dsp原理及應(yīng)用課程設(shè)計--- 基于dsp的指紋生物特征識別統(tǒng)的設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計 說 明 書</p><p>　　題 目： 基于DSP的指紋生物特征識別統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　課 程： DSP原理及應(yīng)用課程設(shè)計</p><p>　　院 （部）： 信息與電氣工程學院</p><p>　　專 業(yè)： 電子信息

2、工程</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要························

3、83;····································&

4、#183;····································

5、;····································

6、83;····II</p><p>　　1 設(shè)計目的···························

7、····································

8、3;····································&#

9、183;··························1</p><p>　　2 設(shè)計要求·····

10、····································

11、3;····································&#

12、183;····································

13、············1</p><p>　　3 設(shè)計內(nèi)容···················

14、3;····································&#

15、183;····································

16、··································2</p><

17、;p>　　3.1 DSP與指紋生物特征技術(shù)概述································&#

18、183;····································

19、·········· ·····2</p><p>　　3.1.1DSP處理器概述···············&#

20、183;····································

21、····································

22、3;······ ······ 2</p><p>　　3.1.2指紋生物特征識別技術(shù)·················

23、83;····································&

24、#183;···························· ····· 3</p>&l

25、t;p>　　3.2方案設(shè)計··································

26、····································

27、3;····································&#

28、183;·· ··········5</p><p>　　3.3器件選型··················

29、3;····································&#

30、183;····································

31、··················· ·········7</p><p>　　3.3.1DSP處理器選擇 ··&

32、#183;····································

33、;····································

34、83;················ ·······7</p><p>　　3.3.2指紋傳感器選擇·······

35、····································

36、3;····································&#

37、183;··········· ·······8</p><p>　　3.3.3存儲器選擇 ············

38、····································

39、3;····································&#

40、183;····················10</p><p>　　3.4硬件設(shè)計··········

41、3;····································&#

42、183;····································

43、····································11&l

44、t;/p><p>　　3.4.1電源設(shè)計·······························

45、3;····································&#

46、183;····································

47、······11</p><p>　　3.4.2存儲器設(shè)計·························

48、;····································

49、83;····································&

50、#183;······· 12</p><p>　　3.4.3 指紋采集模塊設(shè)計 ······················

51、;····································

52、83;·······························13</p><p>　　3.3.4

53、 其他模塊設(shè)計 ···································&#

54、183;····································

55、··························14</p><p>　　3.5軟件設(shè)計·····&#

56、183;····································

57、····································

58、3;····································&#

59、183;····15</p><p>　　總結(jié)與致謝···························

60、····································

61、3;····································&#

62、183;·························18</p><p>　　參考文獻······&

63、#183;····································

64、;····································

65、83;····································&

66、#183;·············19</p><p>　　附錄··················&#

67、183;····································

68、····································

69、3;····································&#

70、183;··········20</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　指紋識別系統(tǒng)是指使用取像設(shè)備讀取指紋圖像，通過識別軟件提取出指紋圖像中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得出的結(jié)果鑒別指紋所有人身份的生物識別的一套由硬件和軟件組合的裝置。指紋識

71、別技術(shù)是通過計算機實現(xiàn)的身份識別手段，也是當今應(yīng)用最為廣泛的生物特征識別技術(shù)之一。在過去主要應(yīng)用于刑偵系統(tǒng)。近幾年來已逐漸走向民用市場。同時，民用市場也對指紋識別技術(shù)提出了具有小型化、廉價的指紋采集設(shè)備，高速計算平臺，更高的識別準確率的要求，以滿足各種不同應(yīng)用的需求。目前，指紋識別主要應(yīng)用在考勤、門禁、保險箱柜等領(lǐng)域，將向身份證，機動車，家居等更多的領(lǐng)域發(fā)展。隨著科技的進步，個人電腦和光學掃描儀兩項技術(shù)不斷革新，指紋識別技術(shù)不斷發(fā)展，為

72、指紋識別技術(shù)的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。</p><p>　　本設(shè)計做作的是一個基于DSP的指紋生物特征識別系統(tǒng)。由于系統(tǒng)要存儲很多指紋模板，而且要留出一部分空間用于代碼的執(zhí)行，實現(xiàn)指紋的匹配，所以要外擴存儲器。其實，指紋識別就是模式識別的過程，指紋圖像識別部分的算法主要通過DSP ( TMS320C6713 ) 芯片來完成。本系統(tǒng)有MBF200采集指紋并轉(zhuǎn)化成八位數(shù)字量，DSP根據(jù)指紋識別算法，對其進行運算，提取

73、指紋特征，進而與模板匹配。匹配成功則在上位機提示匹配成功，顯示指紋及指紋信息；如果匹配失敗，則在上位機提示匹配失敗，只顯示采集到的指紋。</p><p>　　關(guān)鍵詞：指紋；DSP；MBF200；模式識別</p><p><b>　　設(shè)計目的</b></p><p>　　指紋識別已經(jīng)有了很長一段時間的歷史，指紋識別技術(shù)是通過計算機實現(xiàn)的身份識別手

74、段，也是當今應(yīng)用最為廣泛的生物特征識別技術(shù)。在過去主要應(yīng)用于刑偵系統(tǒng)。近幾年來已逐漸走向民用市場。同時，民用市場也對指紋識別技術(shù)提出了具有小型化、廉價的指紋采集設(shè)備，高速計算平臺，更高的識別準確率的要求，以滿足各種不同應(yīng)用的需求。目前，指紋識別主要應(yīng)用在考勤、門禁、保險箱柜等領(lǐng)域，將向身份證，機動車，家居等更多的領(lǐng)域發(fā)展。隨著科技的進步，個人電腦和光學掃描儀兩項技術(shù)不斷革新，指紋識別技術(shù)不斷發(fā)展，為指紋識別技術(shù)的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。

75、目前，指紋鑒定已經(jīng)被官方所接受在法律界成為一種有效的身份鑒定手段。</p><p>　　如何正確提取特征和實現(xiàn)正確匹配，是指紋識別技術(shù)的關(guān)鍵。指紋識別技術(shù)涉及圖像處理、模式識別、機器學習、計算機視覺、數(shù)學形態(tài)學、小波分析等眾多學科。本文將設(shè)計一個基于DSP的模式識別系統(tǒng)。</p><p><b>　　2 設(shè)計要求</b></p><p>　　指

76、紋傳感器提供指紋圖像給DSP，DSP系統(tǒng)對照存儲的指紋模板對捕捉的指紋圖像進行處理，一旦匹配成功，DSP系統(tǒng)通過RS-232標準串口或USB標準，向上位機（PC機）用可視圖像或者音頻信號，通知使用者或認證系統(tǒng)識別成功。</p><p><b>　　3 設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　3.1 DSP與指紋生物特征識別技術(shù)概述</p><p>

77、;　　3.1.1DSP處理器概述</p><p>　　DSP(Digital signal Processors)芯片，即數(shù)字信號處理芯片，是一種進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其特有的穩(wěn)定性、可重復(fù)性、可大規(guī)模集成，特別是可編程性高和易于實現(xiàn)自適應(yīng)處理等特點，給數(shù)字信號處理的發(fā)展帶來了巨大機遇，并使信號處理手段更靈活，功能更復(fù)雜，其應(yīng)用領(lǐng)域也拓展到國民經(jīng)濟生活的各個方面。DSP芯片一般具有如下主要特點：<

78、/p><p>　　●在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；</p><p>　　●程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；</p><p>　　●片內(nèi)具有快速，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；</p><p>　　●具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；</p><p>　　●快速的中斷處理和硬件I／O

79、支持；</p><p>　　●具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；</p><p>　　●可以并行執(zhí)行多個操作；</p><p>　　●支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以并行執(zhí)行。</p><p>　　DSP芯片可以按照下列三種方式進行分類：</p><p><b>　　按基礎(chǔ)特性分</b

80、></p><p>　　這是根據(jù)DSP芯片的工作周期和指令類型來分類，如果有兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的及其代碼機管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則這類DSP芯片稱為一致性DSP芯片。</p><p><b>　　按數(shù)據(jù)格式分</b></p><p>　　這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類。數(shù)據(jù)以定點格式工作的DSP芯片稱為定點

81、DSP芯片。而浮點DSP芯片所采用的浮點格式不完全一樣，有的DSP芯片采用白定義的浮點格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標準浮點格式。</p><p><b>　　按用途分</b></p><p>　　按照DSP的用途來分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。通用型DSP芯片適合普遍的DSP應(yīng)用。專用DSP芯片是為特定的DSP運算設(shè)計的，更適合特殊的運算，如數(shù)

82、字濾波、卷積和FFT。</p><p>　　3.1.2指紋生物特征識別技術(shù)</p><p>　　指紋，具有終身不變性、唯一性和方便性。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。相對于人體其它的生物特征而言，指紋在唯一性、永久性方面有著明顯得優(yōu)勢：科學研究發(fā)現(xiàn)，兩枚指紋完全相同的概率極小，可以認為世界上沒有兩個人會有完全相同的指紋；而且每個人的指紋會保

83、持終生不變，指紋由皮膚表面死亡的角質(zhì)細胞堆積而成，即使磨損，只要不傷及真皮，也能重新長出。另外，指紋的應(yīng)用是非常方便、可靠的，并且不會對人體構(gòu)成侵犯，用戶接受程度也比較高?；谝陨咸攸c，指紋識別技術(shù)在社會安全、信息安全、金融安全、個人安全以及防偽領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎成為生物特征識別的代名詞。</p><p>　　紋線的起點、終點、結(jié)合點和分叉點，稱為指紋的細節(jié)特征點。指紋識別即指通過比較不同指紋的細節(jié)特征點

84、來進行鑒別。傳統(tǒng)的指紋識別運用局限在法律用途，而且是以人工肉眼比對，十分費時。從八十年代開始，各國政府己將指紋卡輸入大型電腦代替人工比對，且全球已累積到一億張以上的數(shù)量。然而這些資料是先以油墨沾印到指紋卡，再掃描進電腦。指紋品質(zhì)多半不夠好，有時甚至在犯罪現(xiàn)場上采到清晰的指紋，也會因建檔的指紋資料模糊，而無法找出嫌犯。目前的技術(shù)發(fā)展，已有足夠能力取得高品質(zhì)的活體指紋影像，且在建檔及傳輸上完全電腦化，足以解決上述的窘境。</p>

85、<p>　　指紋識別技術(shù)的基本原理</p><p>　　指紋識別技術(shù)是指使用取像設(shè)備讀取指紋圖像，通過識別軟件提取出指紋圖象中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得出的結(jié)果鑒別指紋所有人身份的生物識別技術(shù)。</p><p>　　指紋識別系統(tǒng)主要有兩種方法，連接到PC的桌面應(yīng)用系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)。連接PC桌面應(yīng)用系統(tǒng)具有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，多個系統(tǒng)可以共享指紋識別設(shè)備，實現(xiàn)建立大型的數(shù)據(jù)

86、庫應(yīng)用。但由于需要連接計算機才能完成指紋識別的功能，因此限制了這種系統(tǒng)在許多方面的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)是一個相對獨立的完整系統(tǒng)，它不需要連接其他設(shè)備或計算機就可以獨立完成其設(shè)計的功能。例如指紋門禁系統(tǒng)和指紋考勤機就是嵌入式系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有速度快、體積小、接口多、價格低、保密性強等優(yōu)點被應(yīng)用在各種領(lǐng)域。</p><p>　　指紋處理識別主要涉及指紋圖像采集、指紋圖像處理、特征提取、特征匹配等過程。首先，通過指紋取像設(shè)

87、備讀取得到指紋的數(shù)字圖像，并對原始圖像進行初步處理，使之更清晰。然后，指紋識別算法將建立指紋圖像的特征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的集合通常稱為模版。進行指紋識別時，由計算機對預(yù)存的模版與當前獲得的特征數(shù)據(jù)進行比較，計算出它們的相似程度，從而得到兩幅指紋圖像的匹配結(jié)果?？梢?，指紋識別過程實質(zhì)上是一個圖像識別過程。</p><p><b>　　指紋處理算法</b></p><p>　

88、　在本系統(tǒng)中所采用的指紋處理流程主要有以下幾個步驟：</p><p>　　1) 原始指紋圖像數(shù)據(jù)來源于MBF200指紋傳感器，采集象素尺寸為300X256。</p><p>　　2) 濾波：由于指紋頭采集到的數(shù)據(jù)受到傳輸線路和物理器件的干擾，不可避免的存在噪聲。比較明顯的是椒鹽噪聲，所以對采集到數(shù)據(jù)(象素值小于17)進行了中值濾波。(實踐表明該濾波器能有效除掉椒鹽噪聲)</p>

89、<p>　　3)圖像分割：區(qū)分指紋和背景區(qū)域。在300X256模式下，指紋區(qū)域只是占整個采集圖像的一部分，并且在指紋區(qū)域，有些地方的紋線比較模糊(比如污跡……)，必須將其視作背景，以免產(chǎn)生偽特征。</p><p>　　4)在指紋的局部區(qū)域，紋線保持相同的方向。求出指紋在每個區(qū)域的方向信息，此信息對后面的求紋線寬度和增強有著重要的作用。算法中將指紋分割成7×7的塊，然后求得每一塊的方向信息。

90、對所得方向信息進行量化，得到8個方向值。在某些位置，由于噪聲的干擾或圖像質(zhì)量本身的問題，初次求得的方向信息不準確，需要根據(jù)周圍的方向信息對其進行修正。</p><p>　　5)脊線寬度：沿著指紋脊線垂直的方向，根據(jù)灰度變化特性，求出每一塊的指紋脊線寬度。</p><p>　　6) 根據(jù)指紋的方向信息和紋線寬度信息，將象素值為0～255的灰度圖像變換成象素值為0和255的二值圖像。其中，象素

91、值為0的地方表示指紋的脊線，象素值為255的地方表示指紋的谷線。</p><p>　　7) 細化：二值圖像中，指紋的脊線寬度(每條脊線上，垂直與脊線方向的象素個數(shù))不為l，因此，將寬度變?yōu)橐粋€象素的過程就是細化。</p><p>　　8) 后處理：由于細化算法的不完備或者二值化圖像不是很精確，所得到的細化圖像不可避免的存在一些毛刺和空洞。后處理就是消除毛刺和空洞。</p>&

92、lt;p>　　9) 特征提?。褐讣y的主要信息是端點和分叉點。</p><p>　　l0) 指紋分類：指紋的特征分為全局特征和局部特征，全局特征指描述指紋總體結(jié)構(gòu)的一些特征，如紋線的整體走向，奇異點相對位置等。這些特征最終表現(xiàn)為不同的分類，包括：拱、尖拱、左旋、右旋、螺旋五類。</p><p>　　11) 匹配：將提取的信息與指紋庫中的指紋特征信息進行比對，檢查是否存在相同的指紋。&l

93、t;/p><p><b>　　指紋匹配算法</b></p><p>　　同一指紋傳感器在不同時刻采集同一個手指的指紋，所得到圖像不可避免的存在平移和旋轉(zhuǎn)，為了匹配算法的簡單化和精確度，本系統(tǒng)的匹配算法以極坐標為參考坐標系(極坐標系的原點選取將在下文說明)。</p><p>　　在下面的闡述中，將指紋庫中的指紋信息稱為模板圖像P，輸入待匹配的圖像稱為

94、輸入圖像Q。</p><p>　　以P和M(P)分別表示一幅模板指紋和該指紋的特征點信息，Q和M(Q)分別表示輸入指紋和該指紋的特征點信息。</p><p>　　為了將直角坐標中的指紋信息轉(zhuǎn)換到極坐標，需要在P和Q中分別找出一個特征點M(P)(i)和M(Q)(j)作為參考點，并以M(Q)(j)的特征點的位置為坐標系的極點，Q中的OX軸作為極坐標系的極軸(方向：從特征點到最后采樣點)。確定極

95、坐標系后，在后續(xù)的特征點的匹配過程中，需要將M(Q)(j)變換到極坐標系中。由于一開始對M(P)和M(Q)中點的對應(yīng)關(guān)系一無所知，所以從M(P)(m)(1≤m≤m(P))和M(Q)(m)(1≤m≤m(Q))找出一對參考點。</p><p>　　指紋匹配算法步驟如下：</p><p>　　1)對于M(P)中的每個特征點M(P)(i)(1<i<=m(P))和M(Q)中的每個特征點M

96、(Q)(j)(1<j<=m(Q))，判斷他們是否是一對參考點。如果不是，繼續(xù)尋找(改變i或j的值)，直到找到一對參考點，并轉(zhuǎn)入(2)；若所有的點被判斷過但仍然沒有找到參考點，則認為兩個指紋不匹配，跳出。(軟件實現(xiàn)中，以j為外循環(huán)，i為內(nèi)循環(huán)，一個一個點的對比查找)</p><p>　　(2)以M(P)(i)和M(Q)(j)為參考點，判斷其它所有點(M(P)(m)(m≠i)和M(Q)(n)(n≠j))是

97、否為匹配點。若為匹配點，則使標記符表明這兩個特征點已經(jīng)匹配，無需再將這兩個特征點與其它特征點對比。(程序中，使jzb2[m][2]=m,jzbl[n][2]= 1，程序初始化時這兩個值都為一1)</p><p>　　(3)檢查全局變量mscore的值，看是否滿足兩幅指紋匹配的條件，若滿足，則認為兩幅指紋匹配，否則轉(zhuǎn)入(1)。</p><p><b>　　3.2 方案設(shè)計<

98、/b></p><p>　　指紋識別系統(tǒng)是一個典型的模式識別系統(tǒng)，包括指紋圖像獲取、處理、特征提取和比對等模塊。指紋識別系統(tǒng)框圖如圖1所示。 </p><p>　　圖1 指紋識別系統(tǒng)框圖</p><p>　　現(xiàn)在國內(nèi)外指紋識別大都采用基于細節(jié)特征點的指紋識別技術(shù)，即采用基于圖像處理的指紋識別算法，其中比較有代表性的有兩種。一種是基于方向濾波增強，并在指紋細化

99、圖上提取特征點的算法，另一種是直接從指紋灰度圖上提取特征點的算法。指紋識別作為一種熱門的生物識別技術(shù)受到越來越多人的關(guān)注，國內(nèi)外許多機構(gòu)和學者都采用了很多不同的算法對指紋圖像進行預(yù)處理和匹配。但有些算法會由于指紋圖像的噪音、皮膚彈性引起的非線性形變等多方面因素，導(dǎo)致在識別過程中出現(xiàn)誤差，影響識別率等。由于指紋識別要用到復(fù)雜的算法，計算量很大，所以我們選用DSP作為控制器。</p><p>　　從圖中可以看到整個系

100、統(tǒng)包括：電源模塊、DSP處理器、JTAG接口、指紋采集模塊、CPLD邏輯控制接口、存儲器、USB接口等。</p><p>　　嵌入式指紋生物特征識別系統(tǒng)主要包括嵌入式硬件、指紋算法的實現(xiàn)、應(yīng)用管理程序及邏輯。整個算法的過程如圖2所示：</p><p>　　圖2 指紋圖像處理的一般過程</p><p>　　3.3 器件選型 </p><p

101、>　　3.3.1 DSP處理器選擇</p><p>　　圖3 TMS320C6713 功能模塊和內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　美國德克薩斯儀器公司(TI)是全世界領(lǐng)先德高性能信號處理集成電路制造商，是全球主要的可編程DSP芯片供應(yīng)商之一。TMS320C6000[61系列具有非常強的高速處理能力，廣泛用于通信、圖象、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。該系列包括定點系列TMS320C62xx、TMS3

102、20C64xx和浮點系列TMS320C67xx。</p><p>　　圖3所示為TMS320C6713的內(nèi)部系統(tǒng)框圖，主要包括以下幾個部分：</p><p>　　●程序讀入及指令譯碼、分配機構(gòu)。包括指令取指單元、指令分配單元和指令譯碼單元。程序取指單元由程序總線與片內(nèi)程序存儲器相連；</p><p>　　●程序執(zhí)行機構(gòu)。包括2個對稱數(shù)據(jù)通路(A和B)、2個對稱的通用

103、寄存器組、2組對稱的功能單元(每組4個)、控制寄存器和控制邏輯以及中斷邏輯等。每組數(shù)據(jù)通路有讀入及存儲(寫入)數(shù)據(jù)總下及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器連接；</p><p>　　●芯片測試和仿真端口及其控制邏輯。</p><p>　　由于指紋處理算法大多數(shù)為浮點運算，為了方便實現(xiàn)本系統(tǒng)選用了TI公司C6000系列中的高性能32位浮點DSP-TMS320C6713作為整個系統(tǒng)的核心處理器。該芯片的主要特征如

104、下：</p><p>　　●300、225、200MHz(GDP)系統(tǒng)時鐘頻率；</p><p>　　●最高可達2400／1800 MIPS／MFLOPS；</p><p>　　●增強型甚長指令字結(jié)構(gòu)；</p><p>　　●內(nèi)部含有4K-Byte L1P第一級程序緩存(Program Cache)、4K-Byte LID第一級兩路數(shù)據(jù)緩存(

105、2．Way Data Cache)、64K-Byte L2第二級緩存、192K-Byte L2映射存儲器；</p><p>　　●32位外部存儲器接!EI(EMIF)，可以和SRAM、EPROM、FLASH、SBSRAM、SDRAM無縫連接；</p><p>　　●16個獨立的增強型直接存儲訪問控制(EDMA)；</p><p>　　●16位主機接口(HPI)：&l

106、t;/p><p>　　●兩個多通道緩沖串口。</p><p>　　3.3.2指紋傳感器選擇</p><p>　　目前指紋傳感器主要有三類：光學傳感器、硅晶體電容傳感器、超聲波掃描傳感器。</p><p><b>　　光學傳感器工作原理</b></p><p>　　光學傳感器主要是利用CCD將有深色脊和

107、淺色谷構(gòu)成的指紋圖象傳感成數(shù)字圖象。光線照射到壓有指紋的玻璃表面，光線經(jīng)玻璃射到谷的地方后在玻璃與空間的界面發(fā)生全發(fā)射，光線被反射到CCD，而射向脊的光線不發(fā)生全反射，而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，反射廣的量依賴于壓在玻璃表面指紋的脊和谷的深度和皮膚與玻璃間的油脂和水分，這樣就在CCD上形成了指紋的圖像。脊谷構(gòu)成的指紋圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，為了獲得一個實際可用的圖像，圖像的亮度需要作自動(多采用)或手工(較困難)的調(diào)整。

108、</p><p>　　由于指紋的采集是通過CCD來獲得，通常情況下嵌入式系統(tǒng)CPU的外部接口和CCD連接在時序上是不吻合的，因此還需要額外的CPLD或FPGA來配合CCD時序并將數(shù)據(jù)傳送到CPU。在硬件上實現(xiàn)起來比較麻煩。</p><p>　　硅晶體傳感器工作原理</p><p>　　硅晶體電容傳感器是1998年在市場上才出現(xiàn)的，最常見的硅電容傳感器通過電容感應(yīng)電壓

109、來捕獲指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上結(jié)合大約100，000個電容傳感器，其外面是絕緣的表面，當用戶的手指放在上面時，皮膚組成了電容陣列，硅芯片傳感器為電容陽極，手指則代表陰極，硅芯片面板與手指之間的電容被轉(zhuǎn)換成一個8-bit的灰度數(shù)字圖象。另一種晶體傳感器是壓感式的，其表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料，它們依靠指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電子信號。其他的晶體傳感器還有溫度感應(yīng)傳感器，它通過感應(yīng)壓在傳感器上的脊和遠離傳感器的谷溫度的不同

110、來獲取指紋圖象。硅晶體傳感器的獲取方式又分為以下兩種：</p><p>　　●單次觸摸型傳感器，要求手指在指紋采集區(qū)進行可靠的觸摸；</p><p>　　●滑動型傳感器，要求手指在傳感器表面擦過。</p><p>　　硅晶體電容器體積小巧，它可以集成到許多現(xiàn)有設(shè)備中，能夠生成質(zhì)量較好的指紋圖象，并且指紋錄入時不需要像光學錄入設(shè)備那樣，要求有較大面積的錄入頭。但相比光

111、學傳感器，硅晶體傳感器不足主要有：l、穩(wěn)定性方面還有待提高；2、指紋掃描區(qū)域小于光學傳感器；3、容易受到靜電影響，對于干燥指紋效果非常差。</p><p>　　超聲波傳感器工作原理</p><p>　　超聲波指紋圖像采集技術(shù)被認為是指紋采集技術(shù)中最好的一種，但在指紋識別系統(tǒng)中還不多見，成本很高，而且還處于實驗室階段。超聲波指紋取像的原理是：當超聲波掃描指紋的表面，緊接著接收設(shè)備獲取的其反射

112、信號，由于指紋的脊和谷的聲阻抗的不同，導(dǎo)致反射回接受器的超聲波的能量不同，測量超聲波能量大小，進而獲得指紋灰度圖像。積累在皮膚上的臟物和油脂對超聲波取像影響不大。所以這樣獲取的圖像是實際指紋紋路凹凸的真實反映。</p><p>　　根據(jù)對各種指紋傳感器采集質(zhì)量和性能的分析，本系統(tǒng)選用了富士通公司推出的一款固態(tài)指紋傳感器芯片MBF200。該芯片具有自動指紋檢測功能，可支持多種接口模式，設(shè)計方便。MBF200具有高性

113、能、低功耗和低成本等特點，屬于電容性傳感器。</p><p>　　MBF200芯片內(nèi)含有一個256列300行的電容傳感器陣列，分辨率為500點／英寸。其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當一個電容板，接觸的手指充當?shù)诙€電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當手指觸摸傳感器表面時，指紋的高低不平就會在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。MBF200每一

114、列有兩組采樣保持電路，指紋采集按行實現(xiàn)。在采集的過程中，首先選定一行，對該行的所有電容充電，用采樣保持電路保存電壓值，然后放電，用另一組采樣保持電路保存剩余電壓值，兩組采樣保持電路的電壓差值通過內(nèi)部8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換就獲得了一行的圖象灰度值。</p><p>　　3.3.3 存儲器選擇</p><p>　　系統(tǒng)中主要用到了三種存儲器，TMS320C6713內(nèi)部存儲器、高速的隨機動態(tài)存儲器S

115、DRAM和非易失性存儲器FLASH。在TMS320C6713內(nèi)部有256K字節(jié)的存儲器，其中的64K字節(jié)可以配置為DSP的第二級CACHE來使用，其地址分配如圖4所示。</p><p>　　由于整個系統(tǒng)程序所需要的空間遠遠大于256K字節(jié)，在L2存儲器中無法裝下。為了充分利用L2存儲器，系統(tǒng)中將64K存儲空間配置為4路CACHE，提高CPU對存儲器的訪問速度。另外由于訪問內(nèi)部存儲器比訪問外部存儲器要快得多，其余的

116、192K字節(jié)存儲空間用于存放關(guān)鍵代碼和頻繁使用的數(shù)據(jù)，以提高CPU的執(zhí)行效率。例如指紋算法的關(guān)鍵代碼。</p><p>　　由于系統(tǒng)中的指紋處理算法較為復(fù)雜，存儲一幅圖象也需要很大的容量。而且，TMS320C6713的EMIF接口支持對SDRAM的無縫連接，考慮到成本因素，本系統(tǒng)選用了SDRAM MT48LC16M16A2P-6A作為外擴存儲器。由于SDRAM和TMS320C6713的內(nèi)部RAM在掉電后會丟失，因

117、此需要非易失性存儲器在掉電后保存程序和一些初始化的數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)中通常使用Flash存儲器來保存這些數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中使用了兩片 AM29F800B來組合成32位的存儲器連接到DSP的外部存儲空間。</p><p><b>　　圖4 存儲器映射</b></p><p>　　3.4 硬件設(shè)計</p><p><b>　　3.4.1電

118、源設(shè)計</b></p><p>　　由于各芯片工作電壓不完全相同，除了+5v直流電源，本系統(tǒng)中還有需要多種電源，如：+3．3V,+1．26。因此，電路上還需要一組穩(wěn)壓器將直流+5V電壓轉(zhuǎn)換成所需的三種電壓。</p><p>　　市面上常用的電源轉(zhuǎn)換芯片一般有兩種：LDO(Low Dropout Regulator)和DC-DC開關(guān)式降壓器。</p><p&g

119、t;　　LDO為低壓差線性穩(wěn)壓芯片，是傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器的改進型產(chǎn)品。LDO的特點有：外圍電路簡單、使用方便、成本低、輸出紋波小、無電磁干擾、效率低。</p><p>　　DC-DC是實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的另一種方法，效率比線性穩(wěn)壓器高，但設(shè)計比線性穩(wěn)壓器復(fù)雜很多，外圍電路也比線性穩(wěn)壓器復(fù)雜，而且還帶有一定的電磁干擾。</p><p>　　考慮到設(shè)計的簡單實用性，本系統(tǒng)采用了TI芯片分別對DSP芯片

120、和CPLD等芯片供電。TI公司的TPS75733 電壓調(diào)節(jié)器同時為DSP提供+3.3V電源輸出；TPS54310電壓轉(zhuǎn)換芯片可以提供+1.26V電源輸出。電路連接圖如下</p><p>　　圖 5 電源連接圖</p><p>　　3.4.2存儲器設(shè)計</p><p>　　按照圖6 的接法，SDRAM被映射到DSP的CE0空間，總大小為64M字節(jié)，對應(yīng)的地址為：0x

121、8000，0000-0x8400，0000。</p><p>　　根據(jù)TMS320C6713的bootloader流程，系統(tǒng)上電后，DSP用EDMA從外部的CEl尋址空間拷貝1K字節(jié)的數(shù)據(jù)到內(nèi)部存儲空間OxO開始處，然后從內(nèi)部存儲空間OxO開始執(zhí)行，因此FLASH存儲器只能被映射到DSP的CEI空間。其硬件連接如圖7所示。兩片F(xiàn)lash大小共為4MByte，對應(yīng)的地址為Ox9000，0000--0x9040，00

122、00。</p><p>　　圖 6 SDRAM 部分連接圖</p><p>　　圖 7 flash 部分連接圖</p><p>　　3.4.3 指紋采集模塊設(shè)計</p><p>　　MBF200與TMS320C6713連接可以使用SPI接口或微處理器總線接口。SPI接口硬件連接線數(shù)量少，但編寫驅(qū)動復(fù)雜。微處理器總線接口硬件連接線數(shù)量多，但

123、編程簡單．本系統(tǒng)中選用8位微處理器總線接口來與MBF200連接。MBF200可以工作在+3．3V電源電壓條件下，總線上不需要任何緩沖，使硬件實現(xiàn)更加方便。硬件連接如圖8所示。</p><p>　　圖 8 指紋模塊連接圖</p><p>　　MBF200的片選信號由CPLD給出。MBF200使用內(nèi)部自帶振蕩器，省去釙部的晶體振蕩器。模擬電源和數(shù)字電源之間有一個PI型濾波器，濾除數(shù)字電路中的

124、電源噪聲。模擬地和數(shù)字地采用共地的方式連接。ISET引腳接一電阻到地，該電阻用于控制芯片內(nèi)部基準電流，電容放電電流為該基準電流的倍數(shù)。AIN引腳為一外部模擬輸入腳，可以通過控制寄存器來使內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集這個引腳上的電壓值。FSET引腳和地之間的電阻用于設(shè)置內(nèi)部多諧振蕩器的頻率和自動指紋探測的頻率，當電阻值為56K歐姆時內(nèi)部振蕩器頻率為12MHz，自動指紋探測頻率為120KHz。</p><p>　　3.3.4

125、 其他模塊設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計選用CPLD 作為外圍的邏輯控制，主要是來控制USB，實現(xiàn)與上位機的通信。另外還有指紋片選端、DSP復(fù)位的控制，部分連接圖如圖9 所示。USB 的主要連接如圖10所示。</p><p>　　圖 9 CPLD 連接圖 </p><p>　　圖 10 USB 連接圖</p><p>　　3.5

126、軟件設(shè)計</p><p>　　在本系統(tǒng)中，指紋圖像識別部分的算法主要通過DSP ( TMS320C6713) 芯片來完成，TMS320C6713是32 位浮點數(shù)字信號處理器,易于進行高級語言編程,動態(tài)范圍寬，精度高。</p><p>　　采用TI公司的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS 2為開發(fā)調(diào)試工具，用C/ C+ +語言編程開發(fā)?；趫D2指紋識別系統(tǒng)的工作流程圖進行軟件設(shè)計，程序流程圖如圖5所示

127、。</p><p>　　圖5 指紋識別系統(tǒng)的程序流程圖</p><p>　　把MBF200采集的256級灰度指紋圖像的灰度值輸入TMS320C6713，由于平時的工作和環(huán)境使圖像有很多噪音，比如手指被弄臟，有刀傷、疤、痕等，圖象增強就是濾波，增強脊和谷的對比度。二元化就是選取一些脊，它們真實的信息被簡單化為二元，圖像在強度層次上從原始的256色（8-bits）降為2色(1-bits)。細

128、化是將脊的寬度降為單個像素的寬度，保持原有脊的連續(xù)性，降低由于人為因素（毛刺）所造成的影響。特征提取過程是根據(jù)預(yù)處理后的圖像上每個點的交叉情況確定出端點和分叉點這兩種特征點，進一步提取出特征點相應(yīng)的坐標位置、種類、方向等有用信息。特征匹配主要解決對從兩幅給定的指紋圖像提取的特征信息集合進行匹配，判斷這兩枚指紋是否來自同一枚指紋。</p><p>　　其中指紋的采集流程如圖6所示，MBF200芯片內(nèi)部共有19個寄存

129、器，分別用于控制指紋采集和傳感器設(shè)置。外部無法直接對這些寄存器進行讀寫操作，MBF200提供了一個地址寄存器和一個數(shù)據(jù)寄存器。當輸入引腳A0為低電平時尋址地址寄存器，A0為高電平時尋址數(shù)據(jù)寄存器。讀MBF200的一個內(nèi)部寄存器時，首先向地址寄存器寫入該內(nèi)部寄存器的地址，然后從數(shù)據(jù)寄存器中讀出的就是該內(nèi)部寄存器的值；寫MBF200的一個內(nèi)部寄存器時，首先向地址寄存器寫入該內(nèi)部寄存器的地址，然后向數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)，完成后數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)

130、就被寫入到內(nèi)部寄存器中。</p><p>　　由附錄硬件連接圖的連接可知， MBF200的數(shù)據(jù)寄存器空間映射到DSP外部存儲空間地址0xb0000020，地址偏移寄存器地址Oxb0000000。MBF200初始化時需要設(shè)置下面四個寄存器：</p><p>　　●DTR(放電時間寄存器)，設(shè)置電容的放電時間；</p><p>　　●DCR(放電電流寄存器)，設(shè)置電容的

131、放電電流大??；</p><p>　　●PGC(可編程增益控制寄存器)，設(shè)置采集指紋圖像的增益；</p><p>　　●CTRLA(控制寄存器A)，啟動圖像采集控制，讀這個寄存器時讀出的值為A／D采樣的結(jié)果；CTRLB(控制寄存器B)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器狀態(tài)指示及芯片時鐘選擇。</p><p>　　在采集指紋之前必須先對這些寄存器進行初始化，設(shè)置傳感器的工作方式，調(diào)整傳感器的

132、靈敏度，為指紋采集做好準備。初始化CTRLB寄存器，設(shè)置采集指紋時行列地址自動增加以及采用內(nèi)部振蕩器。設(shè)置三個采集參數(shù)DTR、DCR和PGC。設(shè)置CTRLA來啟動一幅圖象的采集。啟動后讀取每一個象素的值前首先通過讀取CTRLB寄存器的RDY位來判斷A／D轉(zhuǎn)換是否完成。讀取CTRLA寄存器時#RD引腳的上升沿將啟動下一個象素的采集。</p><p>　　圖6 MBF200 指紋采集流程圖</p>&

133、lt;p><b>　　總結(jié)與致謝</b></p><p>　　本次設(shè)計設(shè)計的系統(tǒng)具有成本低廉(與國外同類產(chǎn)品相比)，體積小，功耗低等特點，并且可靠性、可擴展性、同時節(jié)省硬件資源、可脫機運行。但同時存在一些不足，本系統(tǒng)中的代碼是順序執(zhí)行的，匹配時間較長，對于較小的指紋模板庫（模板數(shù)在一百以內(nèi)）不會太明顯，但對于大型的指紋模板庫，可能讓人無法忍受……。</p><p&g

134、t;　　通過本次課程設(shè)計，使我對DSP開發(fā)有了一定的掌握和理解，鞏固了我在《DSP原理及應(yīng)用》課程中所學的基本理論知識和實驗技能，使我對《DSP原理及應(yīng)用》課程有了更深入的了解，熟悉了TMS320C6713 的EMIF、EDMA、GPIO的使用，了解DSP的內(nèi)部功能模塊，及內(nèi)核架構(gòu)。進一步激發(fā)了我對所學專業(yè)學習的興趣；提高了我的思考與實踐能力。</p><p>　　在設(shè)計的過程和設(shè)計說明書的撰寫過程中，老師們給予

135、了我熱心的幫助和大力的支持，給我提了諸多的寶貴意見，拓寬了我的思路。在此我向老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！</p><p>　　在我的學習過程中，xx等其它老師也給了我耐心的指導(dǎo)和幫助。我在此對各位老師表示誠摯的感謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張和生.地質(zhì)力學系統(tǒng)理論[D].太原:太原理工大學

136、.1996</p><p>　　[2] 求是科技.Java數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)實例導(dǎo)航[M].北京:人民郵電出版社.2006 </p><p>　　[3]李方慧,王飛,何佩琨．TMS320C6000系列DSPs原理與應(yīng)用(第二版)．北京；電子工業(yè)出版社，2003．</p><p>　　[4] 明日科技.Visual C++數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)案例精選.北京:人民郵電出版社.20