【正文】 展望 ...................................................... 36 參考文獻 ........................................................... 37 致 謝 .............................................................. 39 附 錄 .............................................................. 40 附錄 A 單片機最小系統(tǒng)電路圖 .................................... 40 附錄 B PCB 圖 .................................................. 41 附錄 C 元器件布局圖 ............................................ 42 附錄 D 單片機最小系統(tǒng)實物圖 .................................... 43 附錄 E 單片機最小系統(tǒng)元器件清單 ................................ 44 附錄 F 程序清單 ................................................ 45 1 1. 緒論 . 研 究的背景及意義 科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展為人類的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利，大大地推動了社會的進步和發(fā)展。正是這些無窮無盡的細節(jié)特征組合構(gòu)成了指紋的唯一性．事實上，甚至包括雙胞胎，世界上兩個指紋相同的概率小于 1/109，幾乎為零。 . 指紋識別技術(shù)特點 指紋的使用比起其它證卡來說更快捷、安全、準(zhǔn)確、無干擾，可實現(xiàn)快速登 2 錄注冊，系統(tǒng)兼容性好，也就是說可以獨立或者通過聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成系統(tǒng)并且很容易并入各類證卡和定義識別系統(tǒng)中。實際應(yīng)用要求最好自動指紋識別系統(tǒng)能對識別任務(wù)實時做出響應(yīng)，而讓指紋匹配算法同時達到高速度和高準(zhǔn)確率也是一個難題。對應(yīng)的匹配方法可以分為：基于點模 式的匹配，基于脊線的匹配，基于紋理的匹配以及多種細節(jié)特征混合的匹配方法。主要 表現(xiàn)在：指紋錄入設(shè)備的質(zhì)量還不太過關(guān)；自動指紋識別算法研究水平還有待提高，在應(yīng)用上的表現(xiàn)為產(chǎn)品適應(yīng)性和易用性較差，對干、濕一些的指紋往往不能正確區(qū)別，對指紋錄入時的旋轉(zhuǎn)、平移比較敏感。通過提取圖像特征 ,可將原始圖像映射到特征空間，使圖像特征在特征空間中呈現(xiàn)一定的分布。此方法的實現(xiàn)是利用方向濾波器。 在使用方差均值法之前還要使用歸一法將圖變?yōu)?低頻圖。由于指紋圖像脊、谷相間，因此指紋圖像的處理常是將指紋圖像二值化。 采用動態(tài)局部閾值，即滿足這種條 件下的灰度值為 128，不滿足則灰度值為255。所謂“骨架”，是指圖像中央的骨骼部分，是描述圖像幾何及拓撲性質(zhì)的重要方法之一。 (4) 保持性：保護指紋的細節(jié)特征。因而細化中選擇一個好的模板是關(guān)鍵。對于自動指紋識別技術(shù)而言，選擇一種合適的、能表達指紋唯一性的特征量是非常關(guān)鍵的。 為了比較兩個指紋是否相同，需要從指紋圖像中提取出能表示指紋唯一性的特征。對于細化二值圖像，像素點的灰度值只有兩種情況。目前最為常用的方法是 FBI 提出的細節(jié)點坐標(biāo)模型來做細節(jié)匹配。 該系統(tǒng)的主要功能有以下幾個方面： (1) 指紋錄入。對添加到庫中的用戶指紋進行權(quán)限管理，設(shè)置最高權(quán)限用戶，并能夠?qū)ζ溥M行添加和刪除管理。系統(tǒng)的工作過程主要是當(dāng)檢測到有按鍵按下時先由 MCU 通過串口通信控制指紋模塊對指紋進行采集、錄入、存儲、比對?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。程序校驗時，需要外部上拉電阻。在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時， P2 口送出高八位地址 。在 FLASH 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 圖 8 時鐘模塊電路 15 . 按鍵模塊 鍵盤是最常用的輸入設(shè)備， 是實現(xiàn)人機對話的紐帶。本設(shè)計中鍵盤數(shù)目較少，且為安裝方便，因此采用獨立式接法。最常用的編碼格式是異步起停格式，它使用一個起始比特后面緊跟 7 或 8 個數(shù)據(jù)比特，然后是可選的奇偶校驗比特，最后是一或兩個停止比特。 40bit 的中央算數(shù) /邏輯單元（ ALU）由另一個 16bit 的ALU 支持，這些單元受指令集控制，以達到優(yōu)化并行性和降低能耗的效果。 命令接口： 19200bps 1 起始位 1 停止位 （無校驗位） 主設(shè)備發(fā) 送的命令及 DSP 模塊的應(yīng)答按數(shù)據(jù)長度可分為兩類： (1) = 8 字節(jié)，數(shù)據(jù)格式如下： 表 2 8字節(jié)數(shù)據(jù)格式 字節(jié) 1 2 3 4 5 6 7 8 命令 0xF5 CMD P1 P2 P3 0 CHK 0xF5 應(yīng)答 0xF5 CMD Q1 Q2 Q3 0 CHK 0xF5 說明： CMD：命令 /應(yīng)答類型 P1， P2， P3：命令參數(shù) Q1， Q2， Q3：應(yīng)答參數(shù)， Q3 多用于返回操作的有效性信息，此時可有如下取值： define ACK_SUCCESS 0x00 //操作成功 define ACK_FAIL 0x01 //操作失敗 define ACK_FULL 0x04 //指紋數(shù)據(jù)庫已滿 define ACK_NOUSER 0x05 //無此用戶 define ACK_USER_EXIST 0x07 //用戶已存在 define ACK_TIMEOUT 0x08 //采集超時 CHK：校驗和，為第 2 字節(jié)到第 6 字節(jié)的異或值 (2) 8 字節(jié)，數(shù)據(jù)由兩部分組成：數(shù)據(jù) 頭 +數(shù)據(jù)包 ，格式如下： 表 3 大于 8字節(jié)數(shù)據(jù)頭格式 字節(jié) 1 2 3 4 5 6 7 8 命令 0xF5 CMD Hi(Len) Low(Len) 0 0 CHK 0xF5 應(yīng)答 0xF5 CMD Hi(Len) Low(Len) Q3 0 CHK 0xF5 說明： CMD， Q3 的定義同上 21 Len：數(shù)據(jù)包內(nèi)有效數(shù)據(jù)長度， 16 位，由兩字節(jié)組成 Hi(Len)：數(shù)據(jù)包長度高 8 位 Low(Len)：數(shù)據(jù)包長度低 8 位 CHK：校驗和，為第 2 字節(jié)到第 6 字節(jié)的異或值 表 4 大于 8字 節(jié)數(shù)據(jù)包格式 字節(jié) 1 2? Len+1 Len+2 Len+3 命令 0xF5 Data CHK 0xF5 應(yīng)答 0xF5 Data CHK 0xF5 說明： Len 即為 Data 的字節(jié)數(shù)； CHK：校驗和，為第 2 字節(jié)到第 Len 2 字節(jié)的異或值 發(fā)送完數(shù)據(jù)頭后緊接著發(fā)送數(shù)據(jù)包。 鍵 1 用于休眠，即向指紋模塊發(fā)送休眠信號，以等待后續(xù)操作，或在本次操作完成后，使模塊休眠以便下一次使用。 程序設(shè)計見附錄 F。 當(dāng)按下操作鍵或返回應(yīng)答信號后，指示燈響應(yīng)內(nèi)容如表 14 所示： 表 14 指示燈響應(yīng)含義 指示燈 1 2 3 4 5 6 7 8 響應(yīng) 含義 休眠 添加 用戶 刪除指定用戶 刪除所有用戶 用戶認證 超時 失敗 程序設(shè)計見附錄 F。在用臨時頁緩沖器存儲的數(shù)據(jù)對一頁存儲器進行編程時，首先要將這一頁擦除。在編寫好程序后，利用仿真器來設(shè)置斷點，觀察變量和程序的流程，逐步對程序進行調(diào)試，修正錯誤。因為發(fā)送完一個字節(jié)之后，單片機會自動將 TI 置 1 以表示幀發(fā)送結(jié)束，所以運。 . 串口調(diào)試 在單片機編程中，串口占了很重要的地位。 通信中的發(fā)送流程（以單片機為參考）如圖 19 所示： 圖 19 通信發(fā)送流程 圖 （以單片機為參考） 通信中的接收流程（以單片機為參考）如圖 20 所示： 圖 20 通信接收流程 圖 （以單片機為參考） 程序設(shè)計見附錄 F。 開始 返回 指示燈 4 亮，刪除所有用戶 按鍵 4 發(fā)送 CMD=0X05 指令 返回 Q3= SUCCESS 應(yīng)答 顯示： ALLD 刪除失敗，返回 Q3= FAIL 應(yīng)答 操作失敗指示燈亮 開始 返回 按鍵 3 發(fā)送 CMD=0X04 指令 指示燈 3 亮，刪除指定用戶 調(diào)節(jié)用戶名 ID 返回 Q3= SUCCESS 應(yīng)答 顯示： ID+DELE 刪除失敗，返回 Q3= FAIL 應(yīng)答 操作失敗指示燈亮 27 需要驗證用戶時，按下鍵 5 即執(zhí)行搜索比對操作，單片機向 DSP 發(fā)送采集圖像并進行 1:N 比對命令，比對成功后，返回信息， LED 數(shù)碼管顯示用戶 ID，若用戶不存在，則返回相應(yīng)信息， LED 顯示 NOUS。 程序流程如圖 14 所示： 圖 14 添加用戶流程圖 鍵 8 用于權(quán)限管理，循環(huán)按鍵，在 3 之間循環(huán)滾動，按鍵停留時，顯示數(shù)字表示當(dāng)前要添加的用戶權(quán)限， 1 為最低， 3 為最高。 24 . 單片機的程序設(shè)計 . 鍵盤管理及指示燈響應(yīng)程序設(shè)計 為實現(xiàn)各按鍵功能，需要對按鍵編號定義。 本 設(shè)計以串口方式實現(xiàn) DSP 和單片機之間的通信， S52 的 RXD 腳接 DSP的 TX 腳，實現(xiàn) DSP 發(fā)送數(shù)據(jù)由 S52 接受， TXD 腳接 DSP 的 RX 腳，實現(xiàn) S52發(fā)送數(shù)據(jù) DSP 接受，并將 GND 腳連接。一個周期包括 3 個數(shù)據(jù)讀取和 2 個數(shù)據(jù)寫入，與此同時，在 CPU 活動時， DMA 控制器可自主進行數(shù)據(jù)的傳輸。本次設(shè)計采用 9 芯針接口，其主要包括 DCD(Data Carrier Detect)載波檢測引腳， RXD(Received Data)接收數(shù)據(jù)引腳， TXD(Transmit Data)發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，DTR(Data Terminal Ready)數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒引腳， SGND(Signal Ground)信號地引腳， DSR(Data Set Ready)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒引腳， RTS(Request To Send)請求發(fā)送引腳， CTS(Clear To Send)清除發(fā)送引腳， RI(Ring Indicator)振鈴提示引腳。獨立式實際上就是一組獨立的按鍵，這些按鍵可直接與單片機的 I/O 口連接，即每個按鍵獨占一條口線，這種接法簡單。通過在芯片的外部 XTAL1 和 XTAL2 兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩電路。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。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。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。對 P2 端口寫 “1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。在這種模式下， P0不具有內(nèi)部上拉電阻。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及 時鐘電路 。主控芯片選用 AT89S52 單片機。 (3) 指紋管理。它利用人體指紋各異性和不變性，為用戶提供加密手段，使用時只需將手指平放在指紋采集儀的采集窗口上，即可完成采集任務(wù)，并將顯示出指紋模塊采集指紋圖像各個流程及比對的結(jié)果。 指紋圖像匹配方面，主要有基于圖像，脊線結(jié)構(gòu)和特征點的方法。最后確定出特征點的類型、位置、方向。 (2) 基于直接灰度的特征提取方法：這種方法直接從灰度圖像出發(fā)，通過分析圖像的紋理屬性和拓撲結(jié)構(gòu)提取特征點。 8 . 指紋圖像的特征提取 . 指紋特征提取概述 特征提取就是對細化后的指紋圖像提取表示其特征的信息的操作。并行細化算法對圖像進行細化時利用相同的條件同時檢測所有像素點，其結(jié)果具有各向同性，因此從算法原理上并行算法優(yōu)于串行算法。 7 (2) 連通性；不破壞紋線的連接性。 指紋圖像細化處理 由于灰度過渡區(qū)的存在， 指紋細化是指紋圖像 預(yù)處理中的一個重要環(huán)節(jié)，因為一般的特征提取都是在細化的基礎(chǔ)上進行的，如果細化不好，將無法使用常規(guī)的特征提取算法提取細節(jié)特征信息。一般的圖像處理中的二值化算法主要是計算整幅圖像的灰度平均值，然后將該值作為門限，高于該門限的像素點就置 1，反之置 0。在歸一化處理降頻和通過區(qū)域均值方差的后得到的圖像條紋清晰，輪廓分明，對于后面的細化和匹配有很大的幫助。 設(shè)指紋圖像 I 的大小為 HL ， I(i， j)為像素點 (i， j)的灰度， AVE 和 VAR 分別為原指紋 圖像的均值和方差， AVE 和 VAR 可以通過公式（ 5）和公式（ 6