【導讀】試，得到了預期的實驗結果。使用生物識別技術，我們無須攜帶身份證或智能卡，也不需要記。住煩瑣的密碼，就可以進行個人身份識別。安全的身份認證技術。們的重視,高質量的指紋采集技術已成為一個重要的研究課題。90年代中期開始出現(xiàn)半導體的指紋傳感器。現(xiàn)在這兩種傳感器采集的圖像質量差距已經很小了。半導體傳感器具有價格低、體積小。其目的明確，意義深遠。的關鍵，更是保證指紋技術得以大力推廣應用的基石。識別算法復雜性一個最主要途徑。因此，在我國研究和開發(fā)擁有自主產權的指紋采集終?；跀?shù)字信號處理器TMS320VC5402的嵌入式指紋采集系統(tǒng)是以指紋傳感。EPM7128為其外圍邏輯設計，最終以USB的接口方式傳給上位機。數(shù)據的預處理，將處理好的指紋數(shù)據上傳給上位機進行最終的識別。據存儲部分、全局邏輯控制部分以及數(shù)據上傳部分。目前已有標準的指紋樣。處理的目的在于使指紋圖像畫面清晰，邊緣明顯，以便提取特征進行識別。生單象素寬的骨架圖像。

　　

【正文】 和 2 均可 xWriteCH375Cmd( CMD_SET_USB_MODE )。 xWriteCH375Data( 2 )。 // 設置為使用內置固件的 USB 設備方式 for( i=0。 i100。 i++ ) { Datum = xReadCH375Data( )amp。0xFF。 if( Datum == CMD_RET_SUCCESS ) break。 } } 指紋采集程序設計 指紋的采集工作由檢測到手指中斷開始的，向 CTRLA 寄存器寫入 0x04 開始指定區(qū)域的指紋圖像數(shù)據采集，等待行捕獲時間結束后可以讀取 CTRLA 寄存器，即為當前像素點的 8 位數(shù)字量數(shù)值，因其地址遞增，所以每次讀取當前像素點的數(shù)值后自動進行下 17 一像素點的 A/D 轉換，循環(huán)讀取 CTRLA 的值到指定內存空間就可以獲得一枚指紋圖像的數(shù)據。系統(tǒng) 采集流程圖如圖 42 所示。 圖 42 指紋采集系統(tǒng)流程圖 指紋圖像預處理程序設計 當采集到一枚指紋圖像數(shù)據后，需要對這枚指紋圖像進行預處理工作。在預處理的前端引入了一個指紋圖像質量評估的模塊，在進行預處理之前先對這枚指紋圖像的質量進行評估，排除質量不能滿足要求的指紋，保證了整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。其預處理流程圖如圖 43 所示。 檢測到有手指 寫 0x04到 CTRLA開始區(qū)域采集 等待行捕獲時間 讀 CTRLA 到內存 等待 A/D 轉換 時間 最后行單元 讀完 最后圖像單元 讀完 是 是 否 否 圖像捕獲完成 18 圖 43 指紋圖像預處理流程圖 排除了質量差的指紋 圖像后，需要對其進行特征值提取前的圖像預處理工作。這部分總有四個模塊組成，先進行圖像的分割，其目的是把質量差的區(qū)域和有效區(qū)域分開來，提高了特征提取的精確度和大大減少了預處理的時間；然后對圖像不清晰的部分進行增強處理，改善這些區(qū)域的質量，以保證后續(xù)處理的可靠性；圖像的二值化把灰度圖像變成 01 取值的二值圖像，用來提取指紋圖像的脊線；而細化則是將二值化圖像變化為單像素寬度的骨架圖像，這是為了方便以后的特征提取。 USB數(shù)據通訊程序設計 采集模塊作為 USB 的設備端，主要進行指紋圖像數(shù)據的上傳工 作，還接收上位機下傳的一些參數(shù)的設置。其通訊端點的操作過程都是在 DSP 的中斷程序中完成的，通訊流程圖如圖 44 所示。 指紋圖像輸入 圖像增強 圖像分割 圖像二值化 圖像細化 圖像質量評估 合格 ? 是 否 19 圖 44 CH375 數(shù)據通訊流程圖 因 CH375 工作在內置固件模式下， CH375 自動處理默認端點 0 的所有事務，本地端DSP 只要負責數(shù)據交換，所以 DSP 程序非常簡潔，只需要處理 CH375 批量端點和輔助端點的事務即可完成本系統(tǒng)的數(shù)據通訊問題。 在本設計中主要使用了批量端點的上傳和輔助端點的下傳。用輔助下傳端點來接收上位機下傳的命令，即是一 些指紋采集系統(tǒng)中的參數(shù)，包括指紋傳感器參數(shù)設置，上傳一枚指紋數(shù)據的次數(shù) (受限于批量端點的大小 64B，一枚指紋需分多次傳輸 )等。而批量上傳端點就是用于向上位機傳送指紋數(shù)據的，一枚指紋的數(shù)據量較大，需要多次傳輸才能傳輸完一枚指紋數(shù)據。如果應用層發(fā)送 150 個字節(jié)的數(shù)據塊，則 DSP 會被中斷 3 次，前兩次各獲取 64 個字節(jié)，最后一次獲取 22 個字節(jié)。所以在批量上傳端點中斷時需進行傳輸次數(shù)的判斷，以便發(fā)送所需的數(shù)據段。 上位機程序設計 本系統(tǒng)的上位機人機交互程序是基于 VisualC++ 開發(fā)環(huán)境下開發(fā)的。 它提供了 一個可視化的集成編譯環(huán)境，能自動生成 Windows 應用程序的共有部分，從而大大簡化了復 雜 Windows 應用程序的開發(fā)過程，極大地提高了程序設計的效率。其 Microsoft 的獲取中斷狀態(tài) 并取消中斷請求 分析中斷狀態(tài) 批量端點接收 批量端點發(fā)送 輔助端點接收 輔助端點發(fā)送 接收 數(shù)據到數(shù)據緩沖區(qū) 發(fā)送 64B 的數(shù)據到 CH375 接收命令到命令數(shù)據緩沖區(qū) 對命令進行譯碼，進行相應處理 中斷結束返回 釋放當前緩沖區(qū) 否 否 否 否 是 是 是 是 發(fā)送完 發(fā)送次數(shù)減 1 是 否 20 基本類庫 MFC 使得開發(fā) Windows 應用程序比以往任何時候都要容易。 圖 45 上位機程序流程圖 系 統(tǒng) 上位機程序要實現(xiàn)的主要功能是和指紋采集系統(tǒng)之間的通訊，來對它進行一些參數(shù)的設置和指紋數(shù)據的上傳，并提供給用戶一個可視化的操作環(huán)境，方便指紋圖像的管理和后續(xù)工作的進行。 首先是打開 設備，即指紋采集系統(tǒng)，若設備打開失敗，將顯示失敗信息： “設備打開失敗，可能未安裝動態(tài)鏈接庫或未連接 USB 數(shù)據線 !”提醒用戶安裝動態(tài)鏈接庫或連接USB 數(shù)據線。 若操作成功則顯示成功信息：“設備打開成功”，然后等待指紋采集模塊的指紋數(shù)據上傳，以便后續(xù)工作的進行。 上位機還設有一些參數(shù)設置的對話框，針對指紋傳感器 FPS200 的一些參數(shù)的設置，主要是 DCR、 DTR 和 PGC 的設置。上位機負責保存用戶最近修改的這三個參數(shù)值，在每次成功打開了設備時，都要向指紋采集模塊發(fā)送 上位機最近一次修改的這三個參數(shù)值。這樣方便用戶的操作 ，而不至于每次打開上位機的軟件后都要對他們進行一次參數(shù)的設置。 5 指紋采集系統(tǒng)調試及結果 硬件調試 系統(tǒng)設計并制作好印制電路板后，焊接上元器件，就進入了硬件調試的準備階段。 首先應對電路板作細致的常規(guī)檢查，防止短路和斷路情況的發(fā)生。系統(tǒng)上電后，檢查晶體是否振蕩，復位是否正確可靠，而后用示波器檢查 各個芯片的晶振是否有正常波開始 打開設備 采集模塊連接 特征提取 是 顯示設備打開失敗信息提示用戶進行相應處理 否 指紋數(shù)據上傳 否 是 21 形。最后檢測 系統(tǒng)主處理器 TMS320VC5402 DSP 的輸出時鐘 CLKOUT 是否按照指定時鐘模式工作。 在做完上述檢查后，就可以進入系統(tǒng)硬件調試階段。 首先檢測 DSP 是否正常工作，在仿真調試軟件目錄下改寫 ，命令文件以初始化目標存儲器映像。一般而言，仿真器存儲器映像與連接器存儲器映像應一致。 然后對目標板上的外圍芯片逐個進行調試。其方法是先編寫好 DSP 的串口程序，使它能夠發(fā)送中間調試結果的一些信息到 PC 機，用于檢測。在串口調試通過后，就來編寫外圍芯片的接口程序，對他們逐個讀寫一些芯片的信息，把這些信息從串口發(fā)送到PC 機，來檢測接口程序是否正確。在此期間也要不斷檢測 CPLD 的程序，配合各接口程序調試，使 DSP 能夠正常操作外圍各芯片。只有在各芯片的接口程序都 正常后，方可進入軟件調試階段。 軟件調試 軟件部分可分為兩大部分，一是控制部分，另一個是預處理部分。而在軟件編寫方面，本設計的重點部分放在了控制部分，后者在借鑒已有的成果的基礎上，進行了部分優(yōu)化工作。 預處理算法開始時是在 PC 機上運行的 C 程序，經優(yōu)化后再移植到 DSP 的子系統(tǒng)中。由于用高級語言編程效率高，可讀性好，修改方便，而匯編語言的特點是編程困難，但是運算速度快，可以直接和硬件通訊。在 DSP 的開發(fā)環(huán)境 CCS 中提供了 C 編譯環(huán)境和匯編編譯環(huán)境。所以在移植過程中，一般采用混合編程思想。即指紋圖像預處理的 各個模塊可采用基于 DSP 的匯編編程，而通訊和控制部分可直接用 C 語言編寫，編寫修改方便。 在整個采集實現(xiàn)過程中，要存儲一些圖像和數(shù)據，所需的存儲空間是非常大。為了解決這個難點，在這方面也做了大量的工作。參考大家的方法有利用 DSP 的哈佛結構而采用的分頁管理機制，有將圖像數(shù)據分塊移植的方法，也有采用了以新數(shù)據覆蓋舊數(shù)據同時配以查表的方法來節(jié)約存儲空間。另外也可以采取壓縮存儲的方式。在本設計中在基于 DSP 的分頁管理機制的基礎上充分利用了 CPLD 的優(yōu)勢，來管理圖像數(shù)據的存儲空間問題。 另外，除了利用 DSP 的最優(yōu)化編譯 器和其特有的指令系統(tǒng)對識別程序進行優(yōu)化以外，還要仔細考慮每一個算法的細節(jié) (使用邏輯運算代替算術運算、使用 DSP 所帶的內聯(lián)函數(shù)等等 )，以求達到最高采集效率。 6 結論 本課題系統(tǒng)地研究了指紋采集理論、原理以及實現(xiàn)方法，最后設計并實現(xiàn)了一個高速、高效、低功耗的指紋采集系統(tǒng)，采集到的指紋圖像達到預期效果。 本設計的創(chuàng)新點有以下兩個方面： （ 1） DSP 技術可以很好地應用于簡單的控制和復雜的計算； （ 2）增加了 CPLD 邏輯控制芯片，簡化外圍譯碼硬件，利用語言編程的方式，使用起來靈活方便；省去了 DSP 的一些邏輯控制負擔 。 除此之外，本設計研究成果還有兩個顯著的特點： （ 1）系統(tǒng)具有操作簡單方便，用戶界面友好，信息提示人性化等特點； 22 （ 2）使用了 USB 接口全速傳輸指紋數(shù)據，提升了數(shù)據傳輸速度。 必須提出的是，該系統(tǒng)還是處于初步的開發(fā)研究階段。從已有研究成果上看，該系統(tǒng)具有很強的實用性，充分體現(xiàn)了 DSP 的強大運算能力和 USB 的高速傳輸；但該系統(tǒng)僅實現(xiàn)了軟硬件的初步開發(fā)，離最終的應用還有一段的距離，還有許多的工作要做。 另外，該系統(tǒng)還存在一個問題，就是預處理算法過于復雜，影響系統(tǒng)性能。還需要對算法進一步的優(yōu)化。 參考文獻 [1]張成 ,周媛媛 ,林嘉宇 .指紋采集技術及其產品發(fā)展趨勢 .電子技術應用， (8): 1～ 3 [2]張新躍 .指紋芯片及 USB接口指紋采集系統(tǒng)設計 .電子技術應用， (2):11～ 14 [3]章毓晉 .圖像工程（上冊）圖像處理和分析 .北京：清華大學出版社 .2020. 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