【正文】 ..................................................................... 29 致 謝 ................................................................................................................................. 29 附 錄 一 ..................................................................................................................... 30 附 錄 二 ....................................................................................................................... 30 1 第 1 章 緒 論 課題的背景和意義 隨著科學技術的不斷發(fā)展，我們的生活中常常需要身份確認。生物識別技術開始走進安全系統(tǒng)，指紋識別作為生物識別的一種已經獲得 了廣泛的應用。 ③終生不變性 [1]， 非意外事故發(fā)生終身不變。 由于本系 統(tǒng)采用的是單片機作為主控 MCU，所以在實時性，擴展性上受到了極大的限制，但是也有它自身的突出的優(yōu)點和意義，那就是以最簡單的，處理數據能低的 MCU 完成了指紋識別系統(tǒng)應該具備功能。目前已經出現了許多生物識別技術，如指紋識別、手掌幾何學識別 [3]、虹膜識別 [3]、視網膜識別 [3]、面部識別、簽名識別、聲音識別等，但其中一部分技術含量高的生物識別手段還處于實驗階段。紋線的起點、終點、結合點和分叉點，稱為指紋的細節(jié)特征點。 靜脈識別 靜脈識別系統(tǒng)就是首先通過靜脈識別儀獲 得個人靜脈分布圖，從靜脈分布圖依據專用比對算法提取特征值，通過紅外線 CMOS攝像頭獲取手指靜脈、手掌靜脈、手背靜脈的圖像，將靜脈的數字圖像存貯在計算機系統(tǒng)中，將特征值存儲。虹膜識別通過對比虹膜圖像特征之間的相似性來確定人們的身份，其核心是使用模式識別、圖像處理等方法對人眼睛的虹膜特征進行描述和匹配，從而實現自動的個人身份認證。 指紋識別技術概述 人手的指紋即為手指皮膚上的花紋，它是人的一種生物特征。這一研究發(fā)現使得指紋正式在犯罪鑒別中得以應用。 21世紀，指紋識別技術已經基本成熟，研究方向也開始轉向最求高效，快速的指紋算法。 指紋識別技術的應用系統(tǒng)主要有兩種，即嵌入式系統(tǒng)和基于 PC機的桌面應用系統(tǒng)。就目前的發(fā)展狀況來看，自動指紋識別系統(tǒng)已經由大型計算機處理、微機處理發(fā)展到嵌入式處理階段。 論文內容安排 本文以指紋識別系統(tǒng)的指紋識別原理和硬件設計、制作為研究主體，針對指紋識別系統(tǒng)的硬件設計提出多種設計方案。 第三章：介紹了指紋識別系統(tǒng)的硬件設計，包括設計方案，和相關器件，最后給出設計電路。如此一來，一方面使勁向上攻，一方面被迫往下撤，導致表皮長得曲曲彎彎，坑洼不平，形成紋路。研究表明，如果某人指頭肚高而圓，其指紋的紋路將是螺旋型。是人類進化過程式中自然形成的。鑒識人員最常接觸到的指紋是潛伏紋。 指紋的相關概念 （ 1）指紋： 指頭表面 凹凸 紋線。 （ 5）細節(jié)特征： 指紋中出現的各種特征，例如最常用的就是脊線端點和分叉點。 指紋特征可以分為全局特征、局部特征和細微特征。 核心點和三角 點統(tǒng)稱為奇異點。 (ii)分叉點：一條紋路在此分成兩條或多條紋路。 (vi)環(huán)點：一條紋路分成兩條后又立即合成一條，這樣形成的一個小環(huán)稱為環(huán)點。指紋在圖案、端點和交叉點上各不相同的，也就是“特征”，這些特征每個人每個手指都不相同，根據指紋的唯一性和可靠性，我們就把一個人和他的指紋一一對應起來，通過比對指紋特征和預先保存的指紋特征，就可以驗證他的身份。然后，指紋特征提取算法建立指紋的特征數據，這是不可逆的轉換，可以從指紋圖像轉換到特征數據，但不可以從特征數據轉換到指紋圖像，兩枚不同的指紋產生不同的特征數據。不管他們是怎么組成的，至今仍然沒有一種模板的標準，也沒有公布一種抽象的算法。目前市場常見的指紋采集可以分為光學式取 像設備、電容式取像 設備和超聲掃描。而另外一種光學取 像 設備則是利用微型三棱鏡，把他安裝在彈性的平面 上，當手指按在上面由于脊谷壓力不同，而改變微型棱鏡的表面。由于傳感器容易受到靜電干擾，易損壞，不如光學式的經用耐磨。圖像處理的目的就是利用信號處理技術剔 除圖像中得各種噪聲，把它轉化為圖像清晰的二值化 圖像，以便提取正確的特征信息。因為指紋紋線具有一定的方向和頻率，在頻域看來就是紋線頻譜處于某一 特定的位置和方向上。前者整個圖像采用一個門限，對輸入圖像要求高，要求圖像灰度均衡；后者則是根據不同區(qū)域選用不同門限，對輸入圖像要求不高。局部細節(jié)特征主要包括了端點和分叉點，目前主要的提取方法分三類： 從細化圖像上提?。喊阎讣y圖像二值化、細化后，分析指紋紋線‘骨架’上 8個相鄰的像素點取值來判斷細節(jié) 點 的類型和位置，再通過該點和紋線的連線 10 來計算其方向。 指紋匹配 目前匹配的方法有：圖像相關匹配、紋理特征匹配、紋線匹配和細節(jié)點匹配 [12]。 細節(jié)點匹配通常把匹配模板和待匹配的細 節(jié)點集對齊，設定匹配規(guī)則，統(tǒng)計二者對應的細節(jié)點相同的個數來衡量他們的相似度。 ③指紋采集過程中由于壓力不均，造成圖像的扭轉，拉伸和形變。 8051 CPU， 1T，單時鐘 /機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； ： STC12C5A60S2 系列工作電壓： （ 5V單片機） ： 0 35MHz，相當于普通 8051的 0～ 420MHz； 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)； 11 1280 字節(jié) RAM； I/O 口（ 36/40/44 個），復位后為：準雙向口 /弱上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O口），可設置成四種模式：準雙向口 /弱上拉，推挽 /強上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個 I/O 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不要超過55 mA； 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串 口（ ）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片； EEPROM功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 無內部 EEPROM)； 9. 看門狗； MAX810 專用復位電路（外部晶體 12M 以下時，復位腳可直接 1K電阻到地）； :在 口有一個低壓門檻比較器， 5V 單片機為，誤差為 +/5%, 單片機為 ，誤差為 +/3%； ：外部高精度晶體 /時鐘，內部 R/C振蕩器 (溫漂為 +/5%到 +/10%以內 ) 1用戶在下載用 戶程序時，可選擇是使用內部 R/C振蕩器還是外部晶體 /時鐘，常溫下 內部 R/C 振蕩器頻率為： 單片機為： 11MHz～ ， 單片機為： 8MHz～ 12MHz，精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準； 4個 16位定時器 兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數器 ,16位定時器 T0和 T1，沒有定時器 2，但有獨立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上 2 路 PCA模塊可再實現 2個 16位定時器； 14. 2個時鐘輸出口，可由 T0的溢出在 ，可由 T1的溢出在 ； I/O口 7路 ,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ,并新增支持上升沿中斷的 PCA 模塊， Power Down 模式可由外部中斷喚醒，INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/(也可通過寄存器設置到 ), CCP1/ (也可通過寄存器設置到 )； 16. PWM(2路） /PCA（可編程計數器陣列 ,2路）： —— 也可用來當 2路 D/A使用 —— 也可用來再實現 2個定時器 —— 也可用來再實現 2個外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時支持 )； , 10 位精度 ADC，共 8路，轉換速度可達 250K/S(每秒鐘 25萬次 ) (UART)，由于 STC12系列是高速的 8051，可再用 12 定時器或 PCA軟件實現多串口； 19. STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標志的才有雙串口，RxD2/(可通過寄存器設置到 )， TxD2/(可通過寄存器設置到)； ： 40 +85℃ (工 業(yè)級 ) / 0 75℃ (商業(yè)級 )：PDIP40,LQFP44,LQFP48 I/O 口不夠時，可用 2 到 3 根普通 I/O 口線外接 74HC164/165/595（均可級聯）來擴展 I/O口 , 還可用 A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙 CPU,三線通信，還多了串口。 13 圖 6 STC12C5A60S2內部結構框圖 指紋識別模塊 FM180 FM180 亮背景光學頭指紋識別設備采用光學指紋傳感器，由高性能 DSP 處理器和 FLASH 等芯片構成，具有指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲等項功能。算法對變形、質量差指紋均有較好的校正和容錯性能。 系統(tǒng)參數： F— 180 性能參數表 序號 指標項目 技術參數 測試條件 1 供電電壓 — 2 正常工作電壓 120mA 3 峰值電流 150mA 4 指紋錄入時間 5 1:1 比對時間 特征提取 +指紋比對 6 1:900 搜索時間 2s 7 指紋存儲數量 最多支持 960 枚 8 認假率 % 9 拒真率 % 10 指紋模板大小 512bytes 11 外部接口 UART 表 2 FM180 參數表 該模塊采用的是 PS1802一款高性能通用 DSP 控制器，同時也是一款全功能的指紋識別系統(tǒng)芯片（ SOC），工作主頻為 120MHz，峰值運算能力達到 480MIPS，內嵌 156KB RAM， 96KB ROM，功耗小于 150mW（ 120MHz）。 TTL 邏輯電平。內部與電源地連接。 FM180 是完整的指紋識別模塊，不需掛接任何外圍部件，模塊始終處于從屬地位（ Slave mode），主機（ Host）需要通過不同的指令讓模塊完成各種功能。內部自帶中文字庫，其顯示分辨率為 128 64，內置 8192 個 16 16 點漢字，和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集。也可完成圖形顯示。 *注釋 3：如背光和模塊共用一個電源，可以將模塊上的 JA、 JK 用焊錫短接?？臻e狀態(tài)時， CPU 暫停工作，中斷系統(tǒng)、串口及定時器模塊繼續(xù)工作。電源采用市場上市電轉 5V的直流電源。根據設計題目基于單片機的指紋 系統(tǒng)的設計，可知，系統(tǒng)采用的是單片機最為控制器件，對比 DSP、FPGA它具有低功耗、性價比高的優(yōu)點。后來我們去測試，唯一確定的是電源線和地線， 8根數據線，剩下的控制信號線，不能確定其作用。 FPS200 是由256*300的傳感器陣列組成的，支持三種數據傳輸方式： 8位的系統(tǒng)總線、集成的全速 USB和集成的 SPI。 通過 FPS200采集出來的一個指紋大小大概在 75KB左右，而 51單片機最多片外擴展 64KB。其結構框圖如圖 9： 圖 9方案三硬件 結構框圖 工作過程： 當有手指按在傳感器上時， FPS200 給主機一個中斷信號，開始傳送經過AD 轉化的指紋數據，接著把接收的數據通過串行通信的方式傳送到從機 1，從機 1 把數據存儲在 RAM 中；接著從機 1 就處理指紋數據，最后又把處理后的指紋數據傳給從機 2 寫入 SRAM 中固化下來，形成一個指紋數據庫。主機傳輸到從機采用的是串行通信耗時更是遠大于 8 秒 。該模塊集成了圖 8 所示的指紋采集和指紋存儲，并且能夠完成指紋特征提取，比對，驗證等功能。這些操作都是通過單片發(fā)送指令完成的。 通訊協(xié)議 單片機和 FM180 的通信 通信有并行通信和串行通信兩種方式。串行通信是將數據字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送。此時，傳輸數據的位之間的距離均為“位間隔”的整數倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關系，也保持字符同步關系。在單片機內部集成了一個串行通信 I/O部件 UART，支持全雙工串行通信，通過編程可以將 8位字節(jié)數據寫入 UART 中， UART 自動將改接的 8 位二進制數變成串行數據，在不同時刻從 TXD引腳輸出發(fā)送；同時對于不同時刻從引腳 RXD輸入的串行數據， UART自動變換成字節(jié)，可以編程讀取后進行處理。 1． RS232C 通訊協(xié)議 RS232C 的每個腳線的信號和電 平 規(guī)定采用負邏輯電平， DC (15V~5V )規(guī)定為邏輯“ 1”， DC(+5V~+15V)規(guī)定為邏輯“ 0”， DC(5V~+5Y)規(guī)定為過渡區(qū)。 RS232C 規(guī)定使用 25 針標準連接口，采用