【正文】 T） ； 片上的基于掃描的仿真邏輯 ； JTAG（ Joint Test Action Group， 聯(lián)合測(cè)試 ） 邊界掃描邏輯 ； ? V 的 I / O 電源電壓 ； ? V 的核心供電電壓 。 其具有如下特點(diǎn)： (1) 體積小巧、成像清晰、手指感應(yīng)靈敏、識(shí)別速度快、干 /濕手指適應(yīng)性強(qiáng)，二次開發(fā)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便，適用面廣 ； (2) 穩(wěn)定：工作穩(wěn)定，可應(yīng)用于各種類型單片機(jī) ； (3) 方便：串口 UART 操作 (直接接任何帶串口單片機(jī) )，操作簡(jiǎn)單 ； (4) 開放：可以自由輸入、輸出指紋圖片、指紋特征值文件及各種指紋操作 ； (5) 高性能：采用商業(yè)算法，識(shí)別速度快，手指感應(yīng)靈敏，手指只要輕輕地觸碰采集窗就能快速識(shí)別，不需要用 力 按壓。最常用的編碼格式是異步起停格式，它使用一個(gè)起始比特后面緊跟 7 或 8 個(gè)數(shù)據(jù)比特，然后是可選的奇偶校驗(yàn)比特，最后是一或兩個(gè)停止比特。本次設(shè)計(jì)采用 9 芯針接口，其主要包括 DCD(Data Carrier Detect)載波檢測(cè)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(hào)地引腳， DSR(Data Set Ready)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒引腳， RTS(Request To Send)請(qǐng)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。本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位。顯示及驅(qū)動(dòng)電路如圖 10 所示： 圖 10 顯示及驅(qū)動(dòng)電路 16 . 復(fù)位模塊 復(fù)位電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，通過 RST 引腳送入單片機(jī)，復(fù)位是單片機(jī)的初始操作，其主要功能是 :為一些專用寄存器設(shè)置初始狀態(tài)、程序狀態(tài)字 PSW 清0、程序計(jì)數(shù)器 PC 被賦值為 0000H 等，除 了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需安裝復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)中鍵盤數(shù)目較少，且為安裝方便，因此采用獨(dú)立式接法。獨(dú)立式實(shí)際上就是一組獨(dú)立的按鍵，這些按鍵可直接與單片機(jī)的 I/O 口連接，即每個(gè)按鍵獨(dú)占一條口線，這種接法簡(jiǎn)單。這種鍵盤使用方便，但硬件較復(fù)雜。 編碼鍵盤采用硬件方法產(chǎn)生鍵碼。 圖 8 時(shí)鐘模塊電路 15 . 按鍵模塊 鍵盤是最常用的輸入設(shè)備， 是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的紐帶。通過在芯片的外部 XTAL1 和 XTAL2 兩個(gè)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(gè)穩(wěn)定的自激振蕩電路。當(dāng)按下電源鍵 時(shí)，電源開啟，電源指示燈點(diǎn)亮。 此外，片上資源包括看門狗定時(shí)器、 UART、定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1，以及定時(shí)器 2。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。 EA/VPP：外部訪問允許，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為 14 0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接 地）。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無效。如有必要，可通過對(duì)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。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè) ALE 脈沖。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。 RST：復(fù)位輸入。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P3 口也接收一些控制信號(hào)。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時(shí)， P2 口送出高八位地址 。對(duì) P2 端口寫 “1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。 此外， 和 分別作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ） 在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。對(duì) P1 端口寫 “ 1” 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可 以作為輸入口使用。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。在這種模式下， P0不具有內(nèi)部上拉電阻。對(duì) P0 端口寫 “ 1” 時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 AT89S52 引腳圖如圖 6，其主要引腳功能介紹如下： AT89S52 單片機(jī) 數(shù)碼 顯示管 指紋模塊 獨(dú)立按鍵 指示燈 蜂鳴器 電源、時(shí)鐘電路 12 圖 6 AT89S52引腳圖 P0 口： P0 口是一個(gè) 8 位漏極開路的雙向 I/O 口?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 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(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及 時(shí)鐘電路 。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 . 系統(tǒng)核心部件單片機(jī) AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。系統(tǒng)的工作過程主要是當(dāng)檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)先由 MCU 通過串口通信控制指紋模塊對(duì)指紋進(jìn)行采集、錄入、存儲(chǔ)、比對(duì)。主控芯片選用 AT89S52 單片機(jī)。 . 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)電路框架是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，對(duì)系統(tǒng)所需元件、設(shè)備參數(shù)進(jìn)行必要的計(jì)算，通過認(rèn)真研究、分析、比較選定設(shè)備型號(hào)，再將設(shè)備、元件通過可靠的接口電路聯(lián)系起來構(gòu)成的一個(gè)完整的系統(tǒng)。通過按鍵進(jìn)行指紋系統(tǒng)的功能選擇，采用數(shù)碼管與 LED（ Light Emitting Diode，發(fā)光二極管 ）指示燈綜合提示操作內(nèi)容。對(duì)添加到庫中的用戶指紋進(jìn)行權(quán)限管理，設(shè)置最高權(quán)限用戶，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行添加和刪除管理。 (3) 指紋管理。能進(jìn)行指紋的識(shí)別，指紋識(shí)別出錯(cuò)時(shí)，報(bào)警提示。 指紋圖像通過專門的指紋采集儀采集 。 該系統(tǒng)的主要功能有以下幾個(gè)方面： (1) 指紋錄入。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(shí)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(gè)流程及比對(duì)的結(jié)果。 10 3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)述 本系統(tǒng)是針對(duì)指紋采集、識(shí)別模塊開發(fā)出的指紋識(shí)別系統(tǒng)。通過將細(xì)節(jié)點(diǎn)表示為點(diǎn)模式，一個(gè)指紋識(shí)別問題可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)點(diǎn)模式匹配問題。目前最為常用的方法是 FBI 提出的細(xì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型來做細(xì)節(jié)匹配。 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(diǎn)的方法。 . 指紋圖像的匹配 指紋匹配要解決的是 對(duì)兩幅給定指紋圖像的特征模式進(jìn)行比對(duì)，判斷這兩幅圖像是否來自同一個(gè)人的同一手指。 圖 4 通過判斷后得到的特征點(diǎn)分布圖 這個(gè)特征點(diǎn)分布結(jié)果圖包含了特征點(diǎn)和偽特征點(diǎn)。對(duì)于細(xì)化二值圖像，像素點(diǎn)的灰度值只有兩種情況。最后確定出特征點(diǎn)的類型、位置、方向。 目前已定義的特征類型己達(dá) 150 多種，但是這些擴(kuò)展的特征往往不易提取相互區(qū)分，并且它們都可以由端點(diǎn)和分叉點(diǎn)的組合進(jìn)行描述，這使得端點(diǎn)和分叉點(diǎn)成為最常用的結(jié)構(gòu)特征，也稱為細(xì) 節(jié)特征，它被認(rèn)為是最穩(wěn)定、最容易檢查的，而且占全部特征點(diǎn)的 80％以上。指紋由脊線和谷線交替構(gòu)成，在大多數(shù)地方紋線連續(xù)且相互平行，而某些局部不連續(xù)的地方構(gòu)成了細(xì)節(jié)點(diǎn)。 為了比較兩個(gè)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。 (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?fù)浣Y(jié)構(gòu)提取特征點(diǎn)。 (4) 魯棒性：要求這種特征對(duì)噪聲的存在與指紋形變不敏感。 (2) 可測(cè)試性：適用于指紋匹配算法，便于在匹配算法中應(yīng)用。對(duì)于自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)而言，選擇一種合適的、能表達(dá)指紋唯一性的特征量是非常關(guān)鍵的。 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(duì)細(xì)化后的指紋圖像提取表示其特征的信息的操作。 細(xì)化將黑白二值圖像細(xì)化成了單個(gè)像素帶寬的指紋圖像，由于模板的選擇不同， 上圖中的細(xì)化圖像一定程度上存在毛刺、分叉、斷點(diǎn)等不理想的情況。這樣就可以將較粗的圖像曲線細(xì)化成很細(xì)的以像素為單位的線，大大減少了圖像的信息量，有利于匹配的高效進(jìn)行。因而細(xì)化中選擇一個(gè)好的模板是關(guān)鍵。并行細(xì)化算法對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化時(shí)利用相同的條件同時(shí)檢測(cè)所有像素點(diǎn)，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。 已有的算法迭代按迭代方式的不同分為串行算法和并行算法。 (6) 中軸性：骨架盡可能接近條紋中心線。 (4) 保持性：保護(hù)指紋的細(xì)節(jié)特征。 7 (2) 連通性；不破壞紋線的連接性。理想細(xì)化后的紋線骨架應(yīng)該是原始紋線的中間位置，并保持紋線的連通性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)特征。在文字識(shí)別、地質(zhì)構(gòu)造識(shí)別、工業(yè)零件形狀識(shí)別或圖像理解中，先對(duì)被處理圖像進(jìn)行細(xì)化有助于突出形狀特點(diǎn)和減少冗余信息。所謂“骨架”，是指圖像中央的骨骼部分，是描述圖像幾何及拓?fù)湫再|(zhì)的重要方法之一。 指紋圖像細(xì)化處理 由于灰度過渡區(qū)的存在， 指紋細(xì)化是指紋圖像 預(yù)處理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因?yàn)橐话愕奶卣魈崛《际窃诩?xì)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如果細(xì)化不好，將無法使用常規(guī)的特征提取算法提取細(xì)節(jié)特征信息。 二值化后的圖像中的點(diǎn)還要進(jìn)行修改，修改條件為：當(dāng)像素為 1 時(shí)，它周圍點(diǎn)不大于 3 個(gè)為像素 1 點(diǎn)則修改為 0；當(dāng)像素為 0 時(shí)，它周圍不小于 7 個(gè)點(diǎn)為像素 1 的點(diǎn)，則修改為 1。背景和灰度值為 255 的紋線像素置為 1，這做法的目的是去除不確切的點(diǎn)。 采用動(dòng)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。一般的圖像處理中的二值化算法主要是計(jì)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(diǎn)就置 1，反之置 0。根據(jù)是否將圖像分塊處理，又分全 局閾值算法和局部閾值算法兩種，全局閾值算法是將整幅圖像以一個(gè)閾值處理，而局部閾值算法則把原圖分成若干個(gè)子圖，在每個(gè)子圖中確定閩值，在進(jìn)行二值化，由于指紋圖像在不同區(qū)域的亮度和對(duì)比度是有差別的，因而全局閾值算法不適用。這樣不僅可以壓縮原指紋圖像的數(shù)據(jù)量，而且也方便后面的細(xì)節(jié)特征的提取。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。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(duì)于后面的細(xì)化和匹配有很大的幫助。下面的圖像為指紋圖像歸一化和分割后的結(jié)果。指紋圖像的歸一化公式如式（ 7）所示，當(dāng)大于平均值時(shí)為加。 在使用方差均值法之前還要使用歸一法將圖變?yōu)?低頻圖。 設(shè)指紋圖像 I 的大小為 HL ， I(i， j)為像素點(diǎn) (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）計(jì)算得到。具體步驟分以下三步： 5 首先，將低頻圖分成 MM 大小的無重疊方塊，方塊的大小以一谷一脊 為宜。在這部分將重點(diǎn)介紹均值法差法的計(jì)算方法。此方法的實(shí)現(xiàn)是利用方向?yàn)V波器。 Lin Hong 等人開發(fā)的基于最小均方估計(jì)算法，即公式法如下： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? )1,1()1,(21,11,11,21,1, ????????????????? jiGjiGjiGjiGjiGjiGjix （ 1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? )1,1(),1(21,11,11,21,1, ????????????????? jiGjiGjiGjiGjiGjiGjiy （ 2） ? ? ),(,2),( 2/2/2/2/ vuvujirwiwiwjwjx ? ????? ??? （ 3） ? ? 22/2/2/2/2 ),(,),( vuvujir wiwiwjwjy ? ????? ???? （ 4） 它是利用正 交坐標(biāo)系下，原點(diǎn)到它們組成的坐標(biāo)點(diǎn)的有向線段與 X 的正半軸的夾角可來表示該子塊的塊方向。圖像均值就是對(duì)每一個(gè)單位塊的灰度值取均值，方差則反映該塊中各點(diǎn)與均值的偏差性，這可以很好的反映紋理的變化趨勢(shì)。 代表塊特征的指紋圖像分割目前研究趨勢(shì)為多種塊基本特征如灰度均值、塊灰度方差、塊方向圖等綜合運(yùn)用和重新定義塊特征。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。圖像特征是指紋圖像的固有屬性，如灰度值，鄰域關(guān)系，紋線的扭曲程度等。 4 2. 指紋識(shí)別原理 . 指紋圖像的分割 . 指紋圖像分割概述 在指紋識(shí)別系統(tǒng)中，指紋圖像分割是圖像預(yù)處理的一部分。 并采用 C 語言構(gòu)建系統(tǒng)程序，通過執(zhí)行不同的按鍵動(dòng)作，使單