畢業(yè)論文--基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　2012屆本科畢業(yè)論文</p><p>　　基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　學(xué) 生 學(xué) 號(hào)： </p>

2、<p>　　所 學(xué) 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p>　　職 稱： </p><p>　　完 成 時(shí) 間： 2012年5月 </p><p&g

3、t;<b>　　摘 要</b></p><p>　　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在讓社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，也讓傳統(tǒng)的安全管理系統(tǒng)受到威脅。生物識(shí)別技術(shù)的出現(xiàn)給身份識(shí)別的研究帶來(lái)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。每個(gè)人都有著自己特有的特征，用本身的特征來(lái)驗(yàn)證身份有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。本文概述了自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和指紋識(shí)別系統(tǒng)的算法流程，以及在此基礎(chǔ)上的指紋圖像的分割算法和指紋圖像細(xì)化算法，并完成基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)硬

4、件電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　應(yīng)用TFS-M51指紋識(shí)別模塊，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的指紋識(shí)別硬件電路，形成一個(gè)獨(dú)立的指紋識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和指紋模塊之間的串口通信。通過(guò)操作獨(dú)立式鍵盤(pán)按鍵，向指紋模塊的DSP芯片發(fā)送相應(yīng)指令，從而執(zhí)行添加用戶、刪除指定用戶、刪除全部用戶、認(rèn)證用戶，以及管理用戶權(quán)限等功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：生物識(shí)別技術(shù)；指紋識(shí)別；串口通信；單片機(jī)</p

5、><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The development of science and technology made the social go forward, but at the same time it also makes the traditional safety management system under t

6、hreaten at the same time. The emergence of biometric technologies brought a rapid development for the research of identification. For everyone has their own special features, with the characteristics of itself to verify

7、identity has a unique advantage. Automatic fingerprint identification technology has been widely used in public security, such </p><p>　　With the application of TFS-M51 fingerprint module, I designed a hardw

8、are circuit system of fingerprint identification based on the MCU, in order to form an independent fingerprint identification system. The means of communication between MCU and fingerprint module in the system is based o

9、n serial communication. MCU sends a corresponding instruction to the fingerprint DSP chip module through stand-alone keyboard keys, in order to execute the functions, such as Add User, Delete the Specified User</p>

10、<p>　　Key words: Biometric technology; Fingerprint identification; Serial Communications; MCU (Microcontroller Unit)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1.緒論1</b>&l

11、t;/p><p>　　1.1.研究的背景及意義1</p><p>　　1.2.指紋識(shí)別技術(shù)1</p><p>　　1.2.1.指紋識(shí)別技術(shù)特點(diǎn)1</p><p>　　1.2.2.指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.系統(tǒng)概述3</p><p>　　2.指紋識(shí)別原理

12、4</p><p>　　2.1.指紋圖像的分割4</p><p>　　2.1.1.指紋圖像分割概述4</p><p>　　2.1.2.均值方差法4</p><p>　　2.2.指紋圖像的細(xì)化6</p><p>　　2.2.1.指紋圖像細(xì)化的預(yù)處理6</p><p>　　2.

13、3.指紋圖像的特征提取8</p><p>　　2.3.1.指紋特征提取概述8</p><p>　　2.3.2.指紋特征提取和去偽特征8</p><p>　　2.4.指紋圖像的匹配9</p><p>　　3.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)10</p>&l

14、t;p>　　3.1.1.系統(tǒng)功能簡(jiǎn)述10</p><p>　　3.1.2.系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2.系統(tǒng)核心部件單片機(jī)11</p><p>　　3.3.其他模塊電路14</p><p>　　3.3.1.電源模塊14</p><p>　　3.3.2.時(shí)鐘模塊14</

15、p><p>　　3.3.3.按鍵模塊15</p><p>　　3.3.4.顯示模塊15</p><p>　　3.3.5.復(fù)位模塊16</p><p>　　3.3.6.下載口模塊16</p><p>　　3.4.指紋模塊17</p><p>　　3.4.1.TFS-M51指紋識(shí)別

16、模塊17</p><p>　　3.4.2.TMS320VC5501 芯片18</p><p>　　4.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.1.TFS-M51指紋識(shí)別模塊指令系統(tǒng)20</p><p>　　4.1.1.通信方式20</p><p>　　4.1.2.主要通訊協(xié)議命令說(shuō)明21<

17、/p><p>　　4.2.單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.2.1.鍵盤(pán)管理及指示燈響應(yīng)程序設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.2.2.LED顯示模塊設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.2.3.通信模塊程序設(shè)計(jì)28</p><p><b>　　5.調(diào)試30</b></

18、p><p>　　5.1.單片機(jī)的程序下載30</p><p>　　5.2.串口調(diào)試30</p><p>　　6.總結(jié)和展望35</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　致 謝38</b></p><p>

19、;<b>　　附 錄39</b></p><p>　　附錄A 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖39</p><p>　　附錄B PCB圖40</p><p>　　附錄C 元器件布局圖41</p><p>　　附錄D 單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)物圖42</p><p>　　附錄E 單片機(jī)最小系統(tǒng)元器件

20、清單43</p><p>　　附錄F 程序清單44</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　研究的背景及意義</b></p><p>　　科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展為人類(lèi)的生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的便利，大大地推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。以往我們采用各種鑰匙來(lái)保護(hù)安全，如門(mén)鎖鑰匙，

21、汽車(chē)鑰匙，保險(xiǎn)柜鑰匙等；在網(wǎng)絡(luò)化的社會(huì)中，每個(gè)人都擁有大量的認(rèn)證密碼，比如設(shè)備開(kāi)機(jī)密碼、郵箱密碼、銀行密碼、論壇登陸密碼等等，但這些都是傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)所采用的方式，容易被遺忘、丟失，甚至是遭人破解，隨著社會(huì)的發(fā)展，其安全性越來(lái)越脆弱。而我們的生活隨時(shí)都需要進(jìn)行個(gè)人身份的確認(rèn)和權(quán)限的認(rèn)定。</p><p>　　生物識(shí)別技術(shù)的發(fā)展讓這一問(wèn)題得到很好地解決。指紋特征是人終生不變的特征之一，而且不同人的指紋特征相同的可能

22、性幾乎為零。人體指紋含有天然的密碼信息，它具有作為密碼信息必須具備的四個(gè)重要性質(zhì)：</p><p>　　廣泛性，指每一個(gè)正常的人都有指紋。</p><p>　　唯一性，指每一個(gè)人的指紋都不同。指紋的細(xì)節(jié)由細(xì)微紋點(diǎn)和紋線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、分叉等組成。正是這些無(wú)窮無(wú)盡的細(xì)節(jié)特征組合構(gòu)成了指紋的唯一性．事實(shí)上，甚至包括雙胞胎，世界上兩個(gè)指紋相同的概率小于1/109，幾乎為零。 </p>

23、<p>　　終生不變性，即指紋的圖案永遠(yuǎn)不會(huì)改變，從人的出現(xiàn)到死后的分解為止（除非指紋受到傷害）。</p><p>　　指紋與主體的不可分離性：即指紋不存在丟失、遺忘、被竊取的可能。</p><p>　　因此，指紋識(shí)別技術(shù)，作為一種可靠的生物識(shí)別技術(shù)，受到了人們的重視。盡管人們已經(jīng)對(duì)自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)作了深入廣泛的研究，指紋識(shí)別技術(shù)也獲得了不少應(yīng)用，但是其應(yīng)用在目前并沒(méi)有獲得普及

24、，這主要是因?yàn)橹讣y識(shí)別在識(shí)別準(zhǔn)確性和識(shí)別速度方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足很多實(shí)際應(yīng)用的要求。這就需要研究指紋識(shí)別環(huán)節(jié)中若干問(wèn)題，以助問(wèn)題的解決。</p><p><b>　　指紋識(shí)別技術(shù)</b></p><p>　　相對(duì)于其它生物識(shí)別認(rèn)證技術(shù)而言，自動(dòng)指紋識(shí)別是一種更為理想的身份確認(rèn)技術(shù)，指紋識(shí)別中使用的模板并非最初的指紋圖，而是由指紋圖中提取的關(guān)鍵特征，這樣使系統(tǒng)對(duì)模板庫(kù)的存

25、儲(chǔ)量較小。另外，對(duì)輸入的指紋圖提取關(guān)鍵特征后，可以大大減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，便于實(shí)現(xiàn)異地確認(rèn)，支持計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)功能。</p><p><b>　　指紋識(shí)別技術(shù)特點(diǎn)</b></p><p>　　指紋的使用比起其它證卡來(lái)說(shuō)更快捷、安全、準(zhǔn)確、無(wú)干擾，可實(shí)現(xiàn)快速登錄注冊(cè)，系統(tǒng)兼容性好，也就是說(shuō)可以獨(dú)立或者通過(guò)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成系統(tǒng)并且很容易并入各類(lèi)證卡和定義識(shí)別系統(tǒng)中。因此，指紋識(shí)別技

26、術(shù)的應(yīng)用范圍極廣。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，有相當(dāng)一部分要處理的指紋圖像的質(zhì)量是比較差的。指紋識(shí)別系統(tǒng)主要包括5部分：指紋圖像采集，指紋圖像預(yù)處理，指紋圖像二值化及細(xì)化，指紋特征提取和指紋特征匹配，如圖1所示。就現(xiàn)有文獻(xiàn)和產(chǎn)品來(lái)看，對(duì)低質(zhì)量的指紋圖像的處理效果還遠(yuǎn)不能令人滿意，對(duì)于質(zhì)量很差的圖像，如果不經(jīng)過(guò)特殊的增強(qiáng)處理，是很難正確地進(jìn)行特征提取的。</p><p>　　圖1

27、指紋識(shí)別流程圖</p><p>　　指紋匹配算法的性能主要取決于所提取到的特征點(diǎn)的數(shù)目、位置和相互關(guān)系的可靠性。要想設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)較多真正特征點(diǎn)缺失、較多偽特征點(diǎn)出現(xiàn)和較大形變均不敏感的指紋匹配算法，也是一件十分困難的事。計(jì)算復(fù)雜性是自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)中一個(gè)重要的研究課題。實(shí)際應(yīng)用要求最好自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)能對(duì)識(shí)別任務(wù)實(shí)時(shí)做出響應(yīng)，而讓指紋匹配算法同時(shí)達(dá)到高速度和高準(zhǔn)確率也是一個(gè)難題。</p><p&

28、gt;　　指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　指紋識(shí)別算法的研究方向主要分為：基于圖像的識(shí)別算法和基于特征的識(shí)別算法。</p><p>　　基于圖像的識(shí)別算法認(rèn)為，指紋圖像的頻域和空域信息可以用來(lái)唯一表示并識(shí)別不同的指紋，它是一種使用全局信息進(jìn)行識(shí)別的方法。這類(lèi)算法的問(wèn)題在于圖像特征難以定義和匹配，因此算法的拒識(shí)率和誤識(shí)率較高。</p><p>　　基于特征的

29、指紋識(shí)別算法是找到并比對(duì)指紋的特征。指紋特征的復(fù)雜度足以提供用于鑒別的足夠特征。目前大多數(shù)的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)使用的都是這類(lèi)算法。指紋特征多種多樣，有特征點(diǎn)、奇異點(diǎn)、域方向圖、脊線數(shù)目，甚至脊線線型等。對(duì)應(yīng)的匹配方法可以分為：基于點(diǎn)模式的匹配，基于脊線的匹配，基于紋理的匹配以及多種細(xì)節(jié)特征混合的匹配方法。</p><p>　　大多數(shù)基于特征的識(shí)別算法專(zhuān)注于脊線上的末梢點(diǎn)和分叉點(diǎn)，該方法根據(jù)各個(gè)特征點(diǎn)的位置和方向來(lái)表

30、示和區(qū)分指紋，從而使指紋識(shí)別問(wèn)題轉(zhuǎn)化為判斷兩個(gè)特征點(diǎn)集間的最大相似度(最大重合度)的問(wèn)題。提取該細(xì)節(jié)特征有多種方法：基于灰度指紋圖像直接提取，基于二值圖像的特征提取，基于細(xì)化圖像的特征提取。</p><p>　　目前許多公司和研究機(jī)構(gòu)在指紋識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域都取得了突破性的進(jìn)展，推出許多指紋識(shí)別與傳統(tǒng)IT技術(shù)完美結(jié)合的應(yīng)用產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)被越來(lái)越多的用戶所認(rèn)可。中科院自動(dòng)化所智能生物信息系統(tǒng)研究組和北京數(shù)字指通軟件技

31、術(shù)有限公司對(duì)自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期的理論研究和應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，指紋圖像的識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別速度已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。另外，一些公司和機(jī)構(gòu)結(jié)合社會(huì)應(yīng)用的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)了各種類(lèi)型的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式指紋識(shí)別模塊、指紋應(yīng)用系統(tǒng)軟件等，用戶反映良好。指紋識(shí)別技術(shù)多用于對(duì)安全性要求比較高的領(lǐng)域，麗在商務(wù)移動(dòng)辦公領(lǐng)域頗具建樹(shù)的富圭通、三星及IBM等國(guó)際知名品牌都擁有技術(shù)與應(yīng)用較為成熟的指紋識(shí)別系統(tǒng)。</p><p>　　

32、與國(guó)外相比，我國(guó)在自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)的研究水平上還存在一定的差距。主要表現(xiàn)在：指紋錄入設(shè)備的質(zhì)量還不太過(guò)關(guān)；自動(dòng)指紋識(shí)別算法研究水平還有待提高，在應(yīng)用上的表現(xiàn)為產(chǎn)品適應(yīng)性和易用性較差，對(duì)干、濕一些的指紋往往不能正確區(qū)別，對(duì)指紋錄入時(shí)的旋轉(zhuǎn)、平移比較敏感。</p><p><b>　　系統(tǒng)概述</b></p><p>　　本系統(tǒng)主要由指紋識(shí)別模塊、單片機(jī)、電源、復(fù)位電路、

33、時(shí)鐘電路、指示燈、按鍵和數(shù)碼顯示管等構(gòu)成，在無(wú)需上位機(jī)參與管理的情況下，構(gòu)成具有指紋錄入、指紋對(duì)比、搜索和管理等功能的智能型模塊。并采用C語(yǔ)言構(gòu)建系統(tǒng)程序，通過(guò)執(zhí)行不同的按鍵動(dòng)作，使單片機(jī)向模塊發(fā)送相應(yīng)指令，以完成對(duì)應(yīng)功能。完成后整體可構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的指紋識(shí)別系統(tǒng)，或作為一個(gè)完整的外部設(shè)備。</p><p><b>　　指紋識(shí)別原理</b></p><p><b&

34、gt;　　指紋圖像的分割</b></p><p><b>　　指紋圖像分割概述</b></p><p>　　在指紋識(shí)別系統(tǒng)中，指紋圖像分割是圖像預(yù)處理的一部分。指紋分割的最基本的依據(jù)是圖像某些特征和特征集合。圖像特征是指紋圖像的固有屬性，如灰度值，鄰域關(guān)系，紋線的扭曲程度等。特征集合則是幾種的結(jié)合。通過(guò)提取圖像特征,可將原始圖像映射到特征空間，使圖像特征在

35、特征空間中呈現(xiàn)一定的分布。這里主要分析基于塊特征的圖像分割。</p><p>　　代表塊特征的指紋圖像分割目前研究趨勢(shì)為多種塊基本特征如灰度均值、塊灰度方差、塊方向圖等綜合運(yùn)用和重新定義塊特征。其中塊指的是將圖像分個(gè)成一個(gè)個(gè)小的圖像塊。圖像均值就是對(duì)每一個(gè)單位塊的灰度值取均值，方差則反映該塊中各點(diǎn)與均值的偏差性，這可以很好的反映紋理的變化趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的方向場(chǎng)的計(jì)算分為掩模法和公式法兩大類(lèi)。Lin Hong

36、等人開(kāi)發(fā)的基于最小均方估計(jì)算法，即公式法如下：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p

37、>　　它是利用正交坐標(biāo)系下，原點(diǎn)到它們組成的坐標(biāo)點(diǎn)的有向線段與X的正半軸的夾角可來(lái)表示該子塊的塊方向。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是易實(shí)現(xiàn)，很好體現(xiàn)出紋理，但缺點(diǎn)是對(duì)于變化太快的部分出錯(cuò)。此方法的實(shí)現(xiàn)是利用方向?yàn)V波器。</p><p><b>　　均值方差法</b></p><p>　　在圖像分割概述中，已經(jīng)提到基于塊特征的指紋圖像分割。在這部分將重點(diǎn)介紹均值法差法的計(jì)算

38、方法。</p><p>　　該算法基于背景區(qū)灰度方差小，而指紋區(qū)方差大的思想，將指紋圖像分成塊，計(jì)算每一塊的方差，如果該塊的方差小于閾值為背景，否則為前景。具體步驟分以下三步：</p><p>　　首先，將低頻圖分成M×M大小的無(wú)重疊方塊，方塊的大小以一谷一脊為宜。</p><p>　　然后，計(jì)算出每一塊的均值和方差。</p><p&g

39、t;　　設(shè)指紋圖像I的大小為H×L，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(guò)公式（5）和公式（6）計(jì)算得到。</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　最后，如果計(jì)算得到的方差幾乎接近

40、于零就認(rèn)為是背景，對(duì)于方差不為零的區(qū)域再進(jìn)行閾值分割算法，這種算法主要是根據(jù)計(jì)算得到的方差來(lái)決定其是否為背景區(qū)。</p><p>　　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。歸一化的目的是把不同原圖像的對(duì)比度和灰度調(diào)整到一個(gè)固定的級(jí)別上，為后續(xù)處理提供一個(gè)較為統(tǒng)一的圖像規(guī)格。指紋圖像的歸一化公式如式（7）所示，當(dāng)大于平均值時(shí)為加。</p><p><b>　?。?）&l

41、t;/b></p><p>　　其中AVE0和VAR0為期望的灰度均值和方差。下面的圖像為指紋圖像歸一化和分割后的結(jié)果。</p><p>　　a 指紋原始圖片 b 歸一處理圖片 c 分割后圖像</p><p>　　圖2 指紋圖像的歸一及分割處理結(jié)果</p><p>　　從圖中可以

42、看到用方差均值法分割既適用于比較圓滑的指紋，又適用紋線變化很大的指紋圖像。在歸一化處理降頻和通過(guò)區(qū)域均值方差的后得到的圖像條紋清晰，輪廓分明，對(duì)于后面的細(xì)化和匹配有很大的幫助。</p><p><b>　　指紋圖像的細(xì)化</b></p><p>　　指紋圖像細(xì)化的預(yù)處理</p><p>　　這部分預(yù)處理主要為二值化。由于指紋圖像脊、谷相間，因此

43、指紋圖像的處理常是將指紋圖像二值化。灰度圖像二值化是將灰度圖變換為只有黑和白兩種灰度的圖像。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?；叶葓D二值化的基本思想是選取適當(dāng)?shù)幕叶乳撝担瑢⒒叶葓D像轉(zhuǎn)化為二值圖像。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(gè)閾值處理，而局部閾值算法則把原圖分成若干個(gè)子圖，在每個(gè)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(duì)比度

44、是有差別的，因而全局閾值算法不適用。</p><p>　　灰度圖二值化的基本思路是選取適當(dāng)?shù)幕叶乳撝?，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像。一般的圖像處理中的二值化算法主要是計(jì)算整幅圖像的灰度平均值，然后將該值作為門(mén)限，高于該門(mén)限的像素點(diǎn)就置1，反之置0。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但是對(duì)噪聲較大，圖像質(zhì)量不好的指紋會(huì)產(chǎn)生較大的二值化噪聲。</p><p>　　采用動(dòng)態(tài)局部閾值，即滿足這種條件下的灰度值為128

45、，不滿足則灰度值為255。再根據(jù)前面判斷的是否為背景即Icc值的來(lái)修正：灰度值為128且Icc為1時(shí)（非背景指紋紋線時(shí)），Icc值為0，像素值置為0。背景和灰度值為255的紋線像素置為1，這做法的目的是去除不確切的點(diǎn)。此時(shí)背景為白，紋線為黑。</p><p>　　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(shí)，它周?chē)c(diǎn)不大于3個(gè)為像素1點(diǎn)則修改為0；當(dāng)像素為0時(shí)，它周?chē)恍∮?個(gè)點(diǎn)為像素1的點(diǎn)，則修改

46、為1。這種修改是為了使圖像連續(xù)圓滑。</p><p><b>　　指紋圖像細(xì)化處理</b></p><p>　　由于灰度過(guò)渡區(qū)的存在，指紋細(xì)化是指紋圖像預(yù)處理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因?yàn)橐话愕奶卣魈崛《际窃诩?xì)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如果細(xì)化不好，將無(wú)法使用常規(guī)的特征提取算法提取細(xì)節(jié)特征信息。細(xì)化可以便我們得到絞線的單像素的骨架。所謂“骨架”，是指圖像中央的骨骼部分，是描述圖像幾何

47、及拓?fù)湫再|(zhì)的重要方法之一。獲取一個(gè)圖像骨架的過(guò)程通常稱為對(duì)圖像“細(xì)化”的過(guò)程。在文字識(shí)別、地質(zhì)構(gòu)造識(shí)別、工業(yè)零件形狀識(shí)別或圖像理解中，先對(duì)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。</p><p>　　細(xì)化處理是指在指紋圖像二值化以后，在不影響紋線連通性的基礎(chǔ)上，刪除紋線的邊緣像素，直到紋線為單像素寬為止。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。一種好的細(xì)化

48、算法應(yīng)該滿足下列條件：</p><p>　　收斂性：迭代必須是收斂的。</p><p>　　連通性；不破壞紋線的連接性。</p><p>　　拓?fù)湫裕翰灰鸺y線的逐步吞食，保持原圖像的基本結(jié)構(gòu)特性。</p><p>　　保持性：保護(hù)指紋的細(xì)節(jié)特征。</p><p>　　細(xì)化性：骨架紋線的寬度為1個(gè)像素，即單像素寬。&l

49、t;/p><p>　　中軸性：骨架盡可能接近條紋中心線。</p><p>　　快速性：算法簡(jiǎn)單，速度快。</p><p>　　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。在串行細(xì)化算法中，當(dāng)前迭代的結(jié)果不僅取決于前一次的迭代圖像，而且與當(dāng)前處理情況有關(guān)；而在并行方式中，當(dāng)前迭代僅僅是由前一次的迭代情況決定，串行細(xì)化算法的處理結(jié)果依賴于對(duì)像素處理的先后順序，因而

50、像素點(diǎn)的消除或保留不可預(yù)測(cè)。并行細(xì)化算法對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化時(shí)利用相同的條件同時(shí)檢測(cè)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。</p><p>　　不同的文獻(xiàn)上有不同的關(guān)于細(xì)化方法，如王家隆等以及王業(yè)琳等的細(xì)化模板，制約細(xì)化的直觀表現(xiàn)在計(jì)算速度、毛刺和斷點(diǎn)上。因而細(xì)化中選擇一個(gè)好的模板是關(guān)鍵。模板分為保留模板和消除模板，消除模板就是根據(jù)條件判定這點(diǎn)去除作為背景的模板；保留模板則是根據(jù)條件判定

51、這點(diǎn)保留作為前景的模板。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。細(xì)化結(jié)果如圖3所示：</p><p>　　圖a 指紋分割圖像 圖b 指紋二值化圖像 圖c 指紋細(xì)化圖像</p><p>　　圖3 指紋圖像的二值化及細(xì)化結(jié)果</p><p>　　從分割后的二值

52、化處理圖像中，我們可以看到，整個(gè)灰度變成了黑白的二值圖像圖，圖像的條紋比較清楚，它的實(shí)現(xiàn)有助于壓縮數(shù)據(jù)量和細(xì)化的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　細(xì)化將黑白二值圖像細(xì)化成了單個(gè)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。所以在特征提出前還需稍加處理，細(xì)化好的模板選擇可以提高圖片的質(zhì)量和細(xì)化運(yùn)算的速度。</p><p><b>　

53、　指紋圖像的特征提取</b></p><p><b>　　指紋特征提取概述</b></p><p>　　特征提取就是對(duì)細(xì)化后的指紋圖像提取表示其特征的信息的操作。前面所敘述的指紋圖像預(yù)處理目的就是為指紋的特征提取和最終識(shí)別建立一個(gè)良好的基礎(chǔ)，以保證整個(gè)系統(tǒng)識(shí)別率比較高。對(duì)于自動(dòng)指紋識(shí)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。一般說(shuō)來(lái)

54、，這種特征應(yīng)有以下性質(zhì)：</p><p>　　單一性：要求這種特征能夠充分體現(xiàn)指紋的唯一性。</p><p>　　可測(cè)試性：適用于指紋匹配算法，便于在匹配算法中應(yīng)用。</p><p>　　緊湊性：要求提取的特征不應(yīng)包含指紋唯一性以外的冗余信息，并且信息量要盡量小，便于存儲(chǔ)、管理和計(jì)算。</p><p>　　魯棒性：要求這種特征對(duì)噪聲的存在與指

55、紋形變不敏感。</p><p>　　對(duì)于特征點(diǎn)提取的常用算法很多，如：</p><p>　　基于二值化的特征提取方法：這種算法對(duì)于預(yù)處理和增強(qiáng)后得指紋圖像進(jìn)行二值化，然后再提取特征點(diǎn)。</p><p>　　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(guò)分析圖像的紋理屬性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提取特征點(diǎn)。</p><p>　　基于細(xì)化圖像的特

56、征提取方法：這種方法是將指紋圖像處理后得到細(xì)化圖像，通過(guò)細(xì)化圖像提取特征點(diǎn)。</p><p>　　為了比較兩個(gè)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。Galton提出的指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)是人工指紋匹配中最常用的特征。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)。Galton定義了4種細(xì)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型：分叉點(diǎn)，端點(diǎn)，環(huán)、島，并指出細(xì)節(jié)點(diǎn)具有唯一性，可以用于指紋匹

57、配。</p><p>　　目前已定義的特征類(lèi)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。提取出的特征點(diǎn)還必須經(jīng)過(guò)偽特征點(diǎn)的去除，盡可能地去除掉由于二值化、細(xì)化處理等過(guò)程引入的偽特征點(diǎn)。最后確定出特征點(diǎn)的類(lèi)型、位置、方向。</p>

58、<p>　　指紋特征提取和去偽特征</p><p>　　目前在細(xì)化二值圖像中提取細(xì)節(jié)特征多是用8鄰域法，該方法比較簡(jiǎn)單，在得到可靠的細(xì)化二值圖像后，只需要一個(gè)3×3的模板便可將端點(diǎn)和分叉點(diǎn)提取出來(lái)。對(duì)于細(xì)化二值圖像，像素點(diǎn)的灰度值只有兩種情況。</p><p>　　在提取指紋圖像的細(xì)節(jié)特征中，由于圖像質(zhì)量和噪聲的干擾，存在大量的偽特征點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明一幅質(zhì)量較差的圖像在

59、經(jīng)過(guò)預(yù)處理，細(xì)節(jié)特征提取后可能產(chǎn)生多達(dá)一兩萬(wàn)個(gè)細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，其中包含了大量的偽特征點(diǎn)，這些偽特征點(diǎn)的存在，不但使匹配的速度大大降低，還使指紋識(shí)別性能急劇下降，造成識(shí)別系統(tǒng)的拒真率和誤識(shí)率的上升，因此在進(jìn)行指紋匹配之前，應(yīng)對(duì)細(xì)節(jié)特征進(jìn)行驗(yàn)證，盡可能將偽特征點(diǎn)去除，同時(shí)保留真特征點(diǎn)。</p><p>　　圖4 通過(guò)判斷后得到的特征點(diǎn)分布圖</p><p>　　這個(gè)特征點(diǎn)分布結(jié)果圖包含了特征點(diǎn)和

60、偽特征點(diǎn)。在匹配前還需對(duì)毛刺、小橋等偽特征點(diǎn)加以識(shí)別和處理，這樣有助于后面匹配的進(jìn)行，使匹配更加精確無(wú)誤和快速。</p><p><b>　　指紋圖像的匹配</b></p><p>　　指紋匹配要解決的是對(duì)兩幅給定指紋圖像的特征模式進(jìn)行比對(duì)，判斷這兩幅圖像是否來(lái)自同一個(gè)人的同一手指。指紋匹配是自動(dòng)指紋識(shí)別的最后一步，也是非常關(guān)鍵的一步。</p><

61、p>　　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。基于特征點(diǎn)的匹配算法具有簡(jiǎn)單、快速、魯棒性等優(yōu)點(diǎn)。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(lái)做細(xì)節(jié)匹配。它利用脊線上的端點(diǎn)和分叉點(diǎn)這兩種關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)鑒定指紋。通過(guò)將細(xì)節(jié)點(diǎn)表示為點(diǎn)模式，一個(gè)指紋識(shí)別問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)點(diǎn)模式匹配問(wèn)題。點(diǎn)匹配算法是通過(guò)某些變換，如平移變換、旋轉(zhuǎn)變化、伸縮變換，可以把兩個(gè)點(diǎn)集中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配起來(lái)。</p><p>&

62、lt;b>　　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)功能簡(jiǎn)述</b></p><p>　　本系統(tǒng)是針對(duì)指紋采集、識(shí)別模塊開(kāi)發(fā)出的指紋識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用指紋模塊搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指紋圖像，并將采集到的圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)的形式發(fā)送

63、出去。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(shí)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(gè)流程及比對(duì)的結(jié)果。簡(jiǎn)單的描述本次設(shè)計(jì)的功能即使用指紋模塊檢測(cè)、錄入指紋，將比對(duì)結(jié)果顯示。</p><p>　　該系統(tǒng)的主要功能有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　指紋錄入。能進(jìn)行指紋的錄入，二次錄入無(wú)誤后，記錄該指紋數(shù)據(jù)。指紋圖像通過(guò)專(zhuān)

64、門(mén)的指紋采集儀采集。</p><p>　　指紋識(shí)別。能進(jìn)行指紋的識(shí)別，指紋識(shí)別出錯(cuò)時(shí)，報(bào)警提示。圖像采集完成后，與庫(kù)中已存在指紋進(jìn)行對(duì)比，與所有有權(quán)限用戶信息對(duì)比后，若無(wú)相符信息即提示報(bào)警。</p><p>　　指紋管理。能進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)的管理，添加和刪除指紋數(shù)據(jù)。對(duì)添加到庫(kù)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。</p><p>　

65、　操作顯示。通過(guò)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。若信息經(jīng)核對(duì)相符，即提示該用戶擁有權(quán)限，若不相符，即提示非法操作。</p><p><b>　　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)電路框架是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，對(duì)系統(tǒng)所需元件、設(shè)備參數(shù)進(jìn)行必要的計(jì)算，通過(guò)認(rèn)真研究、分析

66、、比較選定設(shè)備型號(hào)，再將設(shè)備、元件通過(guò)可靠的接口電路聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成的一個(gè)完整的系統(tǒng)。綜合考慮系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性要求，以保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的要求。主控芯片選用AT89S52單片機(jī)。系統(tǒng)總體框圖如圖5所示：</p><p><b>　　圖5 系統(tǒng)總體框圖</b></p><p>　　系統(tǒng)主要由MCU（Microcontroller Unit，微程序控制器）、LED屏（

67、 Large Electronic Display，大型電子展示）、指紋模塊組成。系統(tǒng)的工作過(guò)程主要是當(dāng)檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)先由MCU通過(guò)串口通信控制指紋模塊對(duì)指紋進(jìn)行采集、錄入、存儲(chǔ)、比對(duì)。然后，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對(duì)其它接口器件，如顯示屏、蜂鳴器、指示燈進(jìn)行響應(yīng)操作。</p><p><b>　　系統(tǒng)核心部件單片機(jī)</b></p><p>　　AT89S52是一

68、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(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口

69、線，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。</p><p>　　另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。</p><

70、;p>　　AT89S52引腳圖如圖6，其主要引腳功能介紹如下：</p><p>　　圖 6 AT89S52引腳圖</p><p>　　P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻。在FLASH編

71、程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。</p><p>　　P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。</p><p>　　此外，P1.0和P

72、1.1分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX） 在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。</p><p><b>　　端口引腳第二功能：</b></p><p>　　P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出</p><p>　　P1.1 T2EX（定

73、時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）</p><p>　　P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）</p><p>　　P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）</p><p>　　P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）</p><p>　　P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)</p><

74、p>　　4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時(shí)，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程

75、和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。</p><p>　　P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，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口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收

76、一些控制信號(hào)。</p><p><b>　　端口引腳第二功能：</b></p><p>　　P3.0 RXD(串行輸入口)</p><p>　　P3.1 TXD(串行輸出口)</p><p>　　P3.2 INTO(外中斷0)</p><p>　　P3.3 INT1(外中斷1)</p>

77、<p>　　P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)</p><p>　　P3.5 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)</p><p>　　P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)</p><p>　　P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)</p><p>　　此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。</p>

78、<p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編

79、程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過(guò)對(duì)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。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無(wú)效。</p><p>　　PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)

80、器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。</p><p>　　EA/VPP：外部訪問(wèn)允許，欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編

81、程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。</p><p>　　XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。</p><p>　　XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p>　　此外，片上資源包括看門(mén)狗定時(shí)器、UART、定時(shí)器0和定時(shí)器1，以及定時(shí)器2。</p><p><b>　　其他

82、模塊電路</b></p><p><b>　　電源模塊</b></p><p>　　整個(gè)模塊采用USB供電，以按鍵式開(kāi)關(guān)啟動(dòng)或關(guān)閉電源。當(dāng)按下電源鍵時(shí)，電源開(kāi)啟，電源指示燈點(diǎn)亮。</p><p>　　圖 7 電源模塊電路</p><p><b>　　時(shí)鐘模塊</b></p>

83、;<p>　　時(shí)鐘電路用來(lái)產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。通過(guò)在芯片的外部XTAL1和XTAL2兩個(gè)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(gè)穩(wěn)定的自激振蕩電路。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列，本設(shè)計(jì)中采用的晶振頻率為11.0592MHz，電容為33pF。</p><p&g

84、t;　　圖 8 時(shí)鐘模塊電路</p><p><b>　　按鍵模塊</b></p><p>　　鍵盤(pán)是最常用的輸入設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的紐帶。按其結(jié)構(gòu)形式可分為非編碼鍵盤(pán)和編碼鍵盤(pán)。</p><p>　　編碼鍵盤(pán)采用硬件方法產(chǎn)生鍵碼。每按下一個(gè)鍵，鍵盤(pán)能自動(dòng)生成鍵盤(pán)代碼，鍵數(shù)較多，且具有去抖動(dòng)功能。這種鍵盤(pán)使用方便，但硬件較復(fù)雜。非編碼鍵盤(pán)僅

85、提供按鍵開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，其鍵碼由軟件確定，這種鍵盤(pán)鍵數(shù)較少，硬件簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于各種單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，在單片機(jī)控制電路中，可把單片機(jī)使用的鍵盤(pán)分為獨(dú)立式和矩陣式兩種。獨(dú)立式實(shí)際上就是一組獨(dú)立的按鍵，這些按鍵可直接與單片機(jī)的I/O口連接，即每個(gè)按鍵獨(dú)占一條口線，這種接法簡(jiǎn)單。矩陣式鍵盤(pán)也稱行列式鍵盤(pán)，因?yàn)殒I的數(shù)目較多，所以鍵按行列組成矩陣。本設(shè)計(jì)中鍵盤(pán)數(shù)目較少，且為安裝方便，因此采用獨(dú)立式接法。</p><p>　　圖

86、9 按鍵模塊電路</p><p><b>　　顯示模塊</b></p><p>　　采用八位共陽(yáng)數(shù)碼管，顯示原理跟單個(gè)LED的顯示原理完全相同，在段控線和位控線都串接一個(gè)電阻，以提高其輸出功率，在這里采用220歐母電阻。顯示及驅(qū)動(dòng)電路如圖10所示：</p><p>　　圖 10 顯示及驅(qū)動(dòng)電路</p><p>&l

87、t;b>　　復(fù)位模塊</b></p><p>　　復(fù)位電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，通過(guò)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(zhuān)用寄存器設(shè)置初始狀態(tài)、程序狀態(tài)字PSW清0、程序計(jì)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(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需安裝復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，

88、完成復(fù)位操作共需要24個(gè)狀態(tài)周期，本設(shè)計(jì)使用頻率為11.0592MHz的晶振，所以復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)大致超過(guò)2μs才能完成復(fù)位操作。本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位。</p><p>　　圖 11 復(fù)位模塊電路</p><p><b>　　下載口模塊</b></p><p>　　采用RS-232接口，從PC機(jī)將程序下載至單片機(jī)芯片當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)編程實(shí)際應(yīng)用。本

89、次設(shè)計(jì)采用9芯針接口，其主要包括DCD(Data Carrier Detect)載波檢測(cè)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(hào)地引腳，DSR(Data Set Ready)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒引腳，RTS(Request To Send)請(qǐng)求發(fā)送引腳，CTS(Clea

90、r To Send)清除發(fā)送引腳，RI(Ring Indicator)振鈴提示引腳。在RS-232標(biāo)準(zhǔn)中，字符以一串行的比特串來(lái)一個(gè)接一個(gè)的串行方式傳輸，優(yōu)點(diǎn)是傳輸線少，配線簡(jiǎn)單，傳送距離可以較遠(yuǎn)。最常用的編碼格式是異步起停格式，它使用一個(gè)起始比特后面緊跟7或8 個(gè)數(shù)據(jù)比特，然后是可選的奇偶校驗(yàn)比特，最后是一或兩個(gè)停止比特。</p><p>　　圖 12 下載口模塊</p><p>&l

91、t;b>　　指紋模塊</b></p><p>　　TFS-M51指紋識(shí)別模塊</p><p>　　TFS-M51 指紋開(kāi)發(fā)模塊是深圳市十指科技有限公司最新推出的，以 TI 公司的 TMS320VC5501 高速 DSP 處理器為核心，結(jié)合具有公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商用指紋算法，光學(xué)指紋傳感器，具有指紋錄入、圖像處理、特征值提取、模板生成、模板儲(chǔ)存、指紋比對(duì)和搜索等功能的智能型

92、模塊，并提供UART 接口和通訊協(xié)議，方便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用。</p><p><b>　　其具有如下特點(diǎn)：</b></p><p>　　體積小巧、成像清晰、手指感應(yīng)靈敏、識(shí)別速度快、干/濕手指適應(yīng)性強(qiáng)，二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便，適用面廣；</p><p>　　穩(wěn)定：工作穩(wěn)定，可應(yīng)用于各種類(lèi)型單片機(jī)；</p><p>　　方

93、便：串口UART操作(直接接任何帶串口單片機(jī))，操作簡(jiǎn)單； </p><p>　　開(kāi)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；</p><p>　　高性能：采用商業(yè)算法，識(shí)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(shí)別，不需要用力按壓。</p><p>　　引腳功能如表1所示：</p><p>　　表 1

94、指紋模塊引腳功能</p><p>　　TMS320VC5501 芯片</p><p>　　指紋模塊的核心處理單元是TI公司推出的高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS20VC5501片具有精度高、低功耗、靈活性大、可靠性高、時(shí)分復(fù)用等特點(diǎn)。它具有如下特性：</p><p>　　最高時(shí)鐘頻率可達(dá)300MHz，指令周期時(shí)間為3.33ns；</p><p>　

95、　16K字節(jié)高速指令緩存；</p><p>　　雙乘法器，速度可達(dá)每秒60億次乘法計(jì)算；</p><p>　　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(xiě)總線；</p><p>　　16K×16-bit片上RAM，由4塊4K×16位雙存取RAM（DARAM）組成；</p><p>　　16K×16-

96、bit 等候狀態(tài)片上ROM；</p><p>　　8M×16-bit的最大尋址外部?jī)?nèi)存空間；</p><p>　　32位外部并行總線內(nèi)存支持外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）與通用輸入/輸出（GPIO）功能和無(wú)縫接口；</p><p>　　仿真/調(diào)試跟蹤功能，保存最后16程序計(jì)數(shù)值（PC）連續(xù)性和最后32 PC值；</p><p>

97、;　　6個(gè)低功耗可編程控制功能控制域；</p><p><b>　　片上外設(shè)包括：</b></p><p>　　六通道直接存儲(chǔ)器存取（DMA）控制器；</p><p>　　兩個(gè)多通道緩沖串行端口（McBSPs）；</p><p>　　可編程模擬鎖相環(huán)循環(huán)（APLL）時(shí)鐘發(fā)生器；</p><p>　

98、　通用的I / O（GPIO）引腳和專(zhuān)用輸出（XF）引腳；</p><p>　　8位并行主機(jī)接口（HPI）；</p><p>　　4個(gè)定時(shí)器，包括兩個(gè)64位通用定時(shí)器，64位的可編程看門(mén)狗定時(shí)器和64位的DSP / BIOS計(jì)數(shù)器；</p><p>　　內(nèi)部集成電路（I2C）接口；</p><p>　　通用異步接收器/器（UART）；<

99、/p><p>　　片上的基于掃描的仿真邏輯；</p><p>　　JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測(cè)試）邊界掃描邏輯；</p><p>　　3.3 V的I / O電源電壓；</p><p>　　1.26 V的核心供電電壓。</p><p>　　TMS20VC5501具有先進(jìn)的多總線架構(gòu)，包括1

100、程序存儲(chǔ)器總線，3獨(dú)立數(shù)據(jù)讀總線和2數(shù)據(jù)寫(xiě)總線，以及額外的為外設(shè)和DMA活動(dòng)準(zhǔn)備的專(zhuān)用總線。一個(gè)周期包括3個(gè)數(shù)據(jù)讀取和2個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入，與此同時(shí)，在CPU活動(dòng)時(shí)，DMA控制器可自主進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。</p><p>　　芯片提供2個(gè)乘法累加單元（MAC），每一個(gè)在一個(gè)指令周期內(nèi)可執(zhí)行17×17-bit的乘法運(yùn)算。40-bit的中央算數(shù)/邏輯單元（ALU）由另一個(gè)16-bit 的ALU支持，這些單元受指令集控制

101、，以達(dá)到優(yōu)化并行性和降低能耗的效果。</p><p>　　此外，該芯片支持變量的字節(jié)寬度調(diào)整，以提高編碼密度。IU（指令單元，Instruction Unit）為PU（程序單元，Program Unit）從內(nèi)部或外部的內(nèi)存和指令隊(duì)列中取得32-bit 程序指令，程序單元解碼后直接發(fā)送命令給AU（算數(shù)單元，Arithmetic Unit）和DU（數(shù)據(jù)單元，Digital Unit），從而管理高權(quán)限通信線路。<

102、/p><p>　　5501由業(yè)界獲獎(jiǎng)的eXpressDSP，Code Composer Studio的綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），DSP / BIOS，德州儀器的算法標(biāo)準(zhǔn)提供支持。Code Composer Studio IDE功能的代碼生成工具，包括一個(gè)C編譯器，模擬器，可視化鏈接，RTDX，XDS510仿真的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和評(píng)估模塊。5501同樣支持 C55X DSP的庫(kù)文件，該庫(kù)包括50多個(gè)基礎(chǔ)內(nèi)

103、核（FIR濾波器，IIR濾波器，F(xiàn)FT運(yùn)算，以及各種數(shù)學(xué)函數(shù)）以及芯片和電路板支持庫(kù)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)以串口方式實(shí)現(xiàn)DSP和單片機(jī)之間的通信，S52的RXD腳接DSP的TX腳，實(shí)現(xiàn)DSP發(fā)送數(shù)據(jù)由S52接受，TXD腳接DSP的RX腳，實(shí)現(xiàn)S52發(fā)送數(shù)據(jù)DSP接受，并將GND腳連接。</p><p>　　指紋模塊與單片機(jī)接口框架如圖12所示：</p><p&g

104、t;　　圖12 TMS320VC5501芯片與AT89S52單片機(jī)接口框圖</p><p><b>　　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　TFS-M51指紋識(shí)別模塊指令系統(tǒng)</p><p><b>　　通信方式</b></p><p>　　DSP 模塊作為從設(shè)備，由主設(shè)備發(fā)送相關(guān)命令對(duì)其

105、進(jìn)行控制。</p><p>　　命令接口：19200bps 1 起始位 1 停止位 （無(wú)校驗(yàn)位）</p><p>　　主設(shè)備發(fā)送的命令及 DSP 模塊的應(yīng)答按數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可分為兩類(lèi)：</p><p>　　= 8 字節(jié)，數(shù)據(jù)格式如下：</p><p>　　表 2 8字節(jié)數(shù)據(jù)格式</p><p><b>　

106、　說(shuō)明：</b></p><p>　　CMD：命令/應(yīng)答類(lèi)型</p><p>　　P1，P2，P3：命令參數(shù)</p><p>　　Q1，Q2，Q3：應(yīng)答參數(shù)，</p><p>　　Q3 多用于返回操作的有效性信息，此時(shí)可有如下取值：</p><p>　　CHK：校驗(yàn)和，為第 2 字節(jié)到第 6 字節(jié)的異或值&

107、lt;/p><p>　　> 8 字節(jié)，數(shù)據(jù)由兩部分組成：數(shù)據(jù)頭+數(shù)據(jù)包，格式如下：</p><p>　　表 3 大于8字節(jié)數(shù)據(jù)頭格式</p><p><b>　　說(shuō)明：</b></p><p>　　CMD，Q3 的定義同上</p><p>　　Len：數(shù)據(jù)包內(nèi)有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，16 位，由兩字節(jié)

108、組成</p><p>　　Hi(Len)：數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度高 8 位</p><p>　　Low(Len)：數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度低 8 位</p><p>　　CHK：校驗(yàn)和，為第 2 字節(jié)到第 6 字節(jié)的異或值</p><p>　　表 4 大于8字節(jié)數(shù)據(jù)包格式</p><p><b>　　說(shuō)明：</b>&l

109、t;/p><p>　　Len 即為 Data 的字節(jié)數(shù)；</p><p>　　CHK：校驗(yàn)和，為第 2 字節(jié)到第 Len - 2 字節(jié)的異或值</p><p>　　發(fā)送完數(shù)據(jù)頭后緊接著發(fā)送數(shù)據(jù)包。</p><p>　　主要通訊協(xié)議命令說(shuō)明</p><p>　　添加指紋（命令/應(yīng)答均為 8 字節(jié)）</p>&l

110、t;p>　　為確保有效性，用戶必須錄入 3 次指紋，主機(jī)須向 DSP 模塊發(fā)送 3 次命令。（這里僅列出第一次）</p><p>　　表 5 添加指紋（第一次）指令格式</p><p>　　刪除指定用戶（命令/應(yīng)答均為 8 字節(jié)）</p><p>　　表 6 刪除指定用戶指令格式</p><p>　　刪除所有用戶（命令/應(yīng)答均為

111、 8 字節(jié)）</p><p>　　表 7 刪除所有用戶指令格式</p><p>　　比對(duì) 1：1（命令/應(yīng)答均為 8 字節(jié)）</p><p>　　表 8 比對(duì)1：1指令格式</p><p>　　比對(duì) 1：N（命令/應(yīng)答均為 8 字節(jié)）</p><p>　　表 9 比對(duì)1：N指令格式</p>&

112、lt;p>　　取用戶權(quán)限（命令/應(yīng)答均為 8 字節(jié)）</p><p>　　表 10 取用戶權(quán)限指令格式</p><p>　　設(shè)置/讀取比對(duì)等級(jí)（命令/應(yīng)答均為 8 字節(jié)）</p><p>　　表 11 設(shè)置/讀取比對(duì)等級(jí)指令格式</p><p>　　說(shuō)明：比對(duì)等級(jí)取值為 0-9，取值越大比對(duì)越嚴(yán)格，默認(rèn)值為 5。</p&g

113、t;<p>　　設(shè)置/讀取指紋采集等待超時(shí)（命令/應(yīng)答均為 8 字節(jié)）</p><p>　　表 12 設(shè)置/讀取指紋采集等待超時(shí)指令格式</p><p>　　說(shuō)明：指紋等待超時(shí)時(shí)間（tout）范圍為 0-255。若此值為 0，若無(wú)指紋按壓則指紋采集過(guò)程將一直持續(xù)；若此值非 0，在 tout*T0 時(shí)間內(nèi)若無(wú)指紋按壓則系統(tǒng)將超時(shí)退出。</p><p>

114、;　　注：T0 為采集/處理一幅圖像所需的時(shí)間，一般為 0.2-0.3s。</p><p><b>　　單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　鍵盤(pán)管理及指示燈響應(yīng)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)各按鍵功能，需要對(duì)按鍵編號(hào)定義。</p><p>　　表 13 按鍵功能</p><p>