【文章內(nèi)容簡介】 3。57 5． 2 系統(tǒng)的展望 58 致謝 59 參考文獻(xiàn) 59 5 第一章 緒論 引言 “ 生物統(tǒng)計(jì) ” 這個(gè)概念在幾年前還很少有人知道，就是到了現(xiàn)在，即便它有這么重要的現(xiàn)實(shí)意義，大多數(shù)人還是不甚了解，很多受到詢問的人對(duì) “ 生物統(tǒng)計(jì) ” 這個(gè)詞毫無概念。迄今為止，使用過生物統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證方法的人大都予之以積極的評(píng)價(jià)，大多數(shù)人愿意放棄他們的密碼和 PIN，而將生物統(tǒng)計(jì)法看成更好的選擇。 “ 生物統(tǒng)計(jì)學(xué) ” 這個(gè)概念由 “ 生物學(xué) ” 和 “ 測量法 ” 兩部分組成，其中生物學(xué)是關(guān)于生物和生命規(guī)律性的科學(xué)，研究某一種生物的特性或整個(gè)自然界的生命特性。 生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是依據(jù)可以明確確定歸屬的人的身體或行為特征對(duì)個(gè)體身份進(jìn)行識(shí)別或證明的學(xué)說。首次使用一個(gè)生物統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要存入使用者的參考圖案或參考數(shù)據(jù)組（所謂的 “ 模板 ” ），在以后每次進(jìn)行識(shí)別的時(shí)候，就以這個(gè)模板和使用者的特征進(jìn)行比較，然后參照一個(gè)允許誤差值確定是否屬于同一個(gè)人，對(duì)于每一個(gè)特征，系統(tǒng)都會(huì)算出相差或相似的程度。確定模型的技巧在于，要找出一個(gè)最為理想的模型，它能將一個(gè)人的特征數(shù)據(jù)與其他人的數(shù)據(jù)精確地加以區(qū)分。生物統(tǒng)計(jì)識(shí)別有多種不同的途徑：指紋、手指、面部、手掌、虹膜、視網(wǎng)膜、語音、簽名以及靜脈識(shí)別，它們的技術(shù)特性和成功標(biāo)準(zhǔn)大大不同。 每個(gè)人 (包括指紋在內(nèi) )皮膚紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同， 6 也就是說，是唯一的，并且終生不變。依靠這種唯一性和穩(wěn)定性，我們就可以 把一個(gè)人同他的指紋對(duì)應(yīng)起來，通過比較他的指紋和預(yù)先保存的指紋進(jìn)行比較，就可以驗(yàn)證他的真實(shí)身份。這就是指紋識(shí)別技術(shù)。 在經(jīng)歷了近 10 年緩慢的自然增長后，指紋識(shí)別技術(shù)即將迎來一個(gè)跳躍性發(fā)展的黃金時(shí)期。專家們保守估計(jì)，未來 5 年，我國將有近百億元的市場等待著企業(yè)去開拓。指紋識(shí)別技術(shù)的巨大市場前景，將對(duì)國際、國內(nèi)安防產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。 本課題的意義和主要工作 由于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步， ARM 越來越多的應(yīng)用在各種電子消費(fèi)品中，自動(dòng)指紋采集技術(shù)正在向嵌入式的方向發(fā)展。本課題為了跟隨指紋識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步，提出了基于 ARM 為處理器的硅電容式指紋采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課題。將指紋技術(shù)的最前端環(huán)節(jié)指紋傳感器、嵌入式中應(yīng)用的非常廣泛的 ARM 處理器融為一體，設(shè)計(jì)出一套指紋圖像采集系統(tǒng)，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)所需求的是采集指紋圖像并在 PC 機(jī)上存儲(chǔ)起來，或者可以存貯在系統(tǒng)本身的存儲(chǔ)器中，所以在設(shè)計(jì)過程中，并沒有采用偏重于算法的 DSP 處理器，而是采用偏重于控制的 ARM7 作為系統(tǒng)的處理器。本文所做的工作偏重與設(shè)計(jì)一個(gè) ARM 的指紋采集方案，其中ARM 采用了資源比較豐富，能夠外擴(kuò)存儲(chǔ)器的 Samsung ARM7 處理器S3C44B0X，設(shè)計(jì)了相關(guān)的外圍電路、指紋采集電路和指紋圖像數(shù)據(jù)傳輸電路。 7 第二章 基于 ARM 的指紋采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 在課題的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，高層的數(shù)據(jù)處理單元采用的 CPU 是由Samsung 公司生產(chǎn)的 S3C44B0X 處理器，它是一種基于 ARM7 的嵌入式處理器，幾乎具有嵌入式處理器的所有特性，本章就嵌入式處理器的共同特性和 S3C44B0X 的重要特點(diǎn)作下簡單介紹。 嵌入式處理器概述 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過 1000 種，流行的體系結(jié)構(gòu)有 30 多個(gè)系列。其中 8051 體系占多半，生產(chǎn)這種單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有 20 多個(gè)，共 350 多種衍生產(chǎn)品，僅 Philips 就有近 100 種?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從 64kB 到 16MB ，處理速度為 ~20xxMIPS ，常用封裝 8~144 個(gè)引腳。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 指紋采集技術(shù)是指紋識(shí)別技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，指紋 采集系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。 8 指紋 至 PC 圖 指紋采集系統(tǒng)原理框圖 處理器控制指紋傳感器采集數(shù)據(jù)，半導(dǎo)體指紋傳感器采集指紋數(shù)據(jù)完畢之后，交由處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、存儲(chǔ)。外設(shè) (PC)通過 USB接口從存儲(chǔ)設(shè)備中讀取并顯示數(shù)據(jù)。在圖中，指紋傳感器是 FUJITSU公司的固態(tài)指紋芯片 MBF200,微處理器為 Samsung公司的 32位 RISC處理器 S3C44B0X。 USB 采用南京沁恒電子公司的 USB 芯片 CH375。 選擇嵌入式處理器時(shí)主要考慮的因素有 : (1)處理器性能以及外圍功能 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不要求選擇速度最快的處理器，而是在于選取能夠達(dá)到功能需求的最適合的處理器 。作為一個(gè)嵌入式開發(fā)平臺(tái)，其外圍功能應(yīng)該盡量豐富。 (2)開發(fā)工具及軟件支持 僅有一個(gè)好的處理器，沒有較好的軟件開發(fā)工具支持會(huì)大大增加開發(fā)的難度，增大設(shè)計(jì)失敗的可能性。 (3)功耗以及成本 現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)增長最快的市場是手持設(shè)備、手機(jī)、智能加電等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。在這些產(chǎn) 品中，處理器的典型特點(diǎn)是要求高性能、低功耗。降低成本則是任何一個(gè)項(xiàng)目開發(fā)都必須遵循的原則。 ARM 嵌入式處理器系列以其小體積、低功耗、低成本和高性能等特點(diǎn)占據(jù)了業(yè)界領(lǐng)先地位，已經(jīng)成為一種事實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。在各項(xiàng)指標(biāo)上ARM 嵌入式處理器都很好的滿足了嵌入式開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)需求。它指紋傳感器 微處理器 USB 9 具有非常高的性能、極為豐富的外圍設(shè)備、眾多種類的芯片、大量的開發(fā)工具和豐富的第三方資源 系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)兩大部分。系統(tǒng)硬件框圖如圖 所示。 地址總線 數(shù)據(jù)總線 片選信號(hào) 片選信號(hào) 中斷信號(hào) 讀寫信號(hào) 讀寫信號(hào) 控制信號(hào) 數(shù)據(jù)信號(hào) 片選信號(hào) 地址總線 中斷信號(hào) 數(shù)據(jù)總線 圖 系統(tǒng)硬件框圖 從圖中可以看到，本系統(tǒng)主要有五個(gè)模塊組成 :指紋數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、邏輯控制 CPLD 模塊和 USB通訊模塊。系統(tǒng)以 ARM 處理器為核心，它驅(qū)動(dòng)指紋傳感器采集指紋，并將指紋數(shù)據(jù)放入存儲(chǔ)器中，此數(shù)據(jù)可以被 PC 通過 USB接口獲取，也可以永久的保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。 (1)指紋數(shù)據(jù)采集模塊 系統(tǒng)利用軟件查詢方式來判斷是否進(jìn)行指紋的采集，當(dāng)進(jìn)行指紋采集時(shí)，指紋傳感芯片按照設(shè)定的參數(shù)采集指紋并將模擬圖SDRAM ARM 全局邏輯控制器 指紋傳感器 發(fā)光顯示部分 通訊接口 FLASH 10 像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，然后在 ARM 的控制下將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部數(shù)據(jù)空間中，等待進(jìn)行下一步的處理。 (2)微處理器模塊 該部分以 ARM 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為核心，對(duì)采集到的指紋圖像進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，并控制發(fā)光二極管來顯示指紋預(yù)處理結(jié)束。 (3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 此部分由 FLASH, SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory:同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 )構(gòu)成。 Flash 中存放的是系統(tǒng)的應(yīng)用程序和一枚指紋預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)上電后通過“Boot Loader”功能將程序加載到 FLASH 中以加快程序運(yùn)行的速度， SDRAM 用于存放指紋圖像并提供程序運(yùn)行時(shí)所需要的臨時(shí)數(shù)據(jù)空間。 (4)邏輯控制 CPLD 模塊 此部分由 CPLD 來完成，實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能 :產(chǎn)生系統(tǒng)中各個(gè)芯片的片選信號(hào) 。產(chǎn)生系統(tǒng)中各個(gè)芯片的讀寫信號(hào) 。產(chǎn)生系統(tǒng)中各個(gè)芯片的中斷信號(hào)。 (5) USB 通訊模塊 考慮到數(shù)據(jù)上傳的速 度問題，指紋數(shù)據(jù)的上傳采用了 USB 串口方式，大大提高了上傳的速度。 根據(jù)以上原則，我們確定整個(gè)系統(tǒng)的芯片型號(hào)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用 ARM+CPLD 的結(jié)構(gòu)。 ARM 采用 Samsung 公司的 S3C44B0X 處理器，在系統(tǒng)中主要起到一個(gè)控制作用 。指紋傳感器是 FUJITSU 公司 11 的半導(dǎo)體固態(tài)指紋芯片 MBF200,作用主要是采集指紋數(shù)據(jù) 。CPLD 采用 Altera 公司的 EPM240 芯片，其功能為控制系統(tǒng)各個(gè)模塊芯片的片選，中斷，讀寫等信號(hào)。 USB 采用南京沁恒電子公司的 USB 芯片CH375, USB 不僅讓數(shù)據(jù)在 PC 于系統(tǒng)之間進(jìn)行傳輸，而且相對(duì)串口通訊來說，在數(shù)據(jù)通訊速度上得到了大大的提高 。 根據(jù)硬件的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的要求，指紋采集系統(tǒng)的軟件部分可以概括成兩部分，一是系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)部分，二是指紋數(shù)據(jù)預(yù)處理部分。系統(tǒng)軟件框圖如圖 所示 圖 系統(tǒng)軟件框圖 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 整個(gè)指紋采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩部分 :系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)指紋采集系統(tǒng) 預(yù)處理部分 控制部分 指紋采集 C P L D邏輯控制 數(shù)據(jù)上傳 圖像二值化 圖像增強(qiáng) 圖像分割 圖像細(xì)化 12 計(jì)。本章將詳細(xì)的介紹系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。從系統(tǒng)的每一個(gè)具體的功能模塊介紹其芯片的選型和接口電路。本系統(tǒng)的硬件電路的繪制使用Protel99SE 軟件。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 從圖中可以看出本系統(tǒng)主要有五個(gè)模塊組成 :指紋數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、邏輯控制 CPLD 模塊和 USB 通訊模塊。本章將逐步講述以上五大模塊的硬件設(shè)計(jì)以及 ARM 的外圍電路設(shè)計(jì)。 指紋傳感器與處理器的接口設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)所采集的是活體指紋圖像。下面就主要從傳感器的選擇、主要特性、采集原理和接口電路的設(shè)計(jì)幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 EPM240 CPLD S3C44B0X ARM K4S641632 SDRAM SST39VF160 FLASH CH375 USB PC MBF200指紋傳感器 13 指紋采集設(shè)備的選擇 考慮到產(chǎn)品價(jià)格的因素和所需精度的要求，系統(tǒng)選擇了 FUJITSU公司推出的新一代固態(tài)指紋傳感器 MBF200。它是一款專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的電容指紋傳感器。該芯片是一種觸摸式CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconducto: 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 )傳感器件，具有自動(dòng)指紋檢測功能，其傳感區(qū)域?yàn)? * , 256 * 300 傳感陣列， 500dpi 分辨率，內(nèi)置有 8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可直接輸出數(shù)字化圖像信號(hào)，用 8 位表征一個(gè)像素點(diǎn)，與其它的指紋傳感器相比， MBF200 具有以下特點(diǎn)。 (1)堅(jiān)固耐用的芯片表層。 MBF200 表面運(yùn)用專利技術(shù)制成，表面涂層異常堅(jiān)固耐用，能承受超過 8KV 的靜電放電，即便在惡劣的環(huán)境中也能正常的使用。 (2)采用低功耗設(shè)計(jì)。 MBF200 具有手指自動(dòng)檢測功能，允許主機(jī)在沒有指紋時(shí)處在低功耗待命模式，當(dāng)有手指時(shí)才喚醒主機(jī)進(jìn)行處理，從而節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的功耗。 (3) 適應(yīng)更復(fù)雜的手指識(shí)別。 MBF200 的圖像搜索功能(ImageSeekTm)通過改變電容陣列的參數(shù)值可在 1 秒種以內(nèi)掃描多幅指紋圖像并自動(dòng)選擇最好的一幅。因此 MBF200 可以獲得各種類型手指的高質(zhì)量圖像，大大降低了誤識(shí)率 (FAR)和拒識(shí)率 (FRR)。 (4)提供三種接口，更易于集成。 SPI:MBF200 內(nèi)置的 SPI(Software Process Improvement: 軟件過程改進(jìn) )接口減小了 MBF200 對(duì)硬件的依賴，只需 6 條線就可以與帶 14 SPI 接口的微處理器連接。在 SPI 模式下， MBF200 的圖像傳輸速度為 10 幀 /秒。 USB: USB 核電路，外部不再需要其它 USB控制器，因此可作為標(biāo)準(zhǔn)的 USB設(shè)備來使用。在 USB模式下， MBF200的圖像傳輸速度為 13 幀 /秒。 MCU:通過自動(dòng)增加行列地址寄存器的 值以及模數(shù)轉(zhuǎn)換的路徑優(yōu)化功能， MBF200 內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn) 8 位微處理器總線的性能大大加強(qiáng)，圖像傳輸速度達(dá)到 30 幀 /秒，可以滿足連續(xù)指紋圖像的采集和比對(duì)。 MBF200的結(jié)構(gòu)與性能 MBF200 是富士通公司的電容式固體指紋采集傳感器，能采集到500dpi 的指紋圖像。它的傳感器是 256300 的陣列，可以在 ~5V的寬電壓范圍內(nèi)操作。 MBF200 的性能主要有以下幾點(diǎn)： ① 集成了一個(gè) 8 位 A/D 變換器。 A/D 變換器的輸入可以是 MBF200的指紋傳感器陣列的輸出，也可以是由 MBF200 的 AIN 引腳接入的模擬信號(hào)。 ② 帶有 3 種總線接口，即 8 位微處理器 (MCU)總線接口、集成的 USB全速接口及串行周邊設(shè)備接口 (SPI)，使芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)更加靈活。 ③ 特有自動(dòng)指紋檢測功能。 MBF200 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 15 P0 P1 D[7:0] A0 RD WR WAIT CS0 CS1 MOSI MISO DP DM EXTINT INTR TEST MODE0 MODE1 圖 MBF200 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 從結(jié)構(gòu)圖中，可以看出其中 256 300 點(diǎn)傳感陣列用于產(chǎn)生感應(yīng)電壓 。功能寄存器用于對(duì)芯片進(jìn)行操作控制 ?？刂齐娐酚糜趥鞲衅髋c外部接口電路的控制，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀出與寫入 。地址索引寄存器與數(shù)據(jù)寄存器分別用于對(duì)功能寄存器的地址選擇及數(shù)據(jù)的讀寫 。采樣保持及 A/D 轉(zhuǎn)換電路用于對(duì)傳感陣列所產(chǎn)生的電壓進(jìn)行采樣。另外， 功能寄存器 256 300 傳感陣列 采樣電路 A/D 轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)寄存器 索引寄存器 控制電路 晶振電路 SPI USB 16 多頻振蕩電路用于為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。 MBF200 是可編程的傳感器芯片，它所具有的強(qiáng)大功能是