【文章內(nèi)容簡介】 紋圖像，在 通過一定的技術(shù)手段將圖像數(shù)字化 并 輸入計算機，它屬于非實時采集。目前“離線式”采集方式在大多數(shù) 場合已經(jīng)消失。所謂“在線式”是通過與計算機聯(lián)機的先進指紋傳感器作為 專用指紋采集設(shè)備，將真實的人體指紋直接變成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，實時傳輸給計算機?；谥讣y傳感器的“在線式”實時采集設(shè)備以其操作簡單、實時性強、采集效率高、圖像質(zhì)量好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于自動指紋識別領(lǐng)域 [6]。 綜上所述，對于應(yīng)用前景更為廣泛的嵌入式自動指紋識別系統(tǒng)來說，指紋原始圖像內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 數(shù)據(jù)采集顯得尤為重要。而從指紋技術(shù)的最前端環(huán)節(jié) —— 指紋傳感器 ， 開發(fā)出自己特有的圖 像采集系統(tǒng)，是本課題研究的目標(biāo)，也就是要實現(xiàn)基于 ARM 芯片和 FPS200 指紋傳感器的 “在線式” 指紋圖像采集系統(tǒng)。 指紋采集 發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 指紋采集最關(guān)鍵的 環(huán)節(jié)是指紋傳感器。 過去指紋傳感器都是基于光學(xué)技術(shù)的傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，體積龐大，造成實際系統(tǒng)價格非常昂貴，因此導(dǎo)致過去指紋識別系統(tǒng)僅僅限于公安、銀行等少數(shù)特殊部門內(nèi)應(yīng)用。 90 年代中期開始出現(xiàn)半導(dǎo)體的指紋傳感器。最初的這類傳感器采集的圖像質(zhì)量和光學(xué)傳感器有較大的差距，但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，它采集的圖像質(zhì)量也越來越高，現(xiàn)在這兩 種傳感器采集的圖像質(zhì)量差距已經(jīng)很小了。半導(dǎo)體傳感器具有價格低、體積小的優(yōu)點，特別適合集成在普通的消費電子產(chǎn)品中，大有后來居上、取代光學(xué)傳感器的趨勢?，F(xiàn)在這兩類指紋傳感器在市場上基本是平分天下。 90 年代末到現(xiàn)在，由于半導(dǎo)體指紋傳感器的出現(xiàn)，使得指紋識別的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴大，在個人電腦上、個人數(shù)字助理、掌上電腦、手機等很多領(lǐng)域都開始使用 AFIS 技術(shù)，所以指紋采集的研究重點從光學(xué)傳感器轉(zhuǎn)移到了半導(dǎo)體傳感器。 目前，指紋識別已經(jīng)被全球大部分國家接受與認可，并廣泛的應(yīng)用到政府、軍隊、銀行、社會福利保障、電子商務(wù)和安全防 衛(wèi)等領(lǐng)域。在國外由于其開發(fā)指紋識別系統(tǒng)比較早，而且主要利用計算機進行指紋識別，所以技術(shù)比較成熟。美國在這一領(lǐng)域的研究水平居于世界最前沿。美國的 East Shore， Digital Persona， Veridi 等公司都有自動指紋識別產(chǎn)品面世。 自 1998 年以來，我國在指紋識別應(yīng)用研究方面發(fā)展迅速，核心技術(shù)與國外差距不大，國內(nèi)的部分研究成果在國際上具有先進甚至領(lǐng)先水平。中科院自動化所田捷研究員領(lǐng)導(dǎo)的生物特征研究小組開發(fā)的指紋識別算法在 FvC20xx國際指紋識別競賽中取得了優(yōu)異的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 成績，在國際同行中很有影響。 但在應(yīng)用技術(shù) 特別是硬件采集技術(shù)上，國內(nèi)與國外存在著較大的差距。國內(nèi)上百家從事指紋識別技術(shù)應(yīng)用的企業(yè)除了北大高科，中科院自動化所和西安青松等幾家科研機構(gòu)擁有自主產(chǎn)權(quán)外，其 它 的多以代理國外產(chǎn)品為主，擁有自主知識產(chǎn)權(quán) 的 核心技術(shù)不多。在性能方面 ， 無論從精度上還是 從 效率上來看，均不如國際領(lǐng)先的同類產(chǎn)品。以指紋采集的硅芯片為例，國際上的幾大廠商幾乎壟斷了國內(nèi)所有的市場。而相對容易切入的光學(xué)采集儀，高端市場也基本為國際廠商所壟斷 [10]。 論文的主要內(nèi)容 第 1 章 引言 介紹了 指紋識別技術(shù)， 課題 研究 的 目的 和意義 及 指紋 采集的研究現(xiàn)狀。 第 2 章 指紋采集系統(tǒng)總體設(shè)計 介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計，指紋識別原理和指紋采集技術(shù) 第 3 章 指紋采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，具體介紹 了 每個功能模塊的芯片選型，接口電路原理圖的設(shè)計。 第 4 章 指紋采集系統(tǒng)軟件設(shè)計 介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，重點設(shè)計了 FPS200 驅(qū)動程序、系統(tǒng)初始化程序、指紋采集程序及上位機 通信 程序。 第 5 章 電路板設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試 介紹了在調(diào)試系統(tǒng)過程中遇到的問題、解決問題的方法以及一些心得體會。 第 6 章 總結(jié)與展望 主要總結(jié)了 設(shè)計 所取得的成果 ，并為 后續(xù)研究 提出 了 一些 建 議。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第二章 指紋 采集系統(tǒng) 總體設(shè)計 指紋采集系統(tǒng)方案分析 指紋采集系統(tǒng)可以用 51 單片機、數(shù)字信號處理器、 ARM 處理器等實現(xiàn)，具體方案分析如下： ? 方案 1：基于 51 系列單片機指紋采集系統(tǒng) 5 1 系 列 單 片 機F P S 2 0 0指 紋 傳 感 器電 源 接 口R S 2 3 2串 口 模 塊P C 機L C D 顯 示數(shù) 據(jù) 和 程 序存 儲 器 圖 基于 51系列單片機指紋采集系統(tǒng)框圖 基于 51系列單片機的指紋采集系統(tǒng)原理框圖如圖 ，該系統(tǒng) 采用 51單片機 作為控制核心。其中 FPS200采用 MCU模式接口 , 指紋數(shù)據(jù)通過 8位并行方式經(jīng)控制器 , 暫存于外擴的 數(shù)據(jù)存儲器 。采集完一整幅圖像后通過串口傳到 PC機上做后 續(xù)處理。該指紋采集系統(tǒng)能夠簡便、快速、低成本 的 獲取可靠的原始指紋灰度圖像 ，但由于控制芯片性能的限制，不能嵌入操作系統(tǒng)，系統(tǒng)實時性、穩(wěn)定性較差 。 ? 方案 2：基于 數(shù)字信號處理器 的指紋采集系統(tǒng) 基于 DSP數(shù)字信號處理器的指紋采集系統(tǒng)原理框圖如圖 。該系統(tǒng)以指紋傳感器 FPS200為采集頭，以數(shù)字信號處理器 DSP為控制和計算核心。由于 DSP處理器具有很強的數(shù)學(xué)計算能力，非常適合乘法和加法的計算，可以在指紋采集系統(tǒng)中實現(xiàn)指紋圖像的預(yù)處理，而且不會影響指紋采集速度。但是 DSP處理的控制能力比較差，而且價格比較昂內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 貴 ， 適于高端指紋識別系統(tǒng)的開發(fā)。 D S P 處 理 器F P S 2 0 0指 紋 傳 感 器電 源 接 口R S 2 3 2串 口 模 塊P C 機L C D 顯 示數(shù) 據(jù) 和 程 序存 儲 器 圖 基于 DSP處理器 的指紋采集系統(tǒng)框圖 ? 方案 3：基于 ARM 處理器的指紋采集系統(tǒng) A R M 處 理 器F P S 2 0 0指 紋 傳 感 器電 源 接 口R S 2 3 2串 口 模 塊P C 機L C D 顯 示數(shù) 據(jù) 和 程 序存 儲 器 圖 基于 ARM處理器的指紋采集系統(tǒng) 框圖 基于 ARM處理器的指紋采集系統(tǒng)原理框圖如圖 。該系統(tǒng)以指紋傳感器FPS200為采集頭，以 ARM處理器為控制核心。由于 ARM處理器實時性、穩(wěn)定性比較強，而且可以嵌入實時操作系統(tǒng)， 因而該指紋采集系統(tǒng)比較穩(wěn)定，但 ARM處理器在數(shù) 字圖像處理方面有 缺陷 ，不適于指紋圖像處理，指紋圖像的處理可以在上位機中實現(xiàn)。 本設(shè)計采用方案 3進行設(shè)計，用 ARM處理器和 FPS200指紋傳感器實現(xiàn)指紋采集，指紋圖像的處理和顯示在 PC機中實現(xiàn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 系統(tǒng)總體設(shè)計 設(shè)計思想 指紋采集系統(tǒng)框圖如圖 所示。本設(shè)計采用 ARM 開發(fā)板和指紋傳感器作為硬件開發(fā)平臺，在 ARM 開發(fā)板上植入 μC/OSⅡ 操作系統(tǒng)，編寫 FPS200 驅(qū)動程序、 uart 驅(qū)動程序等，并再此基礎(chǔ)上編寫應(yīng)用程序，實現(xiàn)指紋圖像的采集。本系統(tǒng)可分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分。 應(yīng) 用 程 序設(shè) 備 驅(qū) 動 程 序μ C / O S Ⅱ 操 作 系 統(tǒng)A R M 開 發(fā) 板 + 指 紋 傳 感 器 圖 指紋采集系統(tǒng)框圖 硬件設(shè)計 圖 硬件 系統(tǒng) 框圖 硬件 系統(tǒng) 框圖如圖 所示。 從圖中可以看到，本系統(tǒng)主要有三 部分組成：指紋傳感器 、 ARM 處理器 和 PC 機 。 系統(tǒng)硬件設(shè)計分為三部分： FPS200 與處理器接口設(shè)計、ARM 處理器及外圍接口設(shè)計、 UART 通信 接口設(shè)計。 系統(tǒng)各部分功能如下： 1. 指紋傳感器： 采集指紋圖像，將指紋圖像數(shù)字化，并將指紋數(shù)據(jù)傳給 ARM 處理器。 2. ARM 處理器：控制指紋傳感器采集指紋圖像，將指紋數(shù)據(jù)上傳給 PC 機。 3. PC 機： 接收 ARM 處理器上傳的指紋數(shù)據(jù)，顯示指紋 圖像，并設(shè)置指紋傳感器參AR M 處理器 RS 232 接口SPI 接口指紋傳感器 PC 機內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 數(shù)。 軟件設(shè)計 為了加快開發(fā)的進度，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用 μC/OSⅡ 嵌入式操作系統(tǒng)。 μC/OSⅡ 是源代碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)，它是專為微控制器系統(tǒng)和軟件開發(fā)而設(shè)計的多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是一段微控制器啟動后首先執(zhí)行的背景程序，并作為整個系統(tǒng)的框架貫穿系統(tǒng)運行的始終。它具有可移植性強、可裁減、完全搶占式多任務(wù)的實時內(nèi)核、任務(wù)棧、系統(tǒng)服務(wù)、可固化、穩(wěn)定性、中斷管理等特點，對于對實時性和穩(wěn)定性要求很高的指紋系統(tǒng)來說，引入 μC/OSⅡ 無疑將大大改善其性能?；?μC/OSⅡ 編寫應(yīng)用程序是以“任務(wù)”為模塊的，每個任務(wù)是獨立的子功能模塊，即為一個比較特殊的函數(shù) (不返回值 )，主體也是個無限循環(huán)。本系統(tǒng)的任務(wù)劃分為： taskStart()、taskFinger()、 taskUart()，其優(yōu)先級和功能如表 21 所示。 表 21 指紋采集系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級及功能 任務(wù) 優(yōu)先級 功能 taskStart() 0 初始化開發(fā)板（包括時鐘初始化、 ssi初始化、 FPS200 中斷入口初始化等）、 uart、定時器，創(chuàng)建 taskFinger()和 taskUart() taskFinger() 1 采集指紋數(shù)據(jù)并將指紋數(shù)據(jù)上傳給 PC 機 taskUart() 2 與 PC 機進行 通信 ，接收 PC 機命令，設(shè)置 FPS200 的參數(shù) 指紋識別 原理 認識指紋采集的重要性，首先要對指紋識別 原理 有所了解。 指紋是手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋路。盡管指紋只是人體皮膚的一小部分，但是，它蘊涵大量的信息。指紋特征可分為兩類：總體特征和局部特征?？傮w特征是指那些用人眼就可以直接觀察到的特征，包括基本紋路圖案、模式區(qū)、核心點、三角點、式樣線和紋數(shù)等。基本紋路圖案有環(huán)型、弓型、螺旋型。局部特征是 指 指紋上的 特內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 征點，即指紋紋路上的終結(jié)點、分叉點和轉(zhuǎn)折點 [5]。 兩枚指紋經(jīng)常會有相同的總體特征，但它們的局部特征（即特征點）卻不可能完全相同，因此，指紋識別技術(shù)通常使用指紋的總體特征如紋形、三角點等來進行分類，在用 局部特征如位置和方向等來進行識別用戶身份。通常，首先從獲取的指紋圖像上找到“特征點”（ minutiae），然后 根據(jù) 特征點的特性建立用戶活體指紋的數(shù)字表示 —— 指紋特征數(shù)據(jù)庫（一種單向的轉(zhuǎn)換，可以從指紋圖像轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)，但不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指紋圖像）。由于兩枚不同的指紋不會產(chǎn)生相同的特征數(shù)據(jù)，所以通過對所采 集到的指紋圖像的特征數(shù)據(jù)和存放在數(shù)據(jù)庫中的指紋特征數(shù)據(jù)進行模式匹配，計算出他們的相似程度，最終得到兩枚指紋的匹配結(jié)果，根據(jù)匹配結(jié)果來鑒別用戶身份 [5]。 總之，指紋識別技術(shù)首先通過讀取指紋圖像，然后利用計算機識別軟件提取指紋的特征數(shù)據(jù)，最后通過 匹配 識別算法得到指紋識別結(jié)果。其基本原理框圖如圖 所示 獲取指紋圖像指紋圖像預(yù)處理提取指紋特征點比對特征點 圖 指紋識別原理框圖 指紋采集 技術(shù)概述 指紋識別技術(shù)的進步和指紋傳感器技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，指紋傳感器從結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴 ，體積龐大的基于光學(xué)技術(shù)的傳感器，發(fā)展到 90 年代中期開始出現(xiàn)的半導(dǎo)體指紋傳感器，價格越來越低、體積也越來越小，而采集的圖像質(zhì)量 卻 越來越高。下面簡單介紹一下這幾類指紋傳感器。 1. 光學(xué) 指紋 傳感器 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 基于光學(xué)技術(shù)的傳感器都是利用了光學(xué)全反射技術(shù)。光學(xué)全反射技術(shù)的原理是：光線照射到壓有指紋的玻璃表面時，由 CCD 獲得反射光線，反射光的數(shù)量依賴于壓在玻璃表面的手指指紋的脊和谷的深度以及皮膚與玻璃間的油脂和水分。光線經(jīng)玻璃照射到指紋的谷的地方后，在玻璃與空氣的界面發(fā)生全反射，光線被反射到 CCD，照射向指紋的脊的光線不發(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，于是就在 CCD 上生成了指紋圖像。 光學(xué) 指紋 傳感器生產(chǎn)廠商如國外的 Identix、 SecuGen 等公司，國內(nèi)的長春光機所為刑偵部門研制的光學(xué)傳感器也具有相當(dāng)高的水平。如圖 所示，就是長春方圓公司生產(chǎn)的一種光學(xué)指紋傳感器。 2. 電容式 指紋 傳感器 電容 式 傳感器是在單個晶片上集成了 10 多萬個電容傳感器，其外面是絕緣的表面，手指放在上面時，手指皮膚組成了電容陣列的另一極，電容器的電容值由于指紋的脊和谷相對于另一極的距離不同而不同 。 通過測量空間中不同的電容值而得到完整 的指紋圖像。該類型較典型的產(chǎn)品為 Veridi公司的 FPS1 FPS200 指紋傳感器，如圖 所示。在指紋采集過程中，根據(jù)反饋信息調(diào)節(jié)電容放電時間等參數(shù)以增強其靈敏度。它的面積只有 1. 28cm2，集成 90000 個電容，且?guī)в懈咚?A/D 轉(zhuǎn)換器件，該產(chǎn)品的分辨率為 500DPI。系統(tǒng)提供 USB 接口、 SPI 接口和 8 位并行數(shù)據(jù)總線接口。