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1、基于D S P 的嵌入式指纹识别系统北京理工大学自动控制系霍伟姚小兰随着社会的发展，人们生活，工作的进一步电子信息化，包括金融业、电子商务，安检等领域的身份认证需求已经迅速增加。指纹因其具有唯一性和稳定性，一直是身份鉴定的可靠手段。近年来，以指纹等人体特征识别技术来代替其它个体识别技术( 如印鉴、钥匙、密码等)的研究已成为模式识别、图像处理等领域中广为关洼的热点。用计算机处理指纹一股有两种方式，即联机式和脱机式。联机式是在普通P C 机上连接一个指纹传感器，指纹算法在P C 机上执行。脱机式是把指纹传感器接在由嵌入式微控制器M C U 组成的系统上，指纹算法在M C U 上执行，也被称作嵌入武
2、指纹识别系统。联机式处理技术相对简单，但只能应用在允许安放台式机的固定场所。脱机式处理技术难J 蓬大，成本较高，但设备只有名片大小，功耗低，能脱离计算机单独工作，可应用在包括联机应用的所有场合。显然，可以脱机处理的指纹认证系统有更广阔的应用空间。在本文中，将介 绍拽_ f f 3 C - t J 用T I 公司的D S P 处理芯片构建的脱机指纹自动识别系统。指纹识别系统的基本挂架 指纹识别系统必须包括以下几个基本功能：( I ) 注册：将合法的用户的指纹特征( 指纹模板) 存放在指纹库中。( 2 ) 删除：剔除指纹库中的指定指纹模板。( 3 ) 验证：提取使用者的指纹特征与指纹库中的合法用户
3、指纹模板比对，比对结果为匹配鼍入式论艾囊嘏n1 7 9 1、j Il 。o 豫i t a _ s _ 培n 甜j P 磅s 警s 8 #( 接暖) 或不匹配( 拒绝) 。 系统功能的选择通过拨码开关来设定，通常】：作在验证状态。当使用者将手指放置在指纹传感器后，D S P 控制传感器将使用者指纹图像采人D S P ，经过指纹特征提取算法得到指纹特征，将该特征与指纹库中的指纹模板进行匹配，根据匹配结果输出控制量或信号量。指纹识别系统的核心是指纹识别算法，其主要流程如图1 所示：其中预处理和特征提取是指纹识别算法的两个主要处理过程，常见的预处理算法包括增强、：值化、细化，后处理等步骤。采集到的指纹
4、图象由于各种噪声的影响，经常包含许多噪 声，致使指纹图像模糊，指纹粘连。低质量的灰度指纹图像经过预处理以后，消除了指纹图像的不确定性，得到的是一幅经过细化的清晰的指纹图象，再通过特征提取可以得到细节点的相关信息。得到的指纹细节点信息与指纹库中已有的用户指纹模板进行匹配算法的验证，并输出结果，从而完成一个完整的识别过程。指纹识别系统的设计求脱机运行的指纹自动识别系统，可以被应用在各种不同的场合，为了使用方便，系统应该具有如下特性：( 1 ) ，体积小，容易与其他的应用结合。( 2 ) ，功耗低，可以由电池长期供电。( 3 ) ，速度快，在使用者满意的时限内，得到正确的指纹识别结果。( 4 ) ，
5、使用方便，操作简单，与其他设备的接口方便。基于以上的要求，只有合理地选择传感器M C U 及其他外围芯片，才可能得到较理想的指纹识别系统。指纹识别系统的实现D S P 芯片的选择指纹算法通常比较复杂，对硬件系统的要求比较高。传统的M C U 难以满足要求，而数字信号处理器( D S P ) 由于具有特殊的硬件结构及编程指令，有很强的数字运算能力，所以特别适合类似指纹识别这一类需要大量的数字信号处理的场合。目前，德帅仪器公司( T 1 ) ，摩托罗拉公司等许多公司都有自己的D S P 芯片，其中T I 公司的T M S 3 2 0 C 5 4 X 系列D S P 非常适合需要大量数字运算，低功耗
6、的嵌入式应用场合，该系列D S P 具有以下特点：+ D S P 内部采用改进的哈佛结构，即：程序空间和数据空间分开，允许同时取指令和取操作数，而且还允许在程序和数据空间之间相互传送数据。 + D S P 芯片内部采用多总线结构，C 5 4 X 内部有P 、C 、D 和E 等4 条总线( 每条总线包括地址总线和数据总线) ，可以在一个机器周期内从程序存储区取1 条指令，从数据存储区读2 个操作数并向数据存储区写1 个操作数，大大提高了D S P 的运行速度。- 在D S P 中，采用流水线结构，将一条指令执行所需要的取指、译码、取操作数并执行等 几个步骤同时完成，使指令周期降低到最小值+ D
7、S P 内部有多个处理单元如算术逻辑运算单元( A L U ) ，辅助运算单元( A R C U ) 、累加器( A C C ) 和硬件乘法器( M U L ) 等，它们可以在一个指令周期内同时进行运算，特别适用于F I R 和1 1 R 滤波器。我们选用的是T l 公司的T M S 3 2 0 V C 5 4 0 2 芯片，这种芯片内部有1 6 KD A R A M ，可方便的扩展外周设备，非常适合作为指纹识别的运算设备。指纹传感器的选择：d 1 8 0 箱髓m 蠢人式论文豢W 、一一一一指纹传感器是指纹识别系统的核心器件，其成像质量地好坏直接影响整个系统的性能。它 的作用是将用户的指纹读人
8、系统并转化成量化的数聿信息。常见的指纹采集方式有三 杠光学设备取像，半导体传感器取像，超声波设备取像。三类设备特点各不相同，它们的比较如下表l 所示。裹常觅传感措的特点体积耐用性成像质量功耗光学传感器大推常耐用F 手指差投多的和硝赃的手指成像模糊大中导体传感器小容易损坏f 手指好，汉多的和稍赃的手指成像模糊小超声波传感器由一般 F - g “ 好大对于脱机指纹认证系统而言，要求指纹传感器体积小，功耗低，成本低。综合以上因素，在我们开发的指纹自动识别系统中采用了V e r i d i c o m 公司的F P S l1 0 指纹传感器，F P S l l 0 指纹传感器是一种半导体电容传感器，它
9、在半导体金属阵列上集合了九万个电容传感器，其外面是绝缘的表面，当用户的手指放在上面时手指皮肤组成了电容阵列的另一极板，电容器的电容值由于导体间的距离( 指纹的脊和谷相对另一极的距离) 而不同。通过测量空间中不同的电容场得到完整的指纹图像。该指纹传感器是一个3 0 0 3 0 0 点阵、分辨率为5 0 0 D P I 的低功耗传感器件，内部集成有温度传感嚣和电阻传感器，具有活体检测功能，可以防止电子欺诈，它的面积只有1 5 c m 1 5 c m ，带有高速A ，D 转换器件，而且该芯片表面覆盖有专利保护的防护 层。可有效防止磨损、腐蚀等，增强了耐用性，非常适合用于构建一个高性能的指纹识别系统。
10、指纹数据的获得通过读写F P S l l 0 内部的若干寄存器来实现，当设置完R A H 、R A L 、C A H 、C A L 等行列选择寄存器即自动进行A D 转换。设置行列选择寄存器后，读寄存器则可以读 人被采样的相应行列的传感器的像素值。这样通过依次读写寄存器，将整幅指纹图像读人D S P 。系统的硬件构成对于D S P 应用而言，合理分配资源特别是存储资源是非常重要的，脱机指纹识别系统的存储器包括数据存储器与程序存储器，由D S P 内部的S R A M 及扩展 的S R A M ，F L A S H 构成。程序与用户指纹 模板存放干F L A S H中，运行之后程序引导至S R
11、A M 中，数据存储器主要存放采样得到的指纹数据以及指纹处理运算中的中阃数据。存储器的扩充指纹算法密切相关， 幅指纹图像需要鼍人焉雉赢纛，魏稍1 8 l 一鼍lD i g i t a lS i g n a lp r 虻e s s o r入E P L D ，由E P L D 完成译码，选通相应器件。使用E P L D 给程序硬件功能实现带来很大便利。 栽们将扩展的L E D ，L C D 按键，拨码开关等外围设备，由E P L D 接人D S P ，并由E P L D 实现蓐本的控制功能这样处理简化了D S P 软件的设计，井增强了系统的扩展性。在本= 豸；统中，利用T L l 6 C 7 5
12、0 与M A X 3 2 3 2 构成U A R T 异步通信，1 6 C 7 5 0 接人数据总线将 # 行数据转化为标准异步串行数据，经过M A X 3 2 3 2 将C M O S 电苇转换为2 3 2 的标准电平。加入串口后，使系统扩展应用更方便，不仅可以直接连接到P C 机上，而且可以应用在所有 已仃2 3 2 串口的应用场合。系统的软件设计峻系统的核心是指纹识别算法，按系统功能程序被分为校验，注册，删除三部分，其中校验程序是系统的主要程序，这是由于系统大部分时间工作于校验状态，而且注册，删除时必需 先校验，验证是否是管理员，只有通过验证才能执行注册、删除功能。下面是系统校验程序的流
13、程图：在系统软件的设计中，我们使用了T I 公司的嵌入式操作系统D S P B I O S ，系统功能作为操一1 8 2 确乾m 嵌入式论文囊作系统的几个软中断，算法程序作为标准子程序，供这些软中断调用，这样处理使程序结构清 晰，降低了程序的复杂性，提高了系统的响应时间，并改善了系统的鲁棒性与可维护性。结语该指纹识别系统，不仅成本低廉( 与国外同类产品相比) ，体积小，功耗低，而且可脱机运 行。该系统提供了标准的接口，即可以独立使用也可以方便的嵌入到多种应用场合。该系统性能稳定，可扩展性强，保证了指纹识别系统的性能。考文献 1 T M $ 3 2 0 C 5 4 XD S PC P Ua n
14、dP e r i p h e r a l s T e x a sI n s t r u m e n t s 19 9 92 F P S l l 0S o l i d S t a t eF i n g e r p r i n tS e n s o rD a t a s h e e t V e r i d i c o m I n c ，2 0 0 l 3 ，戴明桢，周建江T M s 3 2 0 c 5 4 x D S P 结构，原理及应用，北京航空航天大学出版社2 0 0 1 j 14 ，张雄伟，t 铁勇D S P 芯片的原理与开发应用( 弟2 版) ，电子工业出版社，2 0 0 0 ，9E m
15、b e d e df i n g e r p r i n ti d e n f l f ys y s t e mb a s e do nD S PA b s t r a c t ：T h i sp a p e ri n t r o d u c e sae m b e d e df i n g e r p r i n ti d e n t i f ys y s t e mb a s e do nT e x a sI n s t r u m e n t s sT M S 3 2 0 V C 5 4 0 2D S Pp r o c e s s o rh a r d w a r ea n ds o f
16、 t w a r es t r u c t u r eh a v eb e e nd e s c r i b ei nt h i sa r t i c l eE x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mh a v eag o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：e m b e ds y s t e m ，D S P ，F i n g e r p r i n t蠢人黼交囊m l l1 8 3 基于DSP的嵌入式指纹识别系统基于DSP的嵌入式指纹识别系统作者：霍伟， 姚小兰 作者单位：北京理工大学自动控制系相似文献(10条)相似文献(10条)1.学位论文 郭树强 基于ARM微处理器的嵌入式指纹识别系统设计 2006每个人的指纹在图案、断点和交叉点上都各不相同，且一般人的指纹在出生后9个月得以成型并终身不变。正是因为指纹的唯一性和终身不变性，指 纹识别技术才得以迅速的发展和广泛的应
