320C

33、6713是32 位浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器,易于進(jìn)行高級語言編程,動態(tài)范圍寬，精度高。采用TI公司的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS 2為開發(fā)調(diào)試工具，用C/ C+ +語言編程開發(fā)?；趫D2指紋識別系統(tǒng)的工作流程圖進(jìn)行軟件設(shè)計，程序流程圖如圖5所示。圖5 指紋識別系統(tǒng)的程序流程圖把MBF200采集的256級灰度指紋圖像的灰度值輸入TMS320C6713，由于平時的工作和環(huán)境使圖像有很多噪音，比方手指被弄臟，有刀傷、疤、痕等，圖象增強(qiáng)就是濾波，增強(qiáng)脊和谷的比照度。二元化就是選取一些脊，它們真實(shí)的信息被簡單化為二元，圖像在強(qiáng)度層次上從原始的256色8-bits降為2色(1-bits)。細(xì)化是將脊的寬度降為單個像

34、素的寬度，保持原有脊的連續(xù)性，降低由于人為因素毛刺所造成的影響。特征提取過程是根據(jù)預(yù)處理后的圖像上每個點(diǎn)的交叉情況確定出端點(diǎn)和分叉點(diǎn)這兩種特征點(diǎn)，進(jìn)一步提取出特征點(diǎn)相應(yīng)的坐標(biāo)位置、種類、方向等有用信息。特征匹配主要解決對從兩幅給定的指紋圖像提取的特征信息集合進(jìn)行匹配，判斷這兩枚指紋是否來自同一枚指紋。其中指紋的采集流程如圖6所示，MBF200芯片內(nèi)部共有19個存放器，分別用于控制指紋采集和傳感器設(shè)置。外部無法直接對這些存放器進(jìn)行讀寫操作，MBF200提供了一個地址存放器和一個數(shù)據(jù)存放器。當(dāng)輸入引腳A0為低電平時尋址地址存放器，A0為高電平時尋址數(shù)據(jù)存放器。讀MBF200的一個內(nèi)部存放器時，首先向地址存放器寫入該內(nèi)部存放器的地址，然后從數(shù)據(jù)存放器中讀出的就是該內(nèi)部存放器的值；寫MBF200的一個內(nèi)部存放器時，首先向地址存放器寫入該內(nèi)部存放器的地址，然后向數(shù)據(jù)存放器寫入數(shù)據(jù)，完成后數(shù)據(jù)存放器中的數(shù)據(jù)就被寫入到內(nèi)部存放器中。由附錄硬件連接圖的連接可知， MBF20