【正文】 控制器可自主進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。它具有如下特性： ?? 最高時鐘頻率可達(dá) 300MHz，指令周期時間為 ； ?? 16K 字節(jié)高速指令緩存； ?? 雙乘法器，速度可達(dá)每秒 60 億次乘法計算； ?? 1 程序總線， 3 內(nèi)部數(shù)據(jù)操作數(shù)讀總線， 2 內(nèi)部數(shù)據(jù)操作數(shù)寫總線； ?? 16K16bit 片上 RAM，由 4 塊 4K16 位雙存取 RAM（ DARAM） 組成； ?? 16K16bit 等候狀態(tài)片上 ROM； ?? 8M16bit 的最大尋址外部內(nèi)存空間 ； ?? 32 位外部并行總線內(nèi)存支持外部存儲器接口（ EMIF）與通用輸入輸出（ GPIO）功能和無縫接口 ； ?? 仿真調(diào)試跟蹤功能 ， 保存 最后 16 程序計數(shù) 值 （ PC）連續(xù)性和最后 32 PC值 ； 22 ?? 6 個低功耗可編程控制功能控制域； ?? 片上外設(shè)包括： 六通道直接存儲器存取（ DMA）控制器 ； 兩個多通道緩沖串行端口（ McBSPs） ； 可編程模擬鎖相環(huán)循環(huán)（ APLL）時鐘發(fā)生器 ； 通用的 I O（ GPIO）引腳和專用 輸出（ XF）引腳 ； 8 位并行主機(jī)接口（ HPI） ； 4 個定時器，包括 兩個 64 位通用定時器 ， 64 位的可編程看門狗定時器 和 64 位的 DSP BIOS 計數(shù)器 ； 內(nèi)部集成電路（ I2C）接口 ； 通用異步接收器器（ UART） ； 片上的基于掃描的仿真邏輯 ； JTAG（ Joint Test Action Group， 聯(lián)合測試 ） 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、識別速度快、干濕手指適應(yīng)性強(qiáng)，二次開發(fā)簡單、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，它使用一個起始比特后面緊跟 7 或 8 個數(shù)據(jù)比特，然后是可選的奇偶校驗比特，最后是一或兩個停止比特。本次設(shè)計采用 9 芯針接口，其 主要包括 DCD(Data Carrier Detect)載波檢測引腳， 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)信號地引腳， DSR(Data Set Ready)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒引腳， RTS(Request To Send)請求發(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)計采用按鍵復(fù)位。顯示及驅(qū)動電路如圖 10 所示： 圖 10 顯示及驅(qū)動電路 . 復(fù)位模塊 復(fù)位電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號，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 19 0、程序計 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)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需安裝復(fù)位鍵以重新啟動。本設(shè)計中鍵盤數(shù)目較少，且為安裝方便，因此采用獨(dú)立式接法。獨(dú)立式實際上就是一組獨(dú)立的按鍵，這些按鍵可直接 18 與單片機(jī)的 IO 口連接，即每個按鍵獨(dú)占一條口線，這種接法簡單。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 時鐘模塊電路 . 按鍵模塊 鍵盤是最常用的輸入 設(shè)備，是實現(xiàn)人機(jī)對話的紐帶。通過在芯片的外部 XTAL1 和 XTAL2 兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩電路。當(dāng)按下電源鍵時，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器、 UART、定時器 0 和定時器 1，以及定時器 2。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(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)部程序存儲器的指令。 EAVPP：外部訪問允許，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無效。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ 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)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 ALEPROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。 16 RST：復(fù)位輸入。在 FLASH 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。作為輸入使用時，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 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO 口， P3 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在訪 問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時， P2 口送出高八位地址。對 P2 端口寫 “1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。 此外， 和 分別作定時器計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ）和定時器計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ） 在 FLASH 編程和校驗時， P1 口接收低8 位地址字節(jié)。對 P1 端口寫 “ 1” 時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。程序校驗時，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 P0 端口寫 “ 1” 時，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： 圖 6 AT89S52引腳圖 P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 IO 口?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器計數(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 IO 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及 時鐘電路 。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(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 存儲器。系統(tǒng)的工作過程主要是當(dāng)檢測到有按鍵按下時先由 MCU 通過串口通信控制指紋模塊對指紋進(jìn)行采集、錄入、存儲、比對。主控芯片選用 AT89S52 單片機(jī)。 . 系統(tǒng)電路設(shè)計 系統(tǒng)電路框架是根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，對系統(tǒng)所需元件、設(shè)備參數(shù)進(jìn)行必要的計算，通過認(rèn)真研究、分析、比較選定設(shè)備型號，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)行指紋的識別，指紋識別出錯時，報警提示。 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流程及比對的結(jié)果。 3. 12 硬件系統(tǒng)設(shè)計 . 系統(tǒng)總體設(shè)計 . 系統(tǒng)功能簡述 本系統(tǒng)是針對指紋采集、識別模塊開發(fā)出的指紋識別系統(tǒng)。通過將細(xì)節(jié)點(diǎn)表示為點(diǎn)模式，一個指紋識別問題可以轉(zhuǎn)化為一個點(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兩幅給定指紋圖像的特征模式進(jìn)行比對，判斷這兩幅圖像是否來自同一個人的同一手指。 圖 4 通過判斷后得到的特征點(diǎn)分布圖 這個特征點(diǎn)分布結(jié)果圖包含了特征點(diǎn)和偽特征點(diǎn)。對于細(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：要求這種特征對噪聲的存在與指紋形變不敏感。 (2) 可測試性：適用于指紋匹配算法，便于在匹配算法中應(yīng)用。對于自動指紋識別技術(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。 . 指紋圖像的特征提取 . 指紋特征提取概述 特征提取就是對細(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)化中選擇一個好的模板是關(guān)鍵。并行細(xì)化算法對圖像進(jìn)行細(xì)化時利用相同的條件同時檢測所有像素點(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。 (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。在文字識別、地質(zhì)構(gòu)造識別、工業(yè)零件形狀識別或圖像理解中，先對被處理圖像進(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)處理中的一個重要環(huán)節(jié)，因為一般的特征提取都是在細(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，它周圍點(diǎn)不大于 3 個為像素 1 點(diǎn)則修改為 0；當(dāng)像素為 0 時，它周圍不小于 7 個點(diǎn)為像素 1 的點(diǎn)，則修改為 1。背景和灰度值為 255 的紋 8 線像素置為 1，這做法的目的是去除不確切的點(diǎn)。 采用動態(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閾值處理，而局部閾值算法則把原圖分 成若干個子圖，在每個子圖中確定閩值，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)大于平均值時為加。 在使用方差均值法之前還要使用歸一法將圖變?yōu)榈皖l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）計算得到。具體步驟分以下三步： 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算方法。此方法的實現(xiàn)是利用方向濾波器。 Lin Hong 等人開發(fā)的基于最小均方估計算法，即公式法如下： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? )1,1()1,(21,11,11,21,1, ????????????????? jiGjiGjiGjiGjiGjiGjix （ 1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? )1,1(),1(21,11,11,21,1, ????????????????? jiGjiG