【正文】 但是它的缺點是滑動式硅電容傳感器輸出的是條。另外，系統(tǒng)采用了SST公司的1Mbit SPI FLASH SST25VF010來進行外部存儲器的擴展，用來存儲指紋特征和程序代碼，對于外部擴展的FLASH的選型和設(shè)計本文做了深入的分析，會在第五章做詳細的說明，采集模塊硬件電路如圖46。當(dāng)有像素輸出時，傳感器LTTSS500為主方，微處理器是從方，在SCLK的上升沿MOSI的值做一次改變，時序圖如圖45。圖44 192*16和192*8的傳感陣列　　　LTTSS500輸出時序圖如圖45所示，如果是普通類型的接口，圖像垂直掃描，而所有像素是連續(xù)輸出的。LTTSS500的數(shù)據(jù)是串行輸出的，輸出秩序，是由上到下，從左至右。因為STFM是在指令地址0h的第7位，是指令的指令，所以指令0h必需是最后才設(shè)置的。進入停止?fàn)顟B(tài)時，從SDA轉(zhuǎn)變成“l(fā)ogic 1”到SCK轉(zhuǎn)變成“l(fā)ogic 1”也至少需要4個時鐘周期。串行地址和數(shù)據(jù)的第一位是MSB，最后一位是LSB。第8位需設(shè)定為0用于寫數(shù)據(jù)。在啟動狀態(tài)下，從SDA轉(zhuǎn)變成“l(fā)ogic 0”到SCK轉(zhuǎn)變成“l(fā)ogic 0”至少需要4個時鐘周期。用戶可通過串行控制接口對指令賦值。因此，適當(dāng)?shù)腣RT和VRB取值可以大幅度提高圖像的質(zhì)量。ADC的最高參考電壓（VRT）和最低參考電壓（VRB）分別取決于VT[4:0]和VB[3:0]的設(shè)置。放大器增益調(diào)整適當(dāng)能夠提高指紋圖像的質(zhì)量。當(dāng)閑置模式轉(zhuǎn)為普通模式或通信狀態(tài)時，用戶必須重新進行指令設(shè)置。在此模式下，LTTSS500所有模擬器件和邏輯控制器處于電源關(guān)閉狀態(tài)。(2) 閑置模式處于閑置模式時，LTTSS500的功耗最低。信息傳輸期間，F(xiàn)_SYNC代表幀的開始，P_SYNC表示開始新的像素。接觸的傳感器是活躍。LTTSS500有兩個接口方式：普通模式和SPI模式。有4個8位的控制指令，這些指令由SCK和SDA來設(shè)置。放大器放大電壓以增加靈敏度。LTTSS500芯片主要技術(shù)參數(shù)可歸納為：封裝：18個引腳掃描區(qū)面積：* 傳感器陣列：192*16分辨率：500256個灰度級集成了8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作電壓：正常工作電流：閑置狀態(tài)電流：幀速率：小于400LTTSS500芯片主要應(yīng)用領(lǐng)域：計算機外圍設(shè)備：如鼠標、鍵盤移動設(shè)備：如PDA、手機需要身份認證的電子商務(wù)系統(tǒng) 指紋傳感器LTTSS500的電路設(shè)計 LTTSS500指紋傳感器工作原理LTTSS500傳感陣列為192*16或者192*8兩種，其成像原理與其他電容式硅晶體指紋傳感器一樣，傳感器單元檢測到金屬板和手指之間電容并將電容轉(zhuǎn)換電壓。本文采用的就是基于掃描輸入法的指紋傳感器LTTSS500，是臺灣Ligh Tuning公司生產(chǎn)的新型滑動式硅電容場效應(yīng)陣列指紋傳感器。半導(dǎo)體傳感器的制造成本主要集中在傳感器的半導(dǎo)體場效應(yīng)像素陣列上，要想有效的降低半導(dǎo)體指紋傳感器的成本就要想辦法減少半導(dǎo)體場效應(yīng)像素陣列的面積。手指置于感應(yīng)區(qū)，慢慢移動手指等待采集器輸入指紋圖像，并從眾多圖像切片中進行指紋圖像重構(gòu)。該方法優(yōu)點是操作簡單，低齡用戶經(jīng)過訓(xùn)練也能使用，其缺點為：(1) 手指移開后，可能在傳感器上留下指紋印痕；(2) 指紋的旋轉(zhuǎn)帶來識別的問題，有些算方法不支持指紋的旋轉(zhuǎn)；(3) 價格和感應(yīng)區(qū)尺寸的折中問題。 指紋輸入方法指紋輸入方法有兩種：觸碰法和掃描法。然而因為采集器體積較大，價格昂貴，另外采集圖像費時，基本還處于實驗室階段。采集器有兩個主要部件：發(fā)射機——產(chǎn)生短聲波脈沖；接收器——接受從指紋返回的聲波信號。為了得到指紋圖像，矩陣中每個單元的模擬信號被增強、合并、數(shù)字化。④ 電場型采集器包括一個能夠產(chǎn)生正弦信號驅(qū)動環(huán)和一個能夠接受由驅(qū)動環(huán)傳遞、手指皮膚調(diào)制的微弱信號的接收器矩陣。應(yīng)用中利用電加熱保持傳感器表面較高的溫度，增加表面和手指的溫度差。另外，這種傳感器只能得到二值圖像，信息量較小。電流的大小與壓力的大小有關(guān)，脊線與谷線的壓力是不同的。② 壓電型傳感器的設(shè)計原理是根據(jù)壓力大小產(chǎn)生不同的電信號。因此，一些合適的保護措施應(yīng)該被運用，防止靜電、化學(xué)侵蝕、物理刮傷等。特別是在手指條件比較差的情況下，谷線的深度只有微米級，所以保護層在保證可以抵制外界磨損的情況下，要盡可能的薄一些。這種采集器的關(guān)鍵部位是感應(yīng)面，硅晶體芯片需要被保護防止手指汗液中化學(xué)物質(zhì)的侵擾。采集器利用此原理敏感地感應(yīng)脊線與谷線之間電荷的不同。傳感單元中電容的一極呈二維排列，每個微電容的另一級就是手指皮膚。① 硅電容性采集器是當(dāng)今最為常用的。用戶把手指按壓在傳感單元表面后直接把指紋信息轉(zhuǎn)換成電子信號，不需要光學(xué)裝置也不需要任何外部 CCD。(2)半導(dǎo)體采集器半導(dǎo)體傳感器是1998年在市場上才出現(xiàn)的，這些含有微型晶體的平面通過多種技術(shù)來繪制指紋圖像。近年來光學(xué)指紋采集家族中新出現(xiàn)的紅外線指紋傳感器采用對指紋的真皮層反射，能夠較好地區(qū)分手指的真假。但是光學(xué)指紋采集設(shè)備存在諸多不足之處，主要表現(xiàn)在以下四個方面：首先，用塑膠假手指，能夠在光學(xué)傳感器上得到與真手指非常相近的指紋圖像，因此，必須開發(fā)新的技術(shù)來增強傳統(tǒng)光學(xué)傳感器分辨真?zhèn)蔚哪芰?；其次，光學(xué)傳感器一般體積都比較大，而且成本較高，這樣就對應(yīng)用的范圍提出了限制；最后，手指在臺板上按完后留下的潛在指印嚴重時會導(dǎo)致兩個指印的重疊。(1)光學(xué)采集器光學(xué)衰減全內(nèi)反射技術(shù)(FTIR)是最早使用的活體采集技術(shù)。由于指紋采集的應(yīng)用場合不同，所需要的指紋識別系統(tǒng)的性能也不盡相同，應(yīng)該針對不同的應(yīng)用環(huán)境，選擇合適的指紋傳感器，以達到好的識別效果。在DSP的選型上，由于TI公司生產(chǎn)的C5509在實時性和低功耗方面具有非常明顯的優(yōu)勢，正成為通信和個人消費領(lǐng)域的主流DSP產(chǎn)品之一，最后詳述了DSP芯片的結(jié)構(gòu)特性和程序加載方式，為后面的系統(tǒng)設(shè)計做好鋪墊。在引導(dǎo)的過程中，C5509將固化在外部存儲器上的程序代碼導(dǎo)入片內(nèi)的RAM中，使得程序能快速地運行。通用I/O引腳的電平設(shè)置決定了引導(dǎo)方式，如表32所示。以上加載模式可分為兩類：由DSP控制的加載模式和由外部主機控制的加載模式。C5509的主要片內(nèi)外設(shè)如下[51]：① ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；② 可編程數(shù)字鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器（DPLL）；③ 指令緩存（Instruction Cache）；④ 外部存儲器接口（EMIF）； ⑤ 接存儲器訪問控制器（DMA）；⑥ 集成了McBSPs串口；⑦ 增強型主機接口（EHPI）；⑧ 2個16位的通用計時器；⑨ 8個可以配置的通用I/O引腳（GPIO）；⑩ FIFO寄存器、兩個 20位的定時器、看門狗定時器、1個通用的輸出端口XF。C5509支持8個8K字節(jié)的DARAM，24個8K的SARAM，其余的內(nèi)存映射空間被分為4個部分，每一個空間由一個使能的譯碼信號CE，表示對所選的空間進行數(shù)據(jù)讀取操作。存儲器映射C5509總共可以提供16M字節(jié)存儲空間，其結(jié)構(gòu)如圖33所示，由片上的RAM、ROM和外部存儲空間組成。如果將SROM的保留寄存器0x7c00的禁止位置1，則16K的SROM不會被映射到存儲空間內(nèi)。標準的C5509的裝置在ROM中駐留了Bootloader程序。它由一個32K字節(jié)的塊和兩個16K的塊組成。每個SARAM塊每個周期執(zhí)行一次存取動作，可以通過程序、數(shù)據(jù)、DMA總線對其操作?？梢酝ㄟ^程序、數(shù)據(jù)或者MDA總線對DARAM進行讀取，而HPI可對前32K的DARAM塊進行操作。圖 33 TMS320VC5509 存儲器空間結(jié)構(gòu)雙口RAM（DARAM）定義在000000h00FFFFh，由8個8K的子塊組成。C5509支持統(tǒng)一的內(nèi)存編制，程序和數(shù)據(jù)空間處于相同的物理空間。C5509是高性能、低功耗的定點數(shù)字處理器，采用先進的修正哈佛結(jié)構(gòu)和8條總線結(jié)構(gòu)，使處理器的性能大大提高，在 。 C5509包含2個MAC單元和4個40位加法器，能夠在單周期內(nèi)做兩個位的MAC運算。 TMS320VC5509的結(jié)構(gòu)性能不同的DSP芯片所提供的硬件資源是不相同的。表31 C5509與C5402的結(jié)構(gòu)比較TMS320VC5509TMS320VC5402乘加單元（MAC）21累加器42數(shù)據(jù)讀總線32數(shù)據(jù)寫總線21程序讀取總線1（32位）1（16位）地址總線64程序字長8/16/24/32/40/48位16位數(shù)據(jù)字長16位16位輔助寄存器算術(shù)邏輯單元3（24位）2（16位）算術(shù)邏輯單元（ALU）2（40位和16位）1（40位）輔助寄存器88存儲空間獨立的數(shù)據(jù)/程序空間統(tǒng)一的程序/數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)寄存器40作為TI公司低功耗的55X系列的DSP芯片，C5509在便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。隨著C55x 的推出和應(yīng)用開發(fā)的逐步深入，其優(yōu)良的性能將在實時性和低功耗方面得到充分體現(xiàn)，C55x 正成為通信和個人消費領(lǐng)域的主流DSP產(chǎn)品[50]。TI新推出TMS320C55x系列產(chǎn)品將省電、低功耗提高到一個新的水平：300的C55x和120的C54x相比，性能提高5倍，而功耗則將至1/6，C55x的內(nèi)核電壓降到了1V。一般應(yīng)考慮以下因素：1．運行速度2．功耗3．成本4．硬件資源5．?dāng)?shù)據(jù)類型6．軟件和硬件開發(fā)工具7．供貨與售后服務(wù)綜合以上內(nèi)容，以及本文所開發(fā)的指紋系統(tǒng)的設(shè)計需要：對大量的圖像數(shù)據(jù)進行處理，并要應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品，對電源的要求十分嚴格，為了延長它的工作時間，在選用器件的時候盡量選用低功耗的產(chǎn)品。DSP器件的選擇，取決于應(yīng)用的目的與場合。T等。其中大部分軟件編程是基于DSP平臺完成的，后面章節(jié)將就各個部分內(nèi)容進行詳細地討論。圖31 基于DSP的指紋識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對于以DSP為核心的指紋采集系統(tǒng)硬件主要由電源部分、時鐘部分、電壓監(jiān)測部分、存儲部分、指紋傳感器部分、通訊部分六部分組成。 基于DSP的系統(tǒng)構(gòu)成本文根據(jù)嵌入式指紋識別系統(tǒng)的發(fā)展趨勢以及實際需求，構(gòu)建了一個由主控電路 ( DSP芯片和存儲器)、輸入通路 (指紋圖像采集部分)、輸出通路 (RS23USB接口)、人機交互設(shè)備 (LED顯示)、調(diào)試端口(JTAG )和電源管理及監(jiān)控電路等六大部分綜合而成的自動指紋識別系統(tǒng)硬件平臺，實現(xiàn)了既可聯(lián)機又可脫離計算機獨立運行的自動指紋識別系統(tǒng)。盡量減少電能的消耗，延長使用時間對于其實際應(yīng)用具有很大的意義；系統(tǒng)應(yīng)具備對外通訊接口，使得用戶能很方便地對它進行二次開發(fā)。因此指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循:在指紋匹配之前，需要建立用戶指紋模板庫。而DSP（Digital Signal Pocessor）由于其很強的數(shù)學(xué)計算能力以及特有的實時性和快速實現(xiàn)等特點，在指紋識別系統(tǒng)方面應(yīng)用非常普遍?；趩纹瑱C識別系統(tǒng)由于硬件條件的限制，在運行速度、處理能力、外圍電路等方面都不是很理想。性能卓越的嵌入式處理器構(gòu)建的指紋識別系統(tǒng)，不僅降低了系統(tǒng)成本，而且大大提高了系統(tǒng)速度。近年來，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，指紋識別技術(shù)的研究再次掀起高潮。本章最后提出指紋識別系統(tǒng)的性能評價標準，為軟硬件設(shè)計時系統(tǒng)性能的提高提供了依據(jù)。 本章小結(jié)本章在閱讀大量文獻資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)了指紋圖像預(yù)處理、特征提取、特征匹配常用的算法，對這些算法效果進行了深入地分析，并在前人工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真實驗效果完成本文的算法設(shè)計。因此，尋找一種合理的評價標準對于自動指紋識別系統(tǒng)的實際推廣是必要的。市場上指紋公司給出的指紋算法性能指標是沒有什么說服力的，不同公司的系統(tǒng)性能也沒有可比性。從理論上來說，采用拒識率FRR、誤識率FAR、識別速度這三個度量標準，對于評估一般的自動指紋識別系統(tǒng)性能指標己經(jīng)足夠了。在刑事應(yīng)用中，需要把可能的嫌疑人都找出來，應(yīng)盡量減小拒識率，所以誤識率非常大；而對于高度保密應(yīng)用場合來說，誤接受造成的損失非常大，因此要求誤識率很低[47]。系統(tǒng)往往需要在兩個錯誤率之間取一個折中。對于理想的系統(tǒng)來說，這兩個錯誤率都應(yīng)該是零。 性能評價指紋識別系統(tǒng)性能的重要指標是拒識率 (FRR)和誤識率(FAR)。本文所使用的匹配方法是利用指紋的方向編碼的信息進行指紋的旋轉(zhuǎn)對齊和匹配，這種方法稱作旋轉(zhuǎn)不變匹配[46]，該算法的思想是：(1) 構(gòu)建模板和子圖像的方向編碼直方圖，并對所有可能的方向計算 2個直方圖的相似度，相似度最大的被認為是匹配的最佳位置，計算最佳位置的不相似度D1；(2) 在上述最佳位置對二者進行匹配，然后，用旋轉(zhuǎn)模板計算匹配不相似度 D2，最后，綜合D1和D2來選擇最優(yōu)者。雖然不同時期手指的濕度、灰塵影響著指紋圖像的質(zhì)量，但使匹配最為困難的是手指在按壓過程中指紋圖像產(chǎn)生的非線性形變，主要是在錄入時指紋的按壓存在或多或少的位置偏差、旋轉(zhuǎn)偏差以及由于按壓力度的不同產(chǎn)生的角度偏差。特征點及其方向就能很好地描述指紋，因此在預(yù)處理階段算得的指紋方向為指紋匹配提供了強有力的特征信息。這些無關(guān)細節(jié)點可以通過經(jīng)驗閾值來去除。指紋圖像的特征點主要是由指紋圖像中的指紋脊線的端點和分叉點構(gòu)成，特征提取是將這些端點和分叉點的位置(坐標)、類型和方向等信息存儲為一個特征文件，也叫特征模板, 如圖28所示。全局特征用于指紋的分類，它指的是指紋中脊線的總體走向，局部特征是指指紋圖中的細節(jié)特征，指紋的唯一性并不是基于它的全局特征。該方法細化效果如圖27(c)所示。本文采用王業(yè)琳等[41]提出的一種新的指紋圖像細化算法。這種算法能夠基本保證單像素寬，但細化后會產(chǎn)生很多毛刺，且紋線的分叉點處并不是單像素寬度?？焖偌毣惴?4 連通并行細化算法，其原理是判斷出指紋紋線的邊界點并逐步刪除，該算法速