【正文】 — 180 性能參數(shù)表 序號(hào) 指標(biāo)項(xiàng)目 技術(shù)參數(shù) 測(cè)試條件 1 供電電壓 — 2 正常工作電壓 120mA 3 峰值電流 150mA 4 指紋錄入時(shí)間 5 1:1 比對(duì)時(shí)間 特征提取 +指紋比對(duì) 6 1:900 搜索時(shí)間 2s 7 指紋存儲(chǔ)數(shù)量 最多支持 960 枚 8 認(rèn)假率 % 9 拒真率 % 10 指紋模板大小 512bytes 11 外部接口 UART 表 2 FM180 參數(shù)表 該模塊采用的是 PS1802一款高性能通用 DSP 控制器，同時(shí)也是一款全功能的指紋識(shí)別系統(tǒng)芯片（ SOC），工作主頻為 120MHz，峰值運(yùn)算能力達(dá)到 480MIPS，內(nèi)嵌 156KB RAM， 96KB ROM，功耗小于 150mW（ 120MHz）。按照 FM180 指紋識(shí)別設(shè)備提供的豐富控制指令，可自行開發(fā)出功能強(qiáng)大的指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)。算法對(duì)變形、質(zhì)量差指紋均有較好的校正和容錯(cuò)性能。 ● 價(jià)格低廉 設(shè)備采用自行開發(fā)的光學(xué)采集頭，成本大幅降低。 13 圖 6 STC12C5A60S2內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 指紋識(shí)別模塊 FM180 FM180 亮背景光學(xué)頭指紋識(shí)別設(shè)備采用光學(xué)指紋傳感器，由高性能 DSP 處理器和 FLASH 等芯片構(gòu)成，具有指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲(chǔ)等項(xiàng)功能。 STC12C5A60S2 單片機(jī)中包含中央處理器（ CPU）、程序存儲(chǔ)器（ Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ SRAM）、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI 接口、 PCA、看門狗 電路 及片內(nèi) RC 振蕩器和晶體振蕩電路等模塊。 8051 CPU， 1T，單時(shí)鐘 /機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； ： STC12C5A60S2 系列工作電壓： （ 5V單片機(jī)） ： 0 35MHz，相當(dāng)于普通 8051的 0～ 420MHz； 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)； 11 1280 字節(jié) RAM； I/O 口（ 36/40/44 個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O口），可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)55 mA； 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器 可通過(guò)串 口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片； EEPROM功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 無(wú)內(nèi)部 EEPROM)； 9. 看門狗； MAX810 專用復(fù)位電路（外部晶體 12M 以下時(shí)，復(fù)位腳可直接 1K電阻到地）； :在 口有一個(gè)低壓門檻比較器， 5V 單片機(jī)為，誤差為 +/5%, 單片機(jī)為 ，誤差為 +/3%； ：外部高精度晶體 /時(shí)鐘，內(nèi)部 R/C振蕩器 (溫漂為 +/5%到 +/10%以內(nèi) ) 1用戶在下載用 戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 R/C振蕩器還是外部晶體 /時(shí)鐘，常溫下 內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 單片機(jī)為： 11MHz～ ， 單片機(jī)為： 8MHz～ 12MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)； 4個(gè) 16位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ,16位定時(shí)器 T0和 T1，沒(méi)有定時(shí)器 2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上 2 路 PCA模塊可再實(shí)現(xiàn) 2個(gè) 16位定時(shí)器； 14. 2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由 T0的溢出在 ，可由 T1的溢出在 ； I/O口 7路 ,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ,并新增支持上升沿中斷的 PCA 模塊， Power Down 模式可由外部中斷喚醒，INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 ), CCP1/ (也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 )； 16. PWM(2路） /PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列 ,2路）： —— 也可用來(lái)當(dāng) 2路 D/A使用 —— 也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2個(gè)定時(shí)器 —— 也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2個(gè)外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持 )； , 10 位精度 ADC，共 8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S(每秒鐘 25萬(wàn)次 ) (UART)，由于 STC12系列是高速的 8051，可再用 12 定時(shí)器或 PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口； 19. STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/(可通過(guò)寄存器設(shè)置到 )， TxD2/(可通過(guò)寄存器設(shè)置到)； ： 40 +85℃ (工 業(yè)級(jí) ) / 0 75℃ (商業(yè)級(jí) )：PDIP40,LQFP44,LQFP48 I/O 口不夠時(shí)，可用 2 到 3 根普通 I/O 口線外接 74HC164/165/595（均可級(jí)聯(lián)）來(lái)擴(kuò)展 I/O口 , 還可用 A/D做按鍵掃描來(lái)節(jié)省I/O口，或用雙 CPU,三線通信，還多了串口。 第 3 章 指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 相關(guān)器件介紹 STC12C5A60S2 的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) STC12C5A60S2單片機(jī)是 STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 812 倍。 ③指紋采集過(guò)程中由于壓力不均，造成圖像的扭轉(zhuǎn)，拉伸和形變。細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配的難點(diǎn)有： ①細(xì)節(jié)點(diǎn)提取過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生虛假細(xì)節(jié)點(diǎn)、丟失真細(xì)節(jié)點(diǎn)，并且細(xì)節(jié)點(diǎn)的位置，方向可能有偏差。 細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配通常把匹配模板和待匹配的細(xì) 節(jié)點(diǎn)集對(duì)齊，設(shè)定匹配規(guī)則，統(tǒng)計(jì)二者對(duì)應(yīng)的細(xì)節(jié)點(diǎn)相同的個(gè)數(shù)來(lái)衡量他們的相似度。紋線匹配需要大量的特征信息，因此匹配速度慢，模板容量大。 指紋匹配 目前匹配的方法有：圖像相關(guān)匹配、紋理特征匹配、紋線匹配和細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配 [12]。每前進(jìn)一段距離，在追蹤發(fā)向的垂直線段上的灰度投影確定紋線位置， 當(dāng)遇到端點(diǎn)和分叉點(diǎn)時(shí)停止并記錄。局部細(xì)節(jié)特征主要包括了端點(diǎn)和分叉點(diǎn)，目前主要的提取方法分三類： 從細(xì)化圖像上提?。喊阎讣y圖像二值化、細(xì)化后，分析指紋紋線‘骨架’上 8個(gè)相鄰的像素點(diǎn)取值來(lái)判斷細(xì)節(jié) 點(diǎn) 的類型和位置，再通過(guò)該點(diǎn)和紋線的連線 10 來(lái)計(jì)算其方向。 特征提取 指紋的特征包括了全局特征和局部細(xì)節(jié)特征 [9]。前者整個(gè)圖像采用一個(gè)門限，對(duì)輸入圖像要求高，要求圖像灰度均衡；后者則是根據(jù)不同區(qū)域選用不同門限，對(duì)輸入圖像要求不高。目前主流的圖像增強(qiáng)濾波算法都是基于這一原理。因?yàn)橹讣y紋線具有一定的方向和頻率，在頻域看來(lái)就是紋線頻譜處于某一 特定的位置和方向上。 增強(qiáng)濾波：通過(guò)濾波的方法消除指紋圖像中的干擾噪聲。圖像處理的目的就是利用信號(hào)處理技術(shù)剔 除圖像中得各種噪聲，把它轉(zhuǎn)化為圖像清晰的二值化 圖像，以便提取正確的特征信息。超聲 波掃描得到的指紋圖像是指紋的真實(shí)圖像， 9 應(yīng)用起來(lái) 方面，不受指紋上的油脂和贓物的影響，但是設(shè)備價(jià)格非常昂貴。由于傳感器容易受到靜電干擾，易損壞，不如光學(xué)式的經(jīng)用耐磨。 電容式取 像 設(shè)備則是由在半導(dǎo)體金屬上集合了上萬(wàn)甚至十萬(wàn)個(gè)電容傳感器。而另外一種光學(xué)取 像 設(shè)備則是利用微型三棱鏡，把他安裝在彈性的平面 上，當(dāng)手指按在上面由于脊谷壓力不同，而改變微型棱鏡的表面。指紋紋路有凹凸部分即谷、脊。目前市場(chǎng)常見(jiàn)的指紋采集可以分為光學(xué)式取 像設(shè)備、電容式取像 設(shè)備和超聲掃描。 8 指紋識(shí)別系統(tǒng) 一個(gè)完整的指紋識(shí)別過(guò)程可分為：指紋采集、指紋圖像的預(yù)處理、特征提取和指紋匹配幾部分 [6]，如圖 4： 圖 4指紋識(shí)別過(guò)程 指紋采集 指紋由圖像輸入設(shè)備轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息，并將其保存在機(jī)器內(nèi)部 的過(guò)程。不管他們是怎么組成的，至今仍然沒(méi)有一種模板的標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有公布一種抽象的算法。有的算法把 特征 點(diǎn) 和方向信息組合產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，這些信息反映了特征點(diǎn)之間的關(guān)系，也有的算法處理整個(gè)指紋圖像。然后，指紋特征提取算法建立指紋的特征數(shù)據(jù)，這是不可逆的轉(zhuǎn)換，可以從指紋圖像轉(zhuǎn)換到特征數(shù)據(jù)，但不可以從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到指紋圖像，兩枚不同的指紋產(chǎn)生不同的特征數(shù)據(jù)。 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)主要涉及指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)處理 [8]、特征提取 [7]、數(shù)據(jù)保存、指紋特征值的比對(duì)等過(guò)程。指紋在圖案、端點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同的，也就是“特征”，這些特征每個(gè)人每個(gè)手指都不相同，根據(jù)指紋的唯一性和可靠性，我們就把一個(gè)人和他的指紋一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)比對(duì)指紋特征和預(yù)先保存的指紋特征，就可以驗(yàn)證他的身份。 (viii)曲率：紋路方向改變的速度。 (vi)環(huán)點(diǎn)：一條紋路分成兩條后又立即合成一條，這樣形成的一個(gè)小環(huán)稱為環(huán)點(diǎn)。 (iv)孤立點(diǎn)：一條特別短的紋路，以至于成為一點(diǎn)。 (ii)分叉點(diǎn)：一條紋路在此分成兩條或多條紋路。也有些算法用某兩個(gè)點(diǎn)之間的紋路數(shù)作為指紋特征，比如兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的紋路數(shù) 。 核心點(diǎn)和三角 點(diǎn)統(tǒng)稱為奇異點(diǎn)。 （ iii）核心點(diǎn)： 核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸近中心，它常用作讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)的參考點(diǎn)。 指紋特征可以分為全局特征、局部特征和細(xì)微特征。這些脊線 具有平移、旋轉(zhuǎn)不變性，是指紋識(shí)別系統(tǒng)中經(jīng)常利用的一個(gè)重要特征。 （ 5）細(xì)節(jié)特征： 指紋中出現(xiàn)的各種特征，例如最常用的就是脊線端點(diǎn)和分叉點(diǎn)。 （ 3）脊線： 是手指上的特殊的皮膚花紋的隆線。 指紋的相關(guān)概念 （ 1）指紋： 指頭表面 凹凸 紋線。通?？梢杂梅勰┓?，選擇顏色對(duì)比大的粉末，撒在物品 表面提取出完整的指紋；另一方法是磁粉法，以微細(xì)的鐵粉顆粒，用磁鐵作為刷子，來(lái)回刷掃，顯現(xiàn)指紋。鑒識(shí)人員最常接觸到的指紋是潛伏紋。如手沾油漆、血液、墨水等物品轉(zhuǎn)印而成，通常都是印在指紋卡上成為基本資料； 第二類是成型紋，這 是指在柔軟物質(zhì)，如手接觸壓印在蠟燭、黏土上發(fā)現(xiàn)的指紋； 第三類是潛伏指紋，這類指紋是經(jīng)身體自然分泌物如汗液，轉(zhuǎn)移形成的指紋紋路，目視不易發(fā)現(xiàn)，是案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)中最常見(jiàn)的指紋。是人類進(jìn)化過(guò)程式中自然形成的。 指紋是人類手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路。研究表明，如果某人指頭肚高而圓，其指紋的紋路將是螺旋型。 指紋 分類 有 3種基本類型 — 斗型 、弓型和箕 型。如此一來(lái)，一方面使勁向上攻，一方面被迫往下撤，導(dǎo)致表皮長(zhǎng)得曲曲彎彎，坑洼不平，形成紋路。 第五章：對(duì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)。 第三章：介紹了指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)方案，和相關(guān)器件，最后給出設(shè)計(jì)電路。具體的章節(jié)和各章的內(nèi)容安排如下： 第一章：在介紹本論文的課題背景和意義，并簡(jiǎn)述了生物識(shí)別和指紋識(shí)別技術(shù)，以及指紋識(shí)別研究現(xiàn)狀，確定了本文所做的主要工作。 論文內(nèi)容安排 本文以指紋識(shí)別系統(tǒng)的指紋識(shí)別原理和硬件設(shè)計(jì)、制作為研究主體，針對(duì)指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)提出多種設(shè)計(jì)方案。目前，雖然許多商業(yè)機(jī)構(gòu)報(bào)告了自己的系統(tǒng)的較低的錯(cuò)誤率，但國(guó)內(nèi)外沒(méi)有專門檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、統(tǒng)一、權(quán)威的評(píng)價(jià)。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)由大型計(jì)算機(jī)處理、微機(jī)處理發(fā)展到嵌入式處理階段。而基于 PC機(jī)的桌面應(yīng)用系統(tǒng)則有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且可以多個(gè)系統(tǒng)共享指紋識(shí)別設(shè)備，可以建立大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)然，由于需要連接計(jì)算機(jī)才能完成指紋識(shí)別的功能，限制了這種系統(tǒng)在許多方面的應(yīng)用。 指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)主要有兩種，即嵌入式系統(tǒng)和基于 PC機(jī)的桌面應(yīng)用系統(tǒng)。 可以看出，指紋識(shí)別技術(shù)相對(duì)于其他識(shí)別方法有許多獨(dú)到之處，具有很高的實(shí)用性和可行性。 21世紀(jì)，指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)基本成熟，研究方向也開始轉(zhuǎn)向最求高效，快速的指紋算法。 20世紀(jì) 80年代，個(gè)人電腦、光學(xué)采集技術(shù)的發(fā)展，使他們成為取像的工具，從而使指紋識(shí)別在其他領(lǐng)域得以應(yīng)用，比如代替 IC卡。這一研究發(fā)現(xiàn)使得指紋正式在犯罪鑒別中得以應(yīng)用。在指紋識(shí)別技術(shù)中的指紋 (fingerprint)確切地說(shuō)應(yīng)該稱作指印 ，即人手指的 按印 ,如圖 1。 指紋識(shí)別技術(shù)概述 人手的指紋即為手指皮膚上的花紋，它是人的一種生物特征。視網(wǎng)膜掃描是采用低密度的紅外線去捕捉視網(wǎng)膜的獨(dú)特特征，血液細(xì)胞的唯一模式就因此被捕捉下來(lái)。虹膜識(shí)別通過(guò)對(duì)比虹膜圖像特征之間的相似性來(lái)確定人們的身份，其核心是使用模式識(shí)別、圖像處理等方法對(duì)人眼睛的虹膜特征進(jìn)行描述和匹配，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的個(gè)人身份認(rèn)證。全過(guò)程采用非接觸式。 靜脈識(shí)別 靜脈識(shí)別系統(tǒng)就是首先通過(guò)靜脈識(shí)別儀獲 得個(gè)人靜脈分布圖，從靜脈分布圖依據(jù)專用比對(duì)算法提取特征值，通過(guò)紅外線 CMOS攝像頭獲取手指靜脈、手掌靜脈、手背靜脈的圖像，將靜脈的數(shù)字圖像存貯在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，將特征值存儲(chǔ)。由于每個(gè)人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。紋線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)和分叉點(diǎn)，稱為指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。 指紋識(shí)別 指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線。目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多生物識(shí)別技術(shù)，如指紋識(shí)別、手掌幾何學(xué)識(shí)別 [3]、虹膜識(shí)別 [3]、視網(wǎng)膜識(shí)別 [3]、面部識(shí)別、簽名