【正文】 。普通的濾波方法如低通濾波、邊緣增強(qiáng)等對(duì)噪聲的濾除效果不是很好。因此可以選用帶通濾波器。 二值化：就是把原始的灰度圖像轉(zhuǎn)化成只有黑白兩種顏色的圖像，目前二值化的方法有兩種：固定門限和動(dòng)態(tài)門限。 細(xì)化 [10]：就是把經(jīng)過前面處理的指紋圖像的脊的寬度降到最小，去除紋線上的毛刺，從而減少因?yàn)槊躺傻膫谓徊纥c(diǎn)和斷點(diǎn)。全局特征表述了指 紋紋線的走向，主要表現(xiàn)在奇異點(diǎn)，就是紋線方向變化較大的點(diǎn)，就是三角點(diǎn)和核心點(diǎn)，他們比起細(xì)節(jié)特征更加穩(wěn)定可靠，是指紋特征匹配和指紋分類的重要依據(jù)。 從灰度圖像上提取 [13]：在經(jīng)過增強(qiáng)濾波的灰度圖像上，選取起始點(diǎn)，根據(jù)指紋方向卻定追蹤步長(zhǎng)。 從二值圖像上提?。涸诙祱D像上從上到下，從左到右逆時(shí)針檢測(cè)像素變化以追蹤脊線位置，當(dāng)像素之間的角度變化大于閥值時(shí)則認(rèn)為遇到了端點(diǎn)或者分叉點(diǎn)。前二者匹配速度快，對(duì)圖像要求不高，但是忽略了細(xì)節(jié)點(diǎn)特征，因此正確性不高。細(xì)節(jié)特征匹配充分利用了指紋在細(xì)節(jié)點(diǎn)上的差異，因此簡(jiǎn)單準(zhǔn)確得到了廣泛的應(yīng)用。但是這種方法對(duì)細(xì)節(jié)的位移，旋轉(zhuǎn)，形變較為敏感。 ②指紋圖像存在平移和旋轉(zhuǎn)，需要尋找參考依據(jù)以便特征對(duì)齊。 ④指紋之間的重合區(qū)域小 ， 相同指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系難以確定。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路， 2 路 PWM， 8路高速 10位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 圖 5 STC12C5A60S2管腳圖 STC12C5A60S2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 6 所示。 STC12C5A60S2 單片機(jī)包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需要的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)。和同類指紋產(chǎn)品相比， FM180 指紋識(shí)別設(shè)備 具備下列特色： ● 指紋適應(yīng)性強(qiáng) 指紋圖像讀取過程中，采用自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制，使干濕手指都有較好的成像質(zhì)量，適用人群更廣泛。 ● 算法性能優(yōu)異 FM180 指紋識(shí)別設(shè)備算法根據(jù)光學(xué)頭成像原理另行設(shè)計(jì)。 ● 簡(jiǎn)單易用方便擴(kuò)充 無需具備指紋識(shí)別專業(yè)知識(shí)即可應(yīng)用。 ● 使用方便 14 可直接連在 PC 的 USB 口上使用，無需任 何其它轉(zhuǎn)接設(shè)備。 外部標(biāo)準(zhǔn)接口：模塊與用戶設(shè)備的接口都采用同一個(gè)單排插座 /針（分體式為 5 芯 間距、一體式為 4芯 間距）。模塊與用戶設(shè)備的串行通訊時(shí)，接口 J1 引腳定義如下： FM180 引 腳功能表 表 3 引腳功能 引腳號(hào) 名稱 類型 功能描述 1 VCC IN 電源正輸入端（顏色：紅） 2 TXD OUT 串行數(shù)據(jù)輸出。（顏色：綠） 3 RXD IN 串行數(shù)據(jù)輸入。（顏色：白） 4 GND — 信號(hào)地。（顏色：黑） 15 圖 7 FM180實(shí)物圖 FM180 在 FLASH 中開辟了一個(gè) 512 字節(jié)的存 儲(chǔ)區(qū)域作為用戶記事本，該記事本邏輯上被分成 16 頁(yè)，每頁(yè) 32 字節(jié)。注意寫記事本某一頁(yè)的時(shí)候，該頁(yè) 32 字節(jié)的內(nèi)容被整體寫入，原來的內(nèi)容被覆蓋。主機(jī)的指令、模塊的應(yīng)答以及數(shù)據(jù)交換都是按照規(guī)定格式的數(shù)據(jù)包來進(jìn)行的。 12864 液晶顯示器介紹 12864 液晶顯示器，具有 4 位 /8 位并行、 2 線或 3 線串行多種接口方式。該模塊接口方式靈活簡(jiǎn)單，有方便操作的指令?？娠@示 8 4 行 16 16 點(diǎn)陣的漢字。而且具有低電源電壓功耗 小 的優(yōu)點(diǎn) 。 *注釋 2：模塊內(nèi)部接有上電復(fù)位電路，因此在不需要經(jīng)常復(fù)位的場(chǎng)合可將該端懸空。 功能描述 基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)是由 STC12C5A60S2 MCU 處理器、 12864 液晶顯示等器件構(gòu)成，在無需上位機(jī)參與管理的情況下，具有指紋錄入、圖像處理、指紋對(duì)比、搜索和 模板 儲(chǔ)存等功能的智能型模塊。 17 該系統(tǒng)的控制核心是 51 系列單片機(jī) STC12C5A60S2，通過與 DSP 比較，雖然在數(shù)據(jù)處理方面的能力和存儲(chǔ)容量上不及 DSP，但是 51系列單片機(jī)的性價(jià)比高，另外就是它的功耗低，在空閑狀態(tài)時(shí)可以通過軟件設(shè)置成省電模式。通過外圍電路實(shí)現(xiàn)了較為復(fù)雜的系統(tǒng)功能。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 8所示，系統(tǒng)中的 MCU 采用增強(qiáng)型 51 單片機(jī)，它是整個(gè)部件的控制核心。液晶和蜂鳴器作為整個(gè)系統(tǒng)對(duì)用戶 的一個(gè)反饋，用于顯示結(jié)果和指紋識(shí)別過程中對(duì)用戶的操作提示。 圖 8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 方案設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，結(jié)合功能要求和手上現(xiàn)有的材料器件，提出了關(guān)于三種實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別的設(shè)計(jì)方案，下面將一一為大家介紹。而選用 51系列的 STC12C5A60S2 的原因是我們自己就有款單片機(jī)，可節(jié)約 成本 ，而且增強(qiáng)型 51 比 AT89S51 功能更加強(qiáng) 18 大，給用戶擴(kuò)展空間大。我們?cè)?網(wǎng)上 找 關(guān)于該采集頭的資料，但是由于該考勤機(jī)出產(chǎn)很久，沒能找到很詳細(xì)的 資料不能確定 每根 信號(hào)線 的作用。由于采集頭是整個(gè)指紋采集系統(tǒng)的信息來源，如果連怎樣使用它都不知道的話，那么后面的工作將無法展開。 （ 2） 方案二 指紋采集的部分是選用富士通的電容式傳感器 FPS200?？梢酝ㄟ^ MODE0， MODE1 的組合方式選擇不同的接口方式。它具有 500DPI 的分辨率，能進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換。當(dāng)然也可以擴(kuò)展大于 64KB 的存儲(chǔ)空間，那就是占用 51 單片機(jī)的 P1 口作為多余的地址線。解決辦法是選用 3 片單片組成 主從機(jī) ，其中主機(jī)片負(fù)責(zé)采集和傳輸，從機(jī) 1負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和處理指紋，從機(jī) 2 負(fù)責(zé)存儲(chǔ)處理后的數(shù)據(jù)。當(dāng)需要驗(yàn)證時(shí)從機(jī) 1,2 通信，比對(duì)處理后的指紋是否一樣。通過理論計(jì)算如果采用 51單片機(jī)就僅采集一個(gè)指紋就需要耗時(shí) 8秒左右，過程必須保證手指在傳感器不能移動(dòng)。另外由于采集到的是指紋圖像，數(shù)據(jù)量大，單片機(jī)處理圖像數(shù)據(jù)的能力和速度有限，達(dá)不到要求。 （ 3） 方案三 指紋 采集部分是用的是 FM— 180 指紋識(shí)別模塊。該模塊使得指紋識(shí)別系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單化。工作過程：手指按在模塊上時(shí)，單片機(jī)發(fā)送采集指令，指紋就采集到模塊內(nèi)并存儲(chǔ)起來，接下來單片就 發(fā)送提取指紋特征指令給模塊，由于識(shí)別模塊內(nèi)嵌 DSP，所以大大提高了數(shù)據(jù)處理的能力，經(jīng)過 特征碼處理的模板就可以存儲(chǔ)、比對(duì)、刪除等 功能操作。也就是通過單片機(jī)和指紋模塊的通信就可以完成指紋識(shí)別的功能。 通過比較上述三種方案，綜合考慮各方面因素，我們選擇方案三，選擇其原因是其原理簡(jiǎn)單，能方便的實(shí)現(xiàn)，性價(jià)比高。在多微機(jī)系統(tǒng)以及現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)中信息的交換多采用串行通信方式。并行通信控制簡(jiǎn)單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長(zhǎng)距離傳送時(shí)成本高且接收方的各位同時(shí)接收存在困難。串行通信的特點(diǎn)：傳輸線少，長(zhǎng)距離傳送時(shí)成本低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復(fù)雜。同步通信時(shí)要建立發(fā)送方時(shí)鐘對(duì)接收方時(shí)鐘的直接控制，使雙方達(dá)到完全同 步。發(fā)送方對(duì)接收方的同步可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)。 這里 FM180 和單片的通訊方式是異步串行通信模式。通過這種方式實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)FM180 的控制。從而使 RS232C 串行通訊協(xié)議僅需 3 根線便可在兩個(gè)數(shù)字設(shè)備之間全雙工的傳送數(shù)據(jù)。單片機(jī)的 TTL/CMOS 電平與計(jì)算機(jī)接口或終端的 RS232C 通訊接口的邏輯電平不兼容，需要外加 電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。也可采用 MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)兩對(duì) TTL/CMOS 電平與 RS232C 電平的轉(zhuǎn)換。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)定義了 25 根信號(hào)線，但在實(shí)際使用時(shí)，只需 2 個(gè)數(shù)據(jù)線、 6 個(gè)控制線、 1 個(gè)地線共九個(gè)信號(hào)。由于 RS232C 發(fā)送端與接收端之間的信號(hào)傳遞采用多芯信號(hào)線，而多芯信號(hào)線的總負(fù)載電容不能超過2500PF，所以 RS232C 的信號(hào)傳輸距離為十幾米。 9針連接器功能表 管腳編號(hào) 信號(hào)名稱 方向 含義 1 DCD 輸入 數(shù)據(jù)載波檢測(cè) 2 RXD 輸入 數(shù)據(jù)接收端 3 TXD 輸出 數(shù)據(jù)發(fā)送端 21 4 DTR 輸出 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒（計(jì)算機(jī)） 5 SG 輸入 信號(hào)地 6 DSR 輸入 數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備就緒 7 RTS 輸出 請(qǐng)求發(fā)送（計(jì)算機(jī)要求數(shù)據(jù)） 8 CTS 輸入 清除發(fā)送（ MODEM 準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)） 9 RI 輸入 響鈴指示 表 5 串行口引腳定義表 單片機(jī)與傳感器或單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間直接使用 RS232C 通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行串行通訊時(shí)，信號(hào)在通訊過程之中可能會(huì)被全部或部分使用。 硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)圖和方案三的設(shè)計(jì)思路，指紋識(shí)別系統(tǒng)采用 STC12C5A60S2 作為主控芯片， FM— 180 指紋模塊，配合其他外電路，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 10 所示： 圖 10 指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 工作過程： 通過按鍵選擇 FM— 180 工作狀態(tài)，有指紋錄入，指紋比對(duì)，清除指紋庫(kù)三種狀態(tài)分別對(duì)應(yīng) 3 個(gè)按鍵，系統(tǒng)上電后選擇工作模式；單片機(jī)則發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令給 FM— 180， FM— 180 接收到對(duì)應(yīng)的指令后進(jìn)行相應(yīng)的操作，然后把操作提示或者操作的結(jié)果返給單片機(jī)做出顯示，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)的不同的聲音給予提醒。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，畫出具 體的電路原理圖和 22 PCB 圖，詳見附錄。單片的最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指利用單片自身的資源，用最少的輔助元件組成一個(gè)可以工作的系統(tǒng)。電路圖如圖 11： 圖 11 復(fù)位電路 如圖所示，單片供 5V電源，正常工作的時(shí)候單片的復(fù)位端管腳為低電平，當(dāng)復(fù)位端的管腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，單片機(jī)就復(fù)位。所以當(dāng)按鍵 S1 按下時(shí)單片機(jī)復(fù)位。即是當(dāng)檢測(cè)到 ,P3..4 管腳為低時(shí)認(rèn)為鍵被按下。 液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路 根據(jù)前面介紹的液晶 12864，設(shè)計(jì)出液晶驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，其中 V0 端口 24 是亮度調(diào)節(jié)，由于液晶的該管腳被損壞所以該管腳就懸空處理。驅(qū)動(dòng)電路如圖 15 所示： 圖 15 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路 在不需要鳴叫的時(shí)候 Q1 的 E 極為高， B 極為高，三極管沒有導(dǎo)通，當(dāng)需要鳴叫時(shí)可以軟件編寫 為低，這樣 EB 壓降大于 導(dǎo)通壓降，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫。 串口電路 這部分的電路主要是用于單片機(jī)和 PC 機(jī)通信，由于電腦串口出來的是RS232 電平，而單片機(jī)采用的是 TTL 邏輯電平，如果直接相連，電平不匹配無法完成通信故需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路： 25 圖 16 串口電路 在設(shè)計(jì)單片機(jī)和 PC 機(jī)的硬件電路時(shí)，使用 MAX232 芯片實(shí)現(xiàn) TTL 電平和 PC 機(jī) RS232 電平的轉(zhuǎn)換，使用該芯片使電路外圍電路簡(jiǎn)單，工作可靠。每個(gè)接收器將EIA/TIA232E 電平輸入轉(zhuǎn)換為 5V TTL/CMOS 電平。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器將TTL/CMOS 輸入電平轉(zhuǎn)換為 EIA/TIA232E 電平。 MAX232 芯片的性能特點(diǎn)如下： 1．單 5V 電源工作； 2．兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器及兩個(gè)接收器； 3．士 30v 輸入電平； 4．低電源電流：典型值是 8mA； MAX232 引腳如圖 17 所示， 1~6 腳為電容端， 7~14 腳包含 4 路RS232/TTL 電平轉(zhuǎn)換器， 其中兩路為 0 / 5V → +10V /10V ， 另兩路為 +10V /10V → 0 / 5V 。其主電路見附錄。 B 布局中 應(yīng)參考原理框圖，根據(jù)單板的主信號(hào)流向規(guī)律安排主要元器件。高電壓、大電流信號(hào)與小電流，低電壓的弱信號(hào)完全分開；模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分開；高頻信號(hào)與低頻信號(hào)分開；高頻元器件的間隔要充分。 E 按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化布局 。在條件允許的范圍內(nèi)，盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的 關(guān)系是：地線＞電源線＞信號(hào)線 。必要時(shí)應(yīng)加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。的折線布線，不可使用 90186。 根據(jù)上述要求繪制出 PCB 版，詳見附錄。 （ 1） 電路不通 由于在制作電路板的時(shí)候腐蝕的時(shí)候腐蝕不均勻，造成板子上有一部分腐蝕的較為厲害出現(xiàn) 斷線的情況。經(jīng)過萬用表檢測(cè)到MAX232 的電壓為零點(diǎn)幾伏，判定電路出現(xiàn)問題。解決的辦法是用焊錫拖一層錫使其導(dǎo)通。按照正常的電路連接方法，在原有的電路板上做改動(dòng)，拉飛線。 （ 3） 液晶只有背光沒有顯示 單片機(jī)上電之后，寫入液晶測(cè)試程序，發(fā)現(xiàn)液晶只有背光沒有顯示。之前用的是 1KΩ，后來?yè)Q成 10KΩ 的排阻之后就可以正常顯示。測(cè)其兩端電壓為 伏，經(jīng)仔細(xì)嘗試和分析，得出的結(jié)論 是兩端電壓不夠，解決辦法是把封面器到電源的電阻去掉，用導(dǎo)線代替， 改了之后 ， 蜂鳴器可以使用。最終做出來的板子如圖 18 所示： 圖 18 指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件實(shí)物圖 28 第 5 章 總 結(jié) 指紋識(shí)別是一種市場(chǎng)前景廣闊的生物特征識(shí)別技術(shù)，具有很高的研 究和應(yīng)用價(jià)值，在身份認(rèn)證領(lǐng)域比起傳統(tǒng)認(rèn)證方式，它具有更好的準(zhǔn)確性，更高的安全性和簡(jiǎn)單實(shí)用性。原因是采集設(shè)備多式多樣，造成圖像質(zhì)量也是千差萬別，采集時(shí)手指的皮膚狀況也難以保證，這就對(duì)指紋算法提出很好的要求。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)思路是可行的。但是仍然存在弊端：對(duì)具體的指紋算法實(shí)現(xiàn)我們是不知道，而指紋算法是指紋識(shí)別的關(guān)鍵，所以這方面還做得不足