嵌入式指纹采集系统的研究与设计——指纹采集与综合设计(编辑修改稿)

嵌入式指纹采集系统的研究与设计——指纹采集与综合设计(编辑修改稿)内容摘要：

纹图像，在 通过一定的技术手段将图像数字化 并 输入计算机，它属于非实时采集。 目前“离线式”采集方式在大多数 场合已经消失。 所谓“在线式”是通过与计算机联机的先进指纹传感器作为 专用指纹采集设备，将真实的人体指纹直接变成数字图像数据，实时传输给计算机。 基于指纹传感器的“在线式”实时采集设备以其操作简单、实时性强、采集效率高、图像质量好等优点，广泛应用于自动指纹识别领域 [6]。 综上所述，对于应用前景更为广泛的嵌入式自动指纹识别系统来说，指纹原始图像内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 数据采集显得尤为重要。 而从指纹技术的最前端环节 —— 指纹传感器 ， 开发出自己特有的图 像采集系统，是本课题研究的目标，也就是要实现基于 ARM 芯片和 FPS200 指纹传感器的 “在线式” 指纹图像采集系统。 指纹采集 发展历史及研究现状 指纹采集最关键的 环节是指纹传感器。 过去指纹传感器都是基于光学技术的传感器，这种传感器结构复杂，价格昂贵，体积庞大，造成实际系统价格非常昂贵，因此导致过去指纹识别系统仅仅限于公安、银行等少数特殊部门内应用。 90 年代中期开始出现半导体的指纹传感器。 最初的这类传感器采集的图像质量和光学传感器有较大的差距，但是随着半导体技术的进步，它采集的图像质量也越来越高，现在这两 种传感器采集的图像质量差距已经很小了。 半导体传感器具有价格低、体积小的优点，特别适合集成在普通的消费电子产品中，大有后来居上、取代光学传感器的趋势。 现在这两类指纹传感器在市场上基本是平分天下。 90 年代末到现在，由于半导体指纹传感器的出现，使得指纹识别的应用领域迅速扩大，在个人电脑上、个人数字助理、掌上电脑、手机等很多领域都开始使用 AFIS 技术，所以指纹采集的研究重点从光学传感器转移到了半导体传感器。 目前，指纹识别已经被全球大部分国家接受与认可，并广泛的应用到政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务和安全防 卫等领域。 在国外由于其开发指纹识别系统比较早，而且主要利用计算机进行指纹识别，所以技术比较成熟。 美国在这一领域的研究水平居于世界最前沿。 美国的 East Shore， Digital Persona， Veridi 等公司都有自动指纹识别产品面世。 自 1998 年以来，我国在指纹识别应用研究方面发展迅速，核心技术与国外差距不大，国内的部分研究成果在国际上具有先进甚至领先水平。 中科院自动化所田捷研究员领导的生物特征研究小组开发的指纹识别算法在 FvC20xx国际指纹识别竞赛中取得了优异的内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 成绩，在国际同行中很有影响。 但在应用技术 特别是硬件采集技术上，国内与国外存在着较大的差距。 国内上百家从事指纹识别技术应用的企业除了北大高科，中科院自动化所和西安青松等几家科研机构拥有自主产权外，其 它 的多以代理国外产品为主，拥有自主知识产权 的 核心技术不多。 在性能方面 ， 无论从精度上还是 从 效率上来看，均不如国际领先的同类产品。 以指纹采集的硅芯片为例，国际上的几大厂商几乎垄断了国内所有的市场。 而相对容易切入的光学采集仪，高端市场也基本为国际厂商所垄断 [10]。 论文的主要内容 第 1 章 引言 介绍了 指纹识别技术， 课题 研究 的 目的 和意义 及 指纹 采集的研究现状。 第 2 章 指纹采集系统总体设计 介绍了系统的总体设计，指纹识别原理和指纹采集技术 第 3 章 指纹采集系统硬件设计 介绍了系统的硬件设计，具体介绍 了 每个功能模块的芯片选型，接口电路原理图的设计。 第 4 章 指纹采集系统软件设计 介绍了系统的软件设计，重点设计了 FPS200 驱动程序、系统初始化程序、指纹采集程序及上位机 通信 程序。 第 5 章 电路板设计与系统调试 介绍了在调试系统过程中遇到的问题、解决问题的方法以及一些心得体会。 第 6 章 总结与展望 主要总结了 设计 所取得的成果 ，并为 后续研究 提出 了 一些 建 议。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第二章 指纹 采集系统 总体设计 指纹采集系统方案分析 指纹采集系统可以用 51 单片机、数字信号处理器、 ARM 处理器等实现，具体方案分析如下：  方案 1：基于 51 系列单片机指纹采集系统 5 1 系 列 单 片 机F P S 2 0 0指 纹 传 感 器电 源 接 口R S 2 3 2串 口 模 块P C 机L C D 显 示数 据 和 程 序存 储 器 图 基于 51系列单片机指纹采集系统框图 基于 51系列单片机的指纹采集系统原理框图如图 ，该系统 采用 51单片机 作为控制核心。 其中 FPS200采用 MCU模式接口 , 指纹数据通过 8位并行方式经控制器 , 暂存于外扩的 数据存储器。 采集完一整幅图像后通过串口传到 PC机上做后 续处理。 该指纹采集系统能够简便、快速、低成本 的 获取可靠的原始指纹灰度图像 ，但由于控制芯片性能的限制，不能嵌入操作系统，系统实时性、稳定性较差。  方案 2：基于 数字信号处理器 的指纹采集系统 基于 DSP数字信号处理器的指纹采集系统原理框图如图。 该系统以指纹传感器 FPS200为采集头，以数字信号处理器 DSP为控制和计算核心。 由于 DSP处理器具有很强的数学计算能力，非常适合乘法和加法的计算，可以在指纹采集系统中实现指纹图像的预处理，而且不会影响指纹采集速度。 但是 DSP处理的控制能力比较差，而且价格比较昂内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 贵 ， 适于高端指纹识别系统的开发。 D S P 处 理 器F P S 2 0 0指 纹 传 感 器电 源 接 口R S 2 3 2串 口 模 块P C 机L C D 显 示数 据 和 程 序存 储 器 图 基于 DSP处理器 的指纹采集系统框图  方案 3：基于 ARM 处理器的指纹采集系统 A R M 处 理 器F P S 2 0 0指 纹 传 感 器电 源 接 口R S 2 3 2串 口 模 块P C 机L C D 显 示数 据 和 程 序存 储 器 图 基于 ARM处理器的指纹采集系统 框图 基于 ARM处理器的指纹采集系统原理框图如图。 该系统以指纹传感器FPS200为采集头，以 ARM处理器为控制核心。 由于 ARM处理器实时性、稳定性比较强，而且可以嵌入实时操作系统， 因而该指纹采集系统比较稳定，但 ARM处理器在数 字图像处理方面有 缺陷 ，不适于指纹图像处理，指纹图像的处理可以在上位机中实现。 本设计采用方案 3进行设计，用 ARM处理器和 FPS200指纹传感器实现指纹采集，指纹图像的处理和显示在 PC机中实现。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 系统总体设计 设计思想 指纹采集系统框图如图 所示。 本设计采用 ARM 开发板和指纹传感器作为硬件开发平台，在 ARM 开发板上植入 μC/OSⅡ 操作系统，编写 FPS200 驱动程序、 uart 驱动程序等，并再此基础上编写应用程序，实现指纹图像的采集。 本系统可分为硬件设计和软件设计两大部分。 应 用 程 序设 备 驱 动 程 序μ C / O S Ⅱ 操 作 系 统A R M 开 发 板 + 指 纹 传 感 器 图 指纹采集系统框图 硬件设计 图 硬件 系统 框图 硬件 系统 框图如图 所示。 从图中可以看到，本系统主要有三 部分组成：指纹传感器 、 ARM 处理器 和 PC 机。 系统硬件设计分为三部分： FPS200 与处理器接口设计、ARM 处理器及外围接口设计、 UART 通信 接口设计。 系统各部分功能如下： 1. 指纹传感器： 采集指纹图像，将指纹图像数字化，并将指纹数据传给 ARM 处理器。 2. ARM 处理器：控制指纹传感器采集指纹图像，将指纹数据上传给 PC 机。 3. PC 机： 接收 ARM 处理器上传的指纹数据，显示指纹 图像，并设置指纹传感器参AR M 处理器 RS 232 接口SPI 接口指纹传感器 PC 机内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 数。 软件设计 为了加快开发的进度，提高系统的可靠性和稳定性，系统采用 μC/OSⅡ 嵌入式操作系统。 μC/OSⅡ 是源代码公开的嵌入式实时操作系统，它是专为微控制器系统和软件开发而设计的多任务操作系统内核，是一段微控制器启动后首先执行的背景程序，并作为整个系统的框架贯穿系统运行的始终。 它具有可移植性强、可裁减、完全抢占式多任务的实时内核、任务栈、系统服务、可固化、稳定性、中断管理等特点，对于对实时性和稳定性要求很高的指纹系统来说，引入 μC/OSⅡ 无疑将大大改善其性能。 基于 μC/OSⅡ 编写应用程序是以“任务”为模块的，每个任务是独立的子功能模块，即为一个比较特殊的函数 (不返回值 )，主体也是个无限循环。 本系统的任务划分为： taskStart()、taskFinger()、 taskUart()，其优先级和功能如表 21 所示。 表 21 指纹采集系统任务优先级及功能 任务 优先级 功能 taskStart() 0 初始化开发板（包括时钟初始化、 ssi初始化、 FPS200 中断入口初始化等）、 uart、定时器，创建 taskFinger()和 taskUart() taskFinger() 1 采集指纹数据并将指纹数据上传给 PC 机 taskUart() 2 与 PC 机进行 通信 ，接收 PC 机命令，设置 FPS200 的参数 指纹识别 原理 认识指纹采集的重要性，首先要对指纹识别 原理 有所了解。 指纹是手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹路。 尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但是，它蕴涵大量的信息。 指纹特征可分为两类：总体特征和局部特征。 总体特征是指那些用人眼就可以直接观察到的特征，包括基本纹路图案、模式区、核心点、三角点、式样线和纹数等。 基本纹路图案有环型、弓型、螺旋型。 局部特征是 指 指纹上的 特内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 征点，即指纹纹路上的终结点、分叉点和转折点 [5]。 两枚指纹经常会有相同的总体特征，但它们的局部特征（即特征点）却不可能完全相同，因此，指纹识别技术通常使用指纹的总体特征如纹形、三角点等来进行分类，在用 局部特征如位置和方向等来进行识别用户身份。 通常，首先从获取的指纹图像上找到“特征点”（ minutiae），然后 根据 特征点的特性建立用户活体指纹的数字表示 —— 指纹特征数据库（一种单向的转换，可以从指纹图像转换成特征数据，但不能从特征数据转换成指纹图像）。 由于两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据，所以通过对所采 集到的指纹图像的特征数据和存放在数据库中的指纹特征数据进行模式匹配，计算出他们的相似程度，最终得到两枚指纹的匹配结果，根据匹配结果来鉴别用户身份 [5]。 总之，指纹识别技术首先通过读取指纹图像，然后利用计算机识别软件提取指纹的特征数据，最后通过 匹配 识别算法得到指纹识别结果。 其基本原理框图如图 所示 获取指纹图像指纹图像预处理提取指纹特征点比对特征点 图 指纹识别原理框图 指纹采集 技术概述 指纹识别技术的进步和指纹传感器技术的发展密切相关。 随着半导体技术的进步，指纹传感器从结构复杂，价格昂贵 ，体积庞大的基于光学技术的传感器，发展到 90 年代中期开始出现的半导体指纹传感器，价格越来越低、体积也越来越小，而采集的图像质量 却 越来越高。 下面简单介绍一下这几类指纹传感器。 1. 光学 指纹 传感器 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 基于光学技术的传感器都是利用了光学全反射技术。 光学全反射技术的原理是：光线照射到压有指纹的玻璃表面时，由 CCD 获得反射光线，反射光的数量依赖于压在玻璃表面的手指指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃间的油脂和水分。 光线经玻璃照射到指纹的谷的地方后，在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到 CCD，照射向指纹的脊的光线不发生全反 射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，于是就在 CCD 上生成了指纹图像。 光学 指纹 传感器生产厂商如国外的 Identix、 SecuGen 等公司，国内的长春光机所为刑侦部门研制的光学传感器也具有相当高的水平。 如图 所示，就是长春方圆公司生产的一种光学指纹传感器。 2. 电容式 指纹 传感器 电容 式 传感器是在单个晶片上集成了 10 多万个电容传感器，其外面是绝缘的表面，手指放在上面时，手指皮肤组成了电容阵列的另一极，电容器的电容值由于指纹的脊和谷相对于另一极的距离不同而不同。 通过测量空间中不同的电容值而得到完整 的指纹图像。 该类型较典型的产品为 Veridi公司的 FPS1 FPS200 指纹传感器，如图 所示。 在指纹采集过程中，根据反馈信息调节电容放电时间等参数以增强其灵敏度。 它的面积只有 1. 28cm2，集成 90000 个电容，且带有高速 A/D 转换器件，该产品的分辨率为 500DPI。 系统提供 USB 接口、 SPI 接口和 8 位并行数据总线接口。