畢業(yè)論文基于單片機(jī)AT89C52的指紋識別系統(tǒng)

1 基于單片機(jī)的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計（硬件） 摘要 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(diǎn)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到需要身份認(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(diǎn)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)為主控芯片，而 180 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)的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 指紋識別 180 硬件 2 of of is in to of on we on of 1 as as of By it s so be by a we of of of 3 目 錄 論文總頁數(shù)： 34 頁 第 1 章 緒 論 . 1 題的背景和意義 . 1 物識別技術(shù)概述 . 1 紋識別技術(shù)概述 . 2 紋識別研究現(xiàn)狀 . 3 文內(nèi)容安排 . 4 第 2 章 指紋識別基本原理 . 4 紋學(xué)的基本知識 . 4 紋的形成 . 4 紋的相關(guān)概念 . 5 動指紋識別原理 . 6 紋識別系統(tǒng) . 7 紋采集 . 7 像處理 . 8 征 提取 . 9 紋匹配 . 9 第 3 章 指紋識別系統(tǒng)硬件設(shè)計 .關(guān)器件介紹 . 結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) . 指紋識別模塊 . 12864 液晶顯示器介紹 .能描述 .統(tǒng)硬件概述 .案設(shè)計 .訊協(xié)議 . 單片機(jī)和 通信 . 單片機(jī)和 的通信 .件電路設(shè)計 .4 小系統(tǒng)電路 . 功能選擇電路 . 模式指示燈 . 液晶顯示驅(qū)動電路 . 蜂鳴器驅(qū)動電路 . 串口電路 . 4 章 硬 件電路制作和調(diào)試 .制 . 布局要求 . 布線要求 .作和調(diào)試 . 5 章 總 結(jié) .考文獻(xiàn) . 謝 . 錄 一 . 錄 二 .1 第 1 章 緒 論 題的背景和意義 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(dú)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 以在實時性，擴(kuò)展性上受到了極大的限制，但是也有它自身的突出的優(yōu)點(diǎn)和意義，那就是以最簡單的，處理數(shù)據(jù)能低的 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。 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 2 線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)和分叉點(diǎn)，稱為指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。 指紋識別即指通過比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)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。 靜脈識別 靜脈識別系統(tǒng)就是首先通過靜脈識別儀獲得個人靜脈分布圖，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 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(yùn)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(diǎn)、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(dú)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(diǎn)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。 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(dú)特的性質(zhì)。在指紋識別技術(shù)中的指紋 (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)初，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) 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) 3 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 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 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(dú)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。 可以看出，指紋識別技術(shù)相對于其他識別方法有許多獨(dú)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 入式系統(tǒng)是一個相對獨(dú)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(dú)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 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。 紋識別研究現(xiàn)狀 我國在研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(diǎn)，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。 4 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)量方面各不相同，測試方案也差別較大，所以各系統(tǒng)間的可比性差。 文內(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)和各章的內(nèi)容安排如下： 第一章：在介紹本論文的課題背景和意義，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 紋學(xué)的基本知識 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 分類 有 3種基本類型 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 5 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。通常可以用粉末法，選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面，必須經(jīng)過化學(xué)處理才能在化驗室顯形。 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(diǎn)和分叉點(diǎn)。 （ 6）細(xì)節(jié)特征點(diǎn)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(diǎn)： 指紋中心點(diǎn)定義為最內(nèi)層弧狀脊線的上頂點(diǎn)，當(dāng)最內(nèi)層脊線的上凸出的部出現(xiàn)分枝點(diǎn)時，將分枝點(diǎn)定義為中心點(diǎn)；當(dāng)最內(nèi)層脊線不是弧狀而是一條線時，則脊線的上端點(diǎn)定義為中心點(diǎn)；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(diǎn)為中心點(diǎn)。 指紋特征可以分為全局特征、局部特征和細(xì)微特征。全局特征包括： (i)基本紋路圖案：基本紋路圖案通常分為左箕型、右箕型、斗型、 拱型和尖拱型，如圖 2 6 （ 1） 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 （ 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。 （ 心點(diǎn)： 核心點(diǎn)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(diǎn)。 （ 角點(diǎn)： 三角點(diǎn)是指紋圖像中三角形紋路區(qū)域的中心點(diǎn)，離該點(diǎn)最近的三條指紋紋線構(gòu)成一個近似等邊三角形，三角點(diǎn)提供了指紋紋路計數(shù)和跟蹤的起始位置。核心點(diǎn)和三角點(diǎn) 統(tǒng)稱為奇異點(diǎn)。 （ 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(diǎn)之間的紋路數(shù)作為指紋特征，比如兩個節(jié)點(diǎn)之間的紋路數(shù)。 局部特征包括： (i)端點(diǎn)：一條紋路在此終結(jié)。 (叉點(diǎn)：一條紋路在此分成兩條或多條紋路。 (歧點(diǎn)：兩條平行的紋路在此分開。 (立點(diǎn)：一條特別短的紋路，以至于成為一點(diǎn)。 (v)短紋：一條較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路。 (點(diǎn)：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(diǎn)。 (：兩條并行的紋路在此被搭 接起來。 (率：紋路方向改變的速度。 如圖 3 圖 3 基本紋路圖案 動指紋識別原 理 指紋是手指末端皮膚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(diǎn)和交叉點(diǎn)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 7 紋的特征數(shù)據(jù)，最后通過匹配算法進(jìn)行比對識別。 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(diǎn)”，也就是指紋脊線的分叉點(diǎn)或末梢點(diǎn)。有的算法把特征點(diǎn)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(diǎn)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。 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 紋采集 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（ 計的。指紋紋路 8 有凹凸部分即谷、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 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 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，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 各種指紋采集設(shè)備比較 像處理 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(diǎn)，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。 9 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(diǎn)和斷點(diǎn)。 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(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)。局部細(xì)節(jié)特征主要包括了端點(diǎn)和分叉點(diǎn)，目前主要的提取方法分三類： 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(diǎn)取值來判斷細(xì)節(jié)點(diǎn)的類型和位置，再通過該點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)和分叉點(diǎn)時停止并記錄。 從二值圖像上提?。涸诙祱D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(diǎn)或者分叉點(diǎn)。 紋匹配 目前匹配的方法有：圖像相關(guān)匹配、紋理特征匹配、紋線匹配和細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配 12。前二者匹配速度快，對圖像要求不高，但是忽略了細(xì)節(jié)點(diǎn)特征，因此正確性不高。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(diǎn)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(diǎn)匹配通常把匹配模板和待匹配的細(xì)節(jié) 點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)匹配的難點(diǎn)有： 細(xì)節(jié)點(diǎn)提取過程中會產(chǎn)生虛假細(xì)節(jié)點(diǎn)、丟失真細(xì)節(jié)點(diǎn)，并且細(xì)節(jié)點(diǎn)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)域小，相同指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系難以確定。 10 第 3 章 指紋識別系統(tǒng)硬件設(shè)計 關(guān)器件介紹 結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 片機(jī)是 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。內(nèi)部集成 用復(fù)位電路， 2路 8 路高速 10位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。 051 1T，單時鐘 /機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； 列工作電壓： 5V 單片機(jī)） 0 - 35當(dāng)于普通 8051 的 0 420 K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62 280 字節(jié) （ 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 20整個芯片最大不要超過55 7. 系統(tǒng)可編程） /應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口（ 接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片； 能 (D/內(nèi)部 9. 看門狗； 用復(fù)位電路（外部晶體 12M 以下時，復(fù)位腳可直接1 在 有一個低壓門檻比較器， 5V 差為 +/片機(jī)為 差為 +/ 部高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為 +/ +/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： 片機(jī)為： 11812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)； 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 有定時器 2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率 11 發(fā)生器 再加上 2 路 塊可再實現(xiàn) 2 個 16位定時器； 14. 2 個時鐘輸出口，可由 0 輸出時鐘，可由 1 輸出時鐘； ,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 塊， 式可 由 外 部 中 斷喚 醒 ，0/可通過寄存器設(shè)置到 , 也可通過寄存器設(shè)置到 16. 路） /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 )； 轉(zhuǎn)換 , 10 位精度 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S(每秒鐘 25 萬次 )由于 列是高速的 8051，可再用定時器或 件實現(xiàn)多串口； 19. 列有雙串口，后綴有 志的才有雙串口，通過寄存器設(shè)置到 +85 (工業(yè)級 ) / 0 - 75 (商業(yè)級 )I/O 口不夠時，可用 2 到 3 根普通 I/O 口線外接 7465/595（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 線通信，還多了串口。 12 圖 5 腳圖 片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 6所示。 片機(jī)中包含中央處理器（ 程序存儲器（ 數(shù)據(jù)存儲器（ 定時 /計數(shù)器、 口 、串口 2、 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 口、 門狗電路及片內(nèi) 蕩器和晶體振蕩電路等模塊。 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)。 13 圖 6 部結(jié)構(gòu)框圖 紋識別模塊 背景光學(xué)頭指紋識別設(shè)備采用光學(xué)指紋傳感器，由高性能 理器和 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)品相比， 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 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 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 14 可直接連在 上使用，無需任何其它 轉(zhuǎn)接設(shè)備。 系統(tǒng)參數(shù)： F 180 性能參數(shù)表 序號 指標(biāo)項目 技術(shù)參數(shù) 測試條件 1 供電電壓 2 正常工作電壓 1203 峰值電流 1504 指紋錄入時間 5 1:1 比對時間 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 9 拒真率 10 指紋模板大小 51211 外部接口 表 2 數(shù)表 該模塊采用的是 款高性能通用 制器，同時也是一款全功能的指紋識別系統(tǒng)芯片（ 工作主頻為 120值運(yùn)算能力達(dá)到 480嵌 15696耗小于 150120 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單排插座 /針（分體式為 5 芯 距、一體式為 4芯 距）。用戶無特殊要求時，所提供的用戶接口引線長度為 150塊與用戶設(shè)備的串行通訊時，接口 腳定義如下： 腳功能 表 表 3 引腳功能 引腳號 名稱 類型 功能描述 1 源正輸入端（顏色：紅） 2 行數(shù)據(jù)輸出。 輯電平。（顏色：綠） 3 行數(shù)據(jù)輸入。 輯電平。（顏色：白） 4 信號地。內(nèi)部與電源地連接。（顏色：黑） 15 圖 7 物圖 開辟了一個 512 字節(jié)的存儲區(qū)域 作為用戶記事本，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 令和 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。 完整的指紋識別模塊，不需掛接任何外圍部件，模塊始終處于從屬地位（ 主機(jī)（ 要通過不同的指令讓模塊完成各種功能。主