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文檔簡介
1、 PAGE 3基于單片機(jī)的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計(shj)(硬件)摘要(zhiyo)隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)的安全性越來越脆弱,自動指紋識別技術(shù)集保密性強(qiáng)、差錯率低等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到需要身份(shn fen)認(rèn)證的各種領(lǐng)域。本文簡述了指紋和指紋識別系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上重點研究了基于單片機(jī)的指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計和制作。系統(tǒng)采用的是增強(qiáng)型51單片機(jī)STC12C5A60S2作為主控芯片,而FM180指紋識別模塊作為指紋采集和處理的核心。通過二者的通信完成對指紋的采集,錄入,提取特征值,比對等功能。設(shè)計表明通過簡單的原理能夠?qū)崿F(xiàn)指紋識別相關(guān)功能,加深了我們對指紋識別原理的理解,和對單片機(jī)
2、的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:指紋識別 STC12C5A60S2 FM180 硬件Design being based on Single-chip Fingerprint Identification System (hardware)AbstractWith the rapid development of science and technology, the safety of traditional security system become more and more weak and the automatic fingerprint recognition technology is su
3、perior in confidentiality and error rate. Therefore the automatic fingerprint recognition technology has been widely applied to those kinds of area where need identification .This article illustrates the fingerprints and fingerprint identification system and on this basis, we focus on the hardware d
4、esign and the fabrication of the fingerprint identification system. The System employs the enhanced 51 MCU STC12C5A60S2 as the main control chip and the FM-180 fingerprint module as the core of the fingerprint collection and processing. By the communication of MCU and FM-180 ,it could finish fingerp
5、rints acquisition, entry, extraction for feature values, contrast and so on. The design shows the fingerprint identification can be achieved by a simple principle and thus we deepen our comprehension of the principle of fingerprint identification and understand the application of the single-chip fin
6、gerprint identification system.Key Words: Fingerprint identification STC12C5A60S2 FM-180 hardware目 錄論文(lnwn)總頁數(shù):34頁TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc22332 第1章 緒 論 PAGEREF _Toc22332 1 HYPERLINK l _Toc20392 1.1 課題的背景(bijng)和意義 PAGEREF _Toc20392 1 HYPERLINK l _Toc17451 1.2生物識別(shbi)技術(shù)概述 PAGEREF _Toc17451 1
7、 HYPERLINK l _Toc9915 1.3指紋識別技術(shù)(jsh)概述 PAGEREF _Toc9915 2 HYPERLINK l _Toc29295 1.4指紋識別研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc29295 3 HYPERLINK l _Toc23062 1.5論文內(nèi)容安排 PAGEREF _Toc23062 4 HYPERLINK l _Toc5129 第2章 指紋識別基本原理 PAGEREF _Toc5129 4 HYPERLINK l _Toc24551 2.1指紋學(xué)的基本知識 PAGEREF _Toc24551 4 HYPERLINK l _Toc27099 2.1.1指紋
8、的形成 PAGEREF _Toc27099 4 HYPERLINK l _Toc13133 2.1.2指紋的相關(guān)概念 PAGEREF _Toc13133 5 HYPERLINK l _Toc20795 2.2自動指紋識別原理 PAGEREF _Toc20795 7 HYPERLINK l _Toc14353 2.3指紋識別系統(tǒng) PAGEREF _Toc14353 8 HYPERLINK l _Toc29535 2.3.1指紋采集 PAGEREF _Toc29535 8 HYPERLINK l _Toc7418 2.3.2圖像處理 PAGEREF _Toc7418 9 HYPERLINK l _
9、Toc19654 2.3.3特征提取 PAGEREF _Toc19654 9 HYPERLINK l _Toc14842 2.3.4指紋匹配 PAGEREF _Toc14842 10 HYPERLINK l _Toc13642 第3章 指紋識別系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc13642 10 HYPERLINK l _Toc4226 3.1相關(guān)器件介紹 PAGEREF _Toc4226 10 HYPERLINK l _Toc5518 3.1.1 STC12C5A60S2的結(jié)構(gòu)與特點 PAGEREF _Toc5518 10 HYPERLINK l _Toc1986 3.1.2指紋識別模塊F
10、M-180 PAGEREF _Toc1986 13 HYPERLINK l _Toc7375 3.1.3 12864液晶顯示器介紹 PAGEREF _Toc7375 15 HYPERLINK l _Toc2977 3.2功能描述 PAGEREF _Toc2977 16 HYPERLINK l _Toc8814 3.3系統(tǒng)硬件概述 PAGEREF _Toc8814 17 HYPERLINK l _Toc11435 3.4方案設(shè)計 PAGEREF _Toc11435 17 HYPERLINK l _Toc30899 3.6 通訊協(xié)議 PAGEREF _Toc30899 19 HYPERLINK l
11、 _Toc4177 3.6.1 單片機(jī)和FM180的通信 PAGEREF _Toc4177 19 HYPERLINK l _Toc25224 3.6.2單片機(jī)和PC機(jī)的通信 PAGEREF _Toc25224 20 HYPERLINK l _Toc15393 3.7硬件電路設(shè)計 PAGEREF _Toc15393 21 HYPERLINK l _Toc11337 3.7.1最小系統(tǒng)電路 PAGEREF _Toc11337 22 HYPERLINK l _Toc23533 3.7.2 功能選擇電路 PAGEREF _Toc23533 22 HYPERLINK l _Toc10202 3.7.3模
12、式指示燈 PAGEREF _Toc10202 23 HYPERLINK l _Toc25079 3.7.3液晶顯示驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc25079 23 HYPERLINK l _Toc3744 3.7.4 蜂鳴器驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc3744 24 HYPERLINK l _Toc6550 3.7.5串口電路(dinl) PAGEREF _Toc6550 24 HYPERLINK l _Toc8211 第4章 硬件電路制作(zhzu)和調(diào)試 PAGEREF _Toc8211 26 HYPERLINK l _Toc18420 4.1 繪制(huzh)PCB板 PAGER
13、EF _Toc18420 26 HYPERLINK l _Toc18939 4.1.1布局要求 PAGEREF _Toc18939 26 HYPERLINK l _Toc5078 4.1.2布線要求 PAGEREF _Toc5078 26 HYPERLINK l _Toc20388 4.2制作和調(diào)試 PAGEREF _Toc20388 26 HYPERLINK l _Toc29838 第5章 總 結(jié) PAGEREF _Toc29838 27 HYPERLINK l _Toc20353 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc20353 29 HYPERLINK l _Toc10627 致 謝 PAG
14、EREF _Toc10627 31 HYPERLINK l _Toc17177 附 錄 一 PAGEREF _Toc17177 33 HYPERLINK l _Toc1781 附 錄 二 PAGEREF _Toc1781 34 PAGE 29第1章 緒 論1.1 課題(kt)的背景和意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,我們的生活中常常需要身份確認(rèn)。信息時代我們每個人都擁有大量的認(rèn)證密碼,比方說銀行密碼、開機(jī)密碼、手機(jī)密碼、開機(jī)密碼等等。而我們大多數(shù)人則喜歡采用配備各種鑰匙,保險柜,防盜(fn do)報警等傳統(tǒng)安全系統(tǒng)。社會的進(jìn)步,促使傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)越來越脆弱。生物識別技術(shù)開始走進(jìn)安全系統(tǒng),指紋識別作為
15、生物識別的一種已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。指紋特征是人終生不變的特征之一,并且每個人的指紋是不同的,可以說指紋是一個人身份的標(biāo)識。指紋含有天然的密碼信息,其具有作為密碼信息必須(bx)具備的三個重要性質(zhì):廣泛性,每個人都有自己的指紋,很普遍。唯一性, 人與人之間的指紋是不同,可以作為身份的識別。終生不變性1, 非意外事故發(fā)生終身不變。指紋識別技術(shù)相對于其他識別方法有許多獨到之處,具有很高的實用性和可行性。由于指紋識別技術(shù)的廣泛應(yīng)用,人們對它的研究也日趨成熟。所以了解指紋識原理,懂得如何設(shè)計指紋識別系統(tǒng)顯得很有必要。由于本系統(tǒng)采用的是單片機(jī)作為主控MCU,所以在實時性,擴(kuò)展性上受到了極大的限制,但是也
16、有它自身的突出的優(yōu)點和意義,那就是以最簡單的,處理數(shù)據(jù)能低的MCU完成了指紋識別系統(tǒng)應(yīng)該具備功能。這對于我更好的理解指紋識別原理和單片機(jī)結(jié)構(gòu)功能很有幫助,這也是選題的意義所在。1.2生物識別技術(shù)概述所謂生物識別技術(shù)2就是,通過計算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計學(xué)原理等高科技手段,利用人體固有的生理特性,(如指紋、臉象、紅膜等)和行為特征(如筆跡、聲音、步態(tài)等)來進(jìn)行個人身份的鑒定。由于人體特征具有人所固有的不可復(fù)制的唯一性,這一生物密鑰無法復(fù)制,失竊或被遺忘,利用生物識別技術(shù)進(jìn)行身份認(rèn)定,安全、可靠、準(zhǔn)確。目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多生物識別技術(shù),如指紋識別、手掌幾何學(xué)識別3、虹膜識別3、視網(wǎng)膜識
17、別3、面部識別、簽名識別、聲音識別等,但其中一部分技術(shù)含量高的生物識別手段還處于實驗階段。我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步,將有越來越多的生物識別技術(shù)應(yīng)用到實際生活中。 指紋識別 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。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線的起點、終點、結(jié)合點和分叉點,稱為指紋的細(xì)節(jié)特征點。指紋識別即指通過比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點來進(jìn)行鑒別。由于每個人的指紋不同,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。 手掌幾何學(xué)識別 手掌幾何學(xué)識別就是通過測量使用者的手掌和手指(shuzh)的物理特征來進(jìn)行識別,高級的產(chǎn)品還可以識別三維圖像。靜脈(jngmi)
18、識別靜脈識別系統(tǒng)就是首先通過靜脈識別儀獲得個人(grn)靜脈分布圖,從靜脈分布圖依據(jù)專用比對算法提取特征值,通過紅外線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)字圖像存貯在計算機(jī)系統(tǒng)中,將特征值存儲。靜脈比對時,實時采取靜脈圖,提取特征值,運用先進(jìn)的濾波、圖像二值化、細(xì)化手段對數(shù)字圖像提取特征,同存儲在主機(jī)中靜脈特征值比對,采用復(fù)雜的匹配算法對靜脈特征進(jìn)行匹配,從而對個人進(jìn)行身份鑒定,確認(rèn)身份。全過程采用非接觸式。虹膜識別虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀區(qū)域,在紅外光下呈現(xiàn)出豐富的紋理信息,如斑點、條紋、細(xì)絲、冠狀、隱窩等細(xì)節(jié)特征。虹膜識別通過對比虹膜圖像
19、特征之間的相似性來確定人們的身份,其核心是使用模式識別、圖像處理等方法對人眼睛的虹膜特征進(jìn)行描述和匹配,從而實現(xiàn)自動的個人身份認(rèn)證。視網(wǎng)膜識別視網(wǎng)膜是眼睛底部的血液細(xì)胞層。視網(wǎng)膜掃描是采用低密度的紅外線去捕捉視網(wǎng)膜的獨特特征,血液細(xì)胞的唯一模式就因此被捕捉下來。視網(wǎng)膜識別的優(yōu)點就在于它是一種極其固定的生物特征,不可能受到磨損,老化等影響,因為視網(wǎng)膜是不可見的,故而不會被偽造。1.3指紋識別技術(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。該特征具有獨特的性質(zhì)。在指紋識別技術(shù)中的指紋(fingerprint)確切地說應(yīng)該稱作指印,即人手指的按印,如圖1。圖1 指紋19世紀(jì)(shj)初
20、,科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)指紋的兩個重要特征,一是兩個不同手指的指紋紋脊不同,二是指紋紋脊的樣式終生不變性1。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。到了20世紀(jì)(shj)60年代,由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,人們開始研究利用計算機(jī)來處理指紋,從那時起自動指紋識別系統(tǒng)AFIS(Automated Fingerprint Identification System)在法律方面的研究和應(yīng)用在許多國家展開。20世紀(jì)80年代,個人電腦、光學(xué)采集技術(shù)的發(fā)展,使他們(t men)成為取像的工具,從而使指紋識別在其他領(lǐng)域得以應(yīng)用,比如代替IC卡。90年代后期,低價位取像設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展,可靠的比對算法的發(fā)現(xiàn)為個人
21、身份識別應(yīng)用的增長提供了舞臺。21世紀(jì),指紋識別技術(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。相對于其他身份鑒定技術(shù),指紋識別技術(shù)之所以優(yōu)于其他身份鑒定技術(shù)而被廣泛采用的原因是指紋具有以下基本性質(zhì)4:1指紋是獨一無二的,兩人之間不存在著相同的指紋:2指紋是相當(dāng)固定的,不會隨年齡、健康狀況的變化而改變;3指紋樣本易于采集,難以偽造,便于開發(fā),實用性強(qiáng);4每個人十指的指紋皆不相同,可以利用多個指紋構(gòu)成多重口令,提高系統(tǒng)的安全性;5指紋識別中使用的模板并非最初的指紋圖像,而是由圖像提取的關(guān)鍵特征,使所需存儲的信息量減小,而且在實現(xiàn)異地確認(rèn)時,可以大大減少網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān),支持網(wǎng)絡(luò)功能。可
22、以看出,指紋識別技術(shù)相對于其他識別方法有許多獨到之處,具有很高的實用性和可行性。因此,指紋識別成為最流行、最方便、最可靠的身份認(rèn)證方式,己經(jīng)在社會生活的諸多方面得到廣泛應(yīng)用。指紋識別技術(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)。嵌入式系統(tǒng)是一個相對獨立的、完整的系統(tǒng),它不需要連接其他設(shè)備或計算機(jī)就可以獨立完成其設(shè)計的功能,其功能比較單一,如指紋門鎖、指紋考勤終端等。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),并且可以多個系統(tǒng)共享指紋識別設(shè)備,可以建立大型的數(shù)據(jù)庫,當(dāng)然,由于需要連接計算機(jī)才能完成指紋識別的功能,限制了這種系統(tǒng)在許多方面的應(yīng)用。1.4指紋識別研究現(xiàn)狀我國在研
23、制指紋自動識別系統(tǒng)方面起步較晚,直到80年代初才開始進(jìn)行,近幾十年來,國內(nèi)外越來越多的研究機(jī)構(gòu)和人員在對指紋識別的各個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究;越來越多的公司從事指紋身份鑒別產(chǎn)品的開發(fā)和銷售。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來看,自動指紋識別系統(tǒng)已經(jīng)由大型計算機(jī)處理、微機(jī)處理發(fā)展到嵌入式處理階段。國內(nèi)外眾多指紋識別研究機(jī)構(gòu)和公司廠商都已將嵌入式指紋識別系統(tǒng)作為研究開發(fā)的重點,并推出了部分產(chǎn)品,已經(jīng)體現(xiàn)了當(dāng)前的一個重要發(fā)展趨勢。目前,雖然許多商業(yè)機(jī)構(gòu)報告了自己的系統(tǒng)的較低的錯誤率,但國內(nèi)外沒有專門檢測機(jī)構(gòu)對自動指紋識別系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、統(tǒng)一、權(quán)威的評價。并且各個自動指紋識別系統(tǒng)在測試時使用的數(shù)據(jù)庫在容量、指紋質(zhì)量方面各
24、不相同,測試方案也差別較大,所以各系統(tǒng)間的可比性差。1.5論文(lnwn)內(nèi)容安排本文以指紋識別系統(tǒng)的指紋識別原理和硬件設(shè)計、制作為研究主體,針對指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計提出多種設(shè)計方案。選擇了其中較為可行的方案,并制作和調(diào)試電路板。具體的章節(jié)(zhngji)和各章的內(nèi)容安排如下:第一章:在介紹本論文的課題(kt)背景和意義,并簡述了生物識別和指紋識別技術(shù),以及指紋識別研究現(xiàn)狀,確定了本文所做的主要工作。第二章:對研究對象指紋進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,然后說明了自動指紋識別系統(tǒng)的原理。第三章:介紹了指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計,包括設(shè)計方案,和相關(guān)器件,最后給出設(shè)計電路。第四章:闡述了在布局布線時該注意的基本
25、問題;然后描述了在調(diào)試階段遇到的問題和解決方案。第五章:對這次畢業(yè)設(shè)計做一個簡單的總結(jié)。 第2章 指紋識別基本原理2.1指紋學(xué)的基本知識2.1.1指紋的形成在皮膚發(fā)育過程中,雖然表皮、真皮,以及基質(zhì)層都在共同成長,但柔軟的皮下組織長得比相對堅硬的表皮快,因此會對表皮產(chǎn)生源源不斷的上頂壓力,迫使長得較慢的表皮向內(nèi)層組織收縮塌陷,逐漸變彎打皺,以減輕皮下組織施加給它的壓力。如此一來,一方面使勁向上攻,一方面被迫往下撤,導(dǎo)致表皮長得曲曲彎彎,坑洼不平,形成紋路。這種變彎打皺的過程隨著內(nèi)層組織產(chǎn)生的上層壓力的變化而波動起伏,形成凹凸不平的脊紋或皺褶,直到發(fā)育過程中止,最終定型為至死不變的指紋。指紋(z
26、hwn)分類(fn li)有3種基本(jbn)類型斗型、弓型和箕型。是皮下組織對指肚表皮頂壓的方向不同造就了這不同的類型。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?,F(xiàn)在,科學(xué)家已能夠通過模型再現(xiàn)那些較為常見的指紋,也能重復(fù)不太復(fù)雜的罕見指紋的形成過程。 指紋是人類手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路。指紋能使手在接觸物件時增加摩擦力,從而更容易發(fā)力及抓緊物件。是人類進(jìn)化過程式中自然形成的。依據(jù)目測程度:第一類是明顯紋,就是目視即可見的紋路。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
27、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)場中最常見的指紋。潛伏指紋往往是手指先接觸到油脂、汗液或塵埃后,再接觸到干凈的表面而留下,雖然肉眼無法看到這些指紋,但是經(jīng)過特別的方法及使用一些特別的化學(xué)試劑加以處理,即能顯現(xiàn)出這些潛伏的指紋。鑒識人員最常接觸到的指紋是潛伏紋。如果指紋是留在金屬、塑膠、玻璃、磁磚等非吸水性物品的表面,檢驗方法就比較容易。通??梢杂梅勰┓ǎx擇顏色對比大的粉末,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,來回刷掃,顯現(xiàn)指紋。如果指紋留在紙張、卡片、皮革、木頭等吸水性物品的表
28、面,必須經(jīng)過化學(xué)處理才能在化驗室顯形。2.1.2指紋的相關(guān)概念(1)指紋: 指頭表面凹凸紋線。(2)指?。?指頭凹凸紋線與承受客體接觸時留下的痕跡。(3)脊線: 是手指上的特殊的皮膚花紋的隆線。(4)谷線: 兩個脊線之間低陷的部分。(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和分叉點。(6)細(xì)節(jié)特征點間脊線數(shù):在兩個細(xì)節(jié)特征之間畫一條直線,與這條直線相交的脊線數(shù)目,就叫細(xì)節(jié)特征間脊線數(shù)。這些脊線具有平移、旋轉(zhuǎn)不變性,是指紋識別系統(tǒng)中經(jīng)常利用的一個重要特征。(7)中心點: 指紋中心點定義為最內(nèi)層弧狀脊線的上頂點,當(dāng)最內(nèi)層脊線的上凸出的部出現(xiàn)分枝點時,將分枝點定義為中心點;當(dāng)最
29、內(nèi)層脊線不是弧狀而是一條線時,則脊線的上端點定義為中心點;當(dāng)這種脊線不是一條,而是多條時,定義為最左邊一條脊線的上端點為中心點。指紋特征(tzhng)可以分為全局特征、局部特征和細(xì)微特征。全局特征包括:(i)基本紋路圖案:基本紋路圖案通常(tngchng)分為左箕型、右箕型、斗型、拱型和尖拱型,如圖2左箕型 (2)右箕型 (3)斗型 (4)拱型 (5)尖拱型圖2 各種類型的指紋(zhwn)(ii)模式區(qū): 模式區(qū)是指紋圖像上包含了總體特征的區(qū)域,從模式區(qū)上能夠辨出指紋屬于那種類型。(iii)核心點: 核心點位于指紋紋路的漸近中心,它常用作讀取指紋和比對指紋時的參考點。 (iv)三角點: 三角點
30、是指紋圖像中三角形紋路區(qū)域的中心點,離該點最近的三條指紋紋線構(gòu)成一個近似等邊三角形,三角點提供了指紋紋路計數(shù)和跟蹤的起始位置。核心點和三角點統(tǒng)稱為奇異點。(v)紋數(shù): 作為全局特征,紋數(shù)一般是指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。也有些算法用某兩個點之間的紋路數(shù)作為指紋特征,比如兩個節(jié)點之間的紋路數(shù)。局部特征包括:(i)端點:一條紋路在此終結(jié)。(ii)分叉點:一條紋路在此分成兩條或多條紋路。(iii)分歧點:兩條平行的紋路在此分開。(iv)孤立點:一條特別短的紋路,以至于成為一點。(v)短紋:一條較短但不至于成為一點的紋路。 (vi)環(huán)點:一條紋路分成兩條后又立即合成一條,這樣形成的一個小環(huán)稱為環(huán)點。(v
31、ii)橋:兩條并行的紋路在此被搭接起來。 (viii)曲率:紋路方向改變的速度。 如圖3 圖3 基本紋路(wn l)圖案2.2自動(zdng)指紋識別原理指紋是手指末端皮膚(p f)上的凹凸不平的紋路,這些紋路的存在不僅增加皮膚表面的摩擦力,使我們能夠拿起物品,而且指紋本身蘊(yùn)含大量信息。指紋在圖案、端點和交叉點上各不相同的,也就是“特征”,這些特征每個人每個手指都不相同,根據(jù)指紋的唯一性和可靠性,我們就把一個人和他的指紋一一對應(yīng)起來,通過比對指紋特征和預(yù)先保存的指紋特征,就可以驗證他的身份。自動指紋識別是通過取像設(shè)備采集指紋圖像,然后利用計算機(jī)技術(shù)提取指紋的特征數(shù)據(jù),最后通過匹配算法進(jìn)行比對識
32、別。自動識別技術(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、指紋特征值的比對等過程。首先通過指紋采集設(shè)備采集到人的指紋圖像,并對原始的圖像進(jìn)行簡單的處理,是指紋圖像的特征信息更清晰明顯。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)。特征文件存儲從指紋上找到“細(xì)節(jié)點”,也就是指紋脊線的分叉點或末梢點。有的算法把特征點和方向信息組合產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù),這些信息反映了特征點之間的關(guān)系,也有的算法處理整個指紋圖像。這些數(shù)據(jù)通常稱為模板。不管他們是怎么組成的,至今仍然沒有一種模板
33、的標(biāo)準(zhǔn),也沒有公布一種抽象的算法。最后通過計算機(jī)模糊比較的方法,把兩個指紋模板進(jìn)行比較,計算他們的相似度,最終得到這兩個指紋的匹配結(jié)果。2.3指紋識別系統(tǒng)一個完整的指紋識別過程可分為: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指紋識別過程(guchng)2.3.1指紋(zhwn)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(bocn)在機(jī)器內(nèi)部的過程。 圖像輸入設(shè)備是指紋識別系統(tǒng)的先導(dǎo)硬件,它具有圖像輸入和數(shù)字化雙重功能。目前市場常見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。光學(xué)式取像設(shè)備是根據(jù)指紋紋理和全反射原理(FTIR)設(shè)計的。指紋紋路有凹
34、凸部分即谷、脊。當(dāng)光線照在玻璃表面時,由于玻璃表面壓有指紋,射到紋路凹的部分光線發(fā)生全反射,反射光線由CCD獲得;而射到紋路凸的光線不發(fā)生全反射,由于脊和玻璃表面接觸就吸收或者散射到其他地方,這樣在CCD上就形成了指紋圖像。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。最后通過棱鏡反射出來。電容式取像設(shè)備則是由在半導(dǎo)體金屬上集合了上萬甚至十萬個電容傳感器。當(dāng)手指放在它上面時構(gòu)成了電容傳感器的另一面,由于指紋凹凸距離半導(dǎo)體不同而造成電容值不同,把電容值轉(zhuǎn)化為電壓值并記錄下來就能得到指紋的灰度圖像。由于傳感器容易受到靜電干擾
35、,易損壞,不如光學(xué)式的經(jīng)用耐磨。超聲波掃描原理是發(fā)射超聲波到指紋表面即掃描,然后再有接收設(shè)備獲取反射回來的信號,由于指紋的谷脊的阻抗不同造成接收回來的能量不同,測量后就可得到指紋的灰度圖像。超聲波掃描得到的指紋圖像是指紋的真實圖像,應(yīng)用起來方面,不受指紋上的油脂和贓物的影響,但是設(shè)備價格非常昂貴。下表是各種取像設(shè)備的性能比較:取像設(shè)備比較表比較項目光學(xué)取像設(shè)備 電容時傳感器超聲波掃描體積 大 小 中耐用性 非常耐用容易損壞 一般 成像能力干手指差,但汗多的和稍脹的手指成像模糊干手指好,但汗多的和稍脹的手指不能成像 較好耗電 較多 較少 較多成本 低 低很高表1 各種( zhn)指紋采集設(shè)備比較
36、2.3.2圖像處理(t xin ch l)在指紋采集的過程中,不可能避免噪聲的影響,圖像中的斷點,叉連很容易受到噪聲的干擾,從而影響指紋特征信息的提取。圖像處理的目的就是利用信號處理(xn ho ch l)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。一般的圖像處理過程是:增強(qiáng)濾波、二值化和細(xì)化10。增強(qiáng)濾波:通過濾波的方法消除指紋圖像中的干擾噪聲。普通的濾波方法如低通濾波、邊緣增強(qiáng)等對噪聲的濾除效果不是很好。因為指紋紋線具有一定的方向和頻率,在頻域看來就是紋線頻譜處于某一特定的位置和方向上。因此可以選用帶通濾波器。目前主流的圖像增強(qiáng)濾波算法都是基于這一原理
37、。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:固定門限和動態(tài)門限。前者整個圖像采用一個門限,對輸入圖像要求高,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,對輸入圖像要求不高。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,從而減少因為毛刺生成的偽交叉點和斷點。2.3.3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。全局特征表述了指紋紋線的走向,主要表現(xiàn)在奇異點,就是紋線方向變化較大的點,就是三角點和核心點,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)。局部細(xì)節(jié)特征主要包括了端點和分叉點,目前主要的
38、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個相鄰的像素點取值來判斷細(xì)節(jié)點的類型和位置,再通過該點和紋線的連線來計算其方向。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,根據(jù)指紋方向卻定追蹤步長。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)遇到端點和分叉點時停止并記錄。從二值圖像上提取:在二值圖像上從上到下,從左到右逆時針檢測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則認(rèn)為遇到了端點或者分叉點。2.3.4指紋(zhwn)匹配目前匹配的方法有:圖像(t xin)相關(guān)匹配、紋理特征匹配、紋線匹配和細(xì)節(jié)點匹配12。前
39、二者匹配速度快,對圖像要求不高,但是忽略了細(xì)節(jié)點特征(tzhng),因此正確性不高。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。細(xì)節(jié)特征匹配充分利用了指紋在細(xì)節(jié)點上的差異,因此簡單準(zhǔn)確得到了廣泛的應(yīng)用。細(xì)節(jié)點匹配通常把匹配模板和待匹配的細(xì)節(jié)點集對齊,設(shè)定匹配規(guī)則,統(tǒng)計二者對應(yīng)的細(xì)節(jié)點相同的個數(shù)來衡量他們的相似度。但是這種方法對細(xì)節(jié)的位移,旋轉(zhuǎn),形變較為敏感。細(xì)節(jié)點匹配的難點有:細(xì)節(jié)點提取過程中會產(chǎn)生虛假細(xì)節(jié)點、丟失真細(xì)節(jié)點,并且細(xì)節(jié)點的位置,方向可能有偏差。指紋圖像存在平移和旋轉(zhuǎn),需要尋找參考依據(jù)以便特征對齊。指紋采集過程中由于壓力不均,造成圖像的扭轉(zhuǎn),拉伸和形變。指紋之間的重合區(qū)
40、域小,相同指紋的細(xì)節(jié)點對應(yīng)關(guān)系難以確定。第3章 指紋識別系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1相關(guān)器件介紹3.1.1 STC12C5A60S2的結(jié)構(gòu)與特點STC12C5A60S2單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時鐘/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8-12倍。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,針對電機(jī)控制,強(qiáng)干擾場合。1.增強(qiáng)型8051 CPU,1T,單時鐘/機(jī)器周期,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051;2.工作電壓:STC12C5A60S2系列工作電壓:5.5V-3.3V(5V單片機(jī))3.工作頻率范圍:0 - 35M
41、Hz,相當(dāng)于普通8051的 0420MHz;4.用戶應(yīng)用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié);5.片上集成1280字節(jié)RAM;6.通用I/O口(36/40/44個),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I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA,但整個芯片最大不要超過55 mA;7. ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程),無需(wx)專用編程器,無需專用仿真器 可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序,數(shù)秒即可完成一片
42、;8.有EEPROM功能(gngnng)(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM);9. 看門狗;10.內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體(jngt)12M以下時,復(fù)位腳可直接1K電阻到地);11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器,5V單片機(jī)為1.32V,誤差為+/-5%,3.3V單片機(jī)為1.30V,誤差為+/-3%;12.時鐘源:外部高精度晶體/時鐘,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,可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘,常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為:5.0V單片機(jī)為:11MHz15.5MHz
43、,3.3V單片機(jī)為:8MHz12MHz,精度要求不高時,可選擇使用內(nèi)部時鐘,但因為有制造誤差和溫漂,以實際測試為準(zhǔn);13.共4個16位定時器 兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1,沒有定時器2,但有獨立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器;14. 2個時鐘輸出口,可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘,可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘;15.外部中斷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/P3.2,INT1/P3.3,T
44、0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設(shè)置到P4.3);16. PWM(2路)/PCA(可編程計數(shù)器陣列,2路):也可用來當(dāng)2路D/A使用也可用來再實現(xiàn)2個定時器也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持);17.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC,共8路,轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(UART),由于STC12系列是高速的8051,可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口;19. STC12C5A60S2系列有雙串口,后綴有S2標(biāo)志
45、的才有雙串口,RxD2/P1.2(可通過(tnggu)寄存器設(shè)置到P4.2),TxD2/P1.3(可通過寄存器設(shè)置到P4.3);20.工作溫度范圍(fnwi):-40 - +85(工業(yè)(gngy)級) / 0 - 75(商業(yè)級)21.封裝:PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不夠時,可用2到3根普通I/O口線外接 74HC164/165/595(均可級聯(lián))來擴(kuò)展I/O口, 還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口,或用雙CPU,三線通信,還多了串口。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)中包含中
46、央處理器(CPU)、程序存儲器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)、定時/計數(shù)器、UART串口、串口2、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。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,可稱得上一個片上系統(tǒng)。圖6 STC12C5A60S2內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖(kungt)3.1.2指紋識別模塊(m kui)FM-180FM-180 亮背景光學(xué)頭指紋識別設(shè)備采用(ciyng)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等項功能。和同類指紋產(chǎn)
47、品相比,F(xiàn)M-180 指紋識別設(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。 價格低廉設(shè)備采用自行開發(fā)的光學(xué)采集頭,成本大幅降低。 算法性能優(yōu)異FM-180 指紋識別設(shè)備算法根據(jù)光學(xué)頭成像原理另行設(shè)計。算法對變形、質(zhì)量差指紋均有較好的校正和容錯性能。 簡單易用方便擴(kuò)充無需具備指紋識別專業(yè)知識即可應(yīng)用。按照FM-180 指紋識別設(shè)備提供的豐富控制指令,可自行開發(fā)出功能強(qiáng)大的指紋識別應(yīng)用系統(tǒng)。 使用方便可直接(zhji)連在PC的USB口上使用,無需任何其它轉(zhuǎn)接設(shè)備。系統(tǒng)(xtng)參數(shù):F180 性能參數(shù)表序號指標(biāo)項目技
48、術(shù)參數(shù)測試條件 1供電電壓DC3.66.0V 2正常工作電壓120mA 3峰值電流150mA 4指紋錄入時間1.0s 5 1:1比對時間1.0s特征提取+指紋比對 6 1:900搜索時間2s 7指紋存儲數(shù)量最多支持960枚 8認(rèn)假率0.001% 9拒真率1.5% 10指紋模板大小512bytes 11外部接口UART表2 FM-180 參數(shù)表該模塊采用的是PS1802一款高性能通用(tngyng)DSP 控制器,同時也是一款全功能的指紋識別系統(tǒng)芯片(SOC),工作主頻為120MHz,峰值運算能力達(dá)到480MIPS,內(nèi)嵌156KB RAM,96KB ROM,功耗小于150mW(120MHz)。外
49、部標(biāo)準(zhǔn)接口:模塊與用戶設(shè)備的接口都采用同一個單排插座/針(分體式為5芯2.0間距、一體式為4芯1.27間距)。用戶無特殊要求時,所提供的用戶接口引線長度為150mm。模塊與用戶設(shè)備的串行通訊時,接口J1引腳定義如下:FM-180 引腳功能表引腳號名稱 類型 功能描述 1VCC IN電源正輸入端(顏色:紅) 2 TXD OUT串行數(shù)據(jù)輸出。TTL邏輯電平。(顏色:綠) 3 RXD IN串行數(shù)據(jù)輸入。TTL邏輯電平。(顏色:白) 4 GND 信號地。內(nèi)部與電源地連接。(顏色:黑)表3 引腳功能 圖7 FM-180實物圖FM-180在FLASH 中開辟(kip)了一個512 字節(jié)的存儲區(qū)域作為用戶記
50、事本,該記事本邏輯上被分成16 頁,每頁32 字節(jié)。上位機(jī)可以通過PS_WriteNotepad 指令和PS_ReadNotepad 指令訪問任意一頁。注意寫記事本某一頁的時候,該頁32 字節(jié)的內(nèi)容被整體寫入,原來的內(nèi)容被覆蓋。FM-180是完整的指紋識別模塊,不需掛接任何(rnh)外圍部件,模塊始終處于從屬地位(Slave mode),主機(jī)(Host)需要通過不同的指令讓模塊完成各種功能。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。主機(jī)必須按照規(guī)定的格式封裝要發(fā)送的指令或數(shù)據(jù),也必須按規(guī)定的格式解析收到的數(shù)據(jù)包。3.1.3 12864液晶(yjng)顯示器介紹1286
51、4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。內(nèi)部自帶中文字庫,其顯示分辨率為12864,內(nèi)置8192個1616點漢字,和128個16*8點ASCII字符集。該模塊接口方式靈活簡單,有方便操作的指令??蓸?gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面??娠@示84行1616點陣的漢字。也可完成圖形顯示。而且具有低電源電壓功耗小的優(yōu)點。模塊接口說明液晶管腳功能表管腳號管腳名稱電平管腳功能描述 1VSS0V電源地 2VCC3.0+5V電源正 3V0 -對比度(亮度)調(diào)整 4RS(CS)H/LRS=“H”,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù) 5R/W(SID)H/LR/W
52、=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR 6E(SCLKH/L 使能信號7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH:8位或4位并口方式,L:串口方式(見注釋1)16NC-空腳17/RESETH/L復(fù)位端,低電平有效(見注釋2)18VOUT-LCD驅(qū)動電壓輸出端19AVDD背光源正端(+5V)(見注釋3)20KVSS背光源負(fù)端(見注釋3)表4 1286
53、4引腳功能(gngnng)*注釋1:如在實際(shj)應(yīng)用中僅使用串口通訊模式,可將PSB接固定低電平,也可以將模塊上的J8和“GND”用焊錫短接。*注釋2:模塊內(nèi)部接有上電復(fù)位(f wi)電路,因此在不需要經(jīng)常復(fù)位的場合可將該端懸空。*注釋3:如背光和模塊共用一個電源,可以將模塊上的JA、JK用焊錫短接。3.2功能描述基于單片機(jī)的指紋識別系統(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、指紋對比、搜索和模板儲存等功能的智能型模塊。通過集成指紋識別模塊,可以構(gòu)成一個獨立的指紋識別系統(tǒng),完成上述功能。該系統(tǒng)的控制
54、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容量上不及DSP,但是51系列單片機(jī)的性價比高,另外就是它的功耗低,在空閑狀態(tài)時可以通過軟件設(shè)置成省電模式??臻e狀態(tài)時,CPU暫停工作,中斷系統(tǒng)、串口及定時器模塊繼續(xù)工作。通過外圍電路實現(xiàn)了較為復(fù)雜的系統(tǒng)功能。3.3系統(tǒng)(xtng)硬件概述指紋識別系統(tǒng)主要包括:單片機(jī)最小系統(tǒng)、指紋采集部分、指紋存儲部分、液晶顯示部分、蜂鳴器、通信電路、按鍵和電源組成(z chn)。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),它是整個部件的控制核心。電源采用市場上市電轉(zhuǎn)5V的直流電源。液晶和蜂鳴器作為整個
55、系統(tǒng)對用戶的一個反饋,用于顯示結(jié)果和指紋識別過程中對用戶的操作提示。至于關(guān)鍵的指紋采集和指紋存儲,它的選擇直接影響整個系統(tǒng)的效果,下一節(jié)將介紹有關(guān)于這方面的選擇,這里就不做介紹。圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(kungt)3.4方案設(shè)計根據(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)于三種實現(xiàn)指紋識別的設(shè)計方案,下面將一一為大家介紹。根據(jù)設(shè)計題目基于單片機(jī)的指紋系統(tǒng)的設(shè)計,可知,系統(tǒng)采用的是單片機(jī)最為控制器件,對比DSP、FPGA它具有低功耗、性價比高的優(yōu)點。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)大,給用戶
56、擴(kuò)展空間大。(1)方案一指紋采集部分是采用指紋考勤機(jī)易通R-58A的光學(xué)采集頭OV7620,由于是采用的是從廢舊指紋考勤機(jī)拆解下來的采集頭,通過觀察,該采集頭共有16跟輸入輸出線。我們在網(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線的作用。后來我們?nèi)y試,唯一確定的是電源線和地線,8根數(shù)據(jù)線,剩下的控制信號線,不能確定其作用。由于采集頭是整個指紋采集系統(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。所以該方案雖然可以節(jié)約成本,但是具體實行難度頗大。方案(fng n)二指紋采集的部分是選用富士通的電容式傳感器FPS200。FPS2
57、00是由256*300的傳感器陣列組成的,支持三種數(shù)據(jù)傳輸方式:8位的系統(tǒng)總線、集成(j chn)的全速USB和集成的SPI??梢酝ㄟ^MODE0,MODE1的組合方式選擇不同的接口方式。豐富的接口方式方便了指紋傳感器的調(diào)試和使用。它具有500DPI的分辨率,能進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。通過FPS200采集出來的一個指紋大小大概在75KB左右,而51單片機(jī)最多片外擴(kuò)展64KB。當(dāng)然也可以擴(kuò)展大于64KB的存儲空間,那就是(jish)占用51單片機(jī)的P1口作為多余的地址線。這樣出現(xiàn)一個問題就是不能同時選中FPS200和存儲器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。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)
58、存儲和處理指紋,從機(jī)2負(fù)責(zé)存儲處理后的數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖9:圖9方案三硬件結(jié)構(gòu)框圖工作過程:當(dāng)有手指按在傳感器上時,F(xiàn)PS200給主機(jī)一個中斷信號,開始傳送經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化的指紋數(shù)據(jù),接著把接收的數(shù)據(jù)通過串行通信的方式傳送到從機(jī)1,從機(jī)1把數(shù)據(jù)存儲在RAM中;接著從機(jī)1就處理指紋數(shù)據(jù),最后又把處理后的指紋數(shù)據(jù)傳給從機(jī)2寫入SRAM中固化下來,形成一個指紋數(shù)據(jù)庫。當(dāng)需要驗證時從機(jī)1,2通信,比對處理后的指紋是否一樣。通過分析該方案較為繁瑣,其中涉及到多機(jī)通信的問題,以及速率傳輸?shù)膯栴}。通過理論計算如果采用51單片機(jī)就僅采集一個指紋就需要耗時8秒左右,過程必須保證手指在傳感器不能移動。主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)
59、采用的是串行通信耗時更是遠(yuǎn)大于8秒。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。FS200這片指紋傳感器價格相當(dāng)昂貴,零售價在300元以上,綜合上述原因,該方案可行性低。方案(fng n)三指紋采集(cij)部分是用的是FM180指紋識別模塊。該模塊集成了圖8所示的指紋采集和指紋存儲,并且能夠完成指紋特征提取,比對,驗證等功能。該模塊使得指紋識別系統(tǒng)變得簡單化。并且它的信號線就4根,電源線,地線,TXD,RXD使用起來非常方便。工作過程:手指按在模塊上時(shn sh),單片機(jī)發(fā)送采集指令,指紋就采集到模塊內(nèi)并存儲起來,接下來單片就發(fā)送提取指紋特征指令
60、給模塊,由于識別模塊內(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、比對、刪除等功能操作。這些操作都是通過單片發(fā)送指令完成的。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別的功能。FM180該模塊的市場價格在200元左右,雖然仍然很貴,但是同比市場上的指紋采集部分的芯片,它的性價比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。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單,能方便的實現(xiàn),性價比高。3.6 通訊協(xié)議3.6.1 單片機(jī)和FM180的通信通信有并行通信和串行通信兩種方式。在多微機(jī)系統(tǒng)以及現(xiàn)代測控系統(tǒng)中信息的交換多采用串行通信方式。并行通信通常是將數(shù)據(jù)字
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