基于DSP的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計

1、2014 屆本科生畢業(yè)論屆本科生畢業(yè)論 基于基于 dspdsp 的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計 院院 系：系： 電 子 與 信 息 學(xué) 院 專專 業(yè)：業(yè)： 通 信 工 程 姓姓 名：名： xxxxx 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： xxxx 答辯日期：答辯日期： 二二一四一四 年年 五五 月月 畢業(yè)論文誠信聲明畢業(yè)論文誠信聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的畢業(yè)論文基于 dsp 的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計是本人在 指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立研究、寫作的成果。論文中所引用是他人 的無論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在論文中以明確方式 標(biāo)明。 本聲明的法律結(jié)果由本人獨(dú)自承擔(dān)。 作 者 簽 名： 指導(dǎo)教師簽名： 年

2、月 日 摘 要 指紋識別技術(shù)是數(shù)字圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上,逐步發(fā)展。相對于古代的身份 認(rèn)證技巧,如暗碼、種種文憑和其余生物認(rèn)證技術(shù),如語音、虹膜、指紋識別是 一種更合理的身份認(rèn)證技巧。利用指紋識別有許多好處如:每個人的指紋都是有 差異的,極難復(fù)制或被盜,指紋是確定的,不隨歲數(shù)的變化或康健程度改變;最重 要的是最重要的是指紋圖像是很容易的，容易的識別系統(tǒng)，實用和較高的可行 性。當(dāng)代電子集成建設(shè)技巧許可咱們做出一個十分小的指紋圖象讀取裝配，同 時飛速發(fā)展的個人計算機(jī)運(yùn)算速率供應(yīng)了在微機(jī)乃至 dsp 上能夠運(yùn)行兩個指紋 的比對運(yùn)算。指紋識別算法是非常成熟的，可用于安全檢測設(shè)備和控制各種各 樣的東西?，F(xiàn)

3、在,指紋識別應(yīng)用領(lǐng)域的考勤,門禁,安全內(nèi)閣,相信隨著指紋識別 技術(shù)的提高,也廣泛應(yīng)用于身份證、車輛、家庭等領(lǐng)域。 本設(shè)計主要利用 mbf200 指紋傳感器和 tms320c5402 組成指紋識別模塊，實 現(xiàn)指紋識別的算法，并把成果經(jīng)過串口送出來?？刂撇糠值暮诵氖?tms320c5402，它完成與指紋識別模塊、pc 機(jī)的通信，并控制各種外圍電路的 工作。已經(jīng)完成的設(shè)計是訪問控制的功能，訪問控制功能，適用于公共場所和 私人住宅，并能記錄收盤紀(jì)錄。 【關(guān)鍵字】 mbf200 tms320c5402步進(jìn)電機(jī)串口通信 abstract fingerprint identification technol

4、ogy is digital image processing technology, on the basis of gradual development. relative to the ancient identity authentication techniques, such as combination, the diploma and the rest of the biometric technologies, such as speech, iris, fingerprint recognition is a more reasonable identity authen

5、tication techniques. by using fingerprint identification has many advantages, such as: there are differences in each persons fingerprints are, very difficult to copy or stolen, the fingerprint is certain, do not change with the change of the age or fitness level; is the most important is the most im

6、portant fingerprint like easy, easy identification system, practical and high feasibility. modern electronic integration construction skills permission lets make a very small fingerprint image read assembly, at the same time, the rapid development of personal computing rate to supply on the microcom

7、puter and dsp can run two fingerprint matching computation. fingerprint identification algorithm is very mature and can be used for safety inspection equipment and control all kinds of things. now, fingerprint identification application in the field of attendance, access control, security cabinet, b

8、elieve that with the improvement of the fingerprint identification technology, also widely used in the identification card, vehicle, household and other fields. this design mainly use mbf200 fingerprint sensor and tms320c5402 fingerprint identification module, realizes the fingerprint identification

9、 algorithm, and through a serial port to send out the results. control part is the core of tms320c5402, it complete with fingerprint identification module and pc communications, and controls the work of various kinds of peripheral circuit. has completed the design of the is a function of access cont

10、rol, access control function, apply to the public and private house, and can record record closes. 【keyword】 mbf200tms320c5402 step electromotor the serial communication 目錄 摘 要.3 abstract.4 一 引 言.1 1.1 dsp 指紋識別系統(tǒng)研究的背景與問題概述.1 1.1.1 dsp 指紋識別系統(tǒng)的研究背景.1 1.1.2 dsp 指紋識別系統(tǒng)的研究概述.2 1.2 dsp 指紋識別系統(tǒng)研究的意義和重要性.3 1

11、.2.1 研究的意義.3 1.2.2 研究的重要性.3 1.3 研究的內(nèi)容和主要工作.4 1.3.1 研究的內(nèi)容.4 1.3.2 本人研究的主要工作和結(jié)構(gòu)安排.4 二 相關(guān)技術(shù)簡介.4 2.1 嵌入式系統(tǒng)簡介.4 2.1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介.4 2.1,2 數(shù)字信號處理器.5 三 設(shè)計目標(biāo)及設(shè)計方案論證.5 3.1 系統(tǒng)的功能要求及目標(biāo).5 3.2 系統(tǒng)的整體框架及設(shè)計方案.8 四 系統(tǒng)原理與設(shè)計.8 4.1 tms320c5402 結(jié)構(gòu)及其主要特點(diǎn).8 4.2 基于 dsp 指紋識別系統(tǒng)原理.10 4.3 硬件設(shè)計.11 4.3.1 電源、復(fù)位電路設(shè)計.11 4.3.2jtag 仿真接口電路

12、.12 4.3.3 指紋傳感器的性能特點(diǎn).13 4.3.4 mbf200 和 c5402 的 spi 接口.14 4.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計.16 4.4.1 指紋圖像讀取.16 4.4.2 系統(tǒng)初始化.16 4.4.3 mcbsp 和 dma 系統(tǒng)設(shè)定初始值.18 4.4.4 16 位字的指紋數(shù)據(jù)通過 mcbsp1 接收.22 4.4.5 設(shè)計中斷擴(kuò)展.23 五 總結(jié)與展望.26 致 謝.27 參考文獻(xiàn).28 附圖.29 一一 引引 言言 1.1 dsp 指紋識別系統(tǒng)研究的背景與問題概述 由于當(dāng)代經(jīng)濟(jì)和社會的不斷發(fā)展,越來越多的場所需求確認(rèn)身份。傳統(tǒng)的識 別技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有滿足這個需求。人類特征的

13、克隆不能根據(jù)物理特性，人們 開始作為生物特征識別技術(shù)的關(guān)鍵。 指紋識別以其獨(dú)特的特性,因為許多生物識別技術(shù)支持。指紋識別技巧是當(dāng) 前國內(nèi)外重要行使的指紋識別技術(shù)特征,從鉆研的角度來看,海內(nèi)和國際的差異并 不顯明然而，對于國內(nèi)的指紋識別技術(shù)的研究主要集中在研究的角度來看，很 長時間沒有參加訓(xùn)練，在實際應(yīng)用中，它是在這些技術(shù)與市場的實際需求，有 很大的區(qū)別。而實際上從事指紋技術(shù)的應(yīng)用企業(yè)并不擁有絕大多數(shù)使用的是外 國的指紋識別算法。和大多數(shù)指紋識別產(chǎn)品的制造商都采用了假冒的外國產(chǎn)品 的模式,核心組件“指紋識別模塊”通常依賴國外進(jìn)口。因此，知識產(chǎn)權(quán)的指紋識 別算法和指紋識別模塊的發(fā)展將會有一個很好的

14、市場前景。 1.1.1 dsp 指紋識別系統(tǒng)的研究背景 相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,華夏是最先的國度在世界上指紋識別技術(shù)的利用。中國長期 以來一直在六千年前出土半坡陶器指紋的痕跡。指紋記錄顯示的第一個應(yīng)用程 序出現(xiàn)在中國古代先秦時期，如春秋南鄭商城遺址中出土的春秋戰(zhàn)國時期 指紋處理等唐代以通過這本書指紋是廣泛應(yīng)用于民事案件文檔、合同。著 名學(xué)者德爾指紋的權(quán)威著作總結(jié)說:“根據(jù)中國周禮貌稀疏記錄,中國第一 個提到的指紋識別個人是唐代作家賈慶林。他的著作寫于公元 650 年,他指出指 紋是肯定小我識別的方法是世界上最先的作者之一。自宋以來，指紋作為刑事 訴訟中的證據(jù)。指紋在古代中國的貸款協(xié)議,銷售證書,結(jié)婚證、

15、離婚監(jiān)獄懺悔 的各個方面得到廣泛應(yīng)用。我國在普遍利用指、掌紋的持久史籍性，跟著對外 文明的交換，應(yīng)用指紋的古代風(fēng)俗流傳到了世界上很多國度。中國也是世界公 認(rèn)的指紋發(fā)源地。 隨著個人計算機(jī)的普及，人們在辦公室和個人數(shù)據(jù)的處理，越來越多的計 算機(jī)上，因此在信息的計算機(jī)，如程序，文件和數(shù)據(jù)的安全性變得越來越重要。 由于密碼容易遺忘或被盜的缺陷，因此，出現(xiàn)類似的指紋，指紋認(rèn)證，指紋文 件鎖，指紋磁盤，指紋鼠標(biāo)有大量的硬件產(chǎn)品的指紋和指紋 pda 手機(jī)應(yīng)用軟件。 1.1.2 dsp 指紋識別系統(tǒng)的研究概述 指紋識別可以用許多方法，如人臉，指紋，虹膜，聲音，和指紋識別廣泛 的，持續(xù)的，獨(dú)特的，并具有較強(qiáng)的

16、安全性等多方面的優(yōu)勢和采集，它已成為 最廣泛的生物特征識別技術(shù)。唯一的方面，相對于臉，語音識別技術(shù)，進(jìn)行了 大量的特征指紋圖譜，定位精度更高，所以才好；在穩(wěn)定性方面,由于一個指紋 出身時已基本肯定,跟著歲數(shù)的增加指紋永久性的,是以不變性優(yōu)異的臉,音色等; 在便利方面,虹膜和視網(wǎng)膜取樣困難是高于指紋樣本方便進(jìn)入成本較低的抽樣,識 別系統(tǒng)硬件部分很容易實現(xiàn),所以方便是相對良好 1.2 dsp 指紋識別系統(tǒng)研究的意義和重要性 1.2.1 研究的意義 指紋識別技巧是使用人體固有的身理特性經(jīng)過計算機(jī)與光學(xué)，聲學(xué)和作為 特征通過計算機(jī)與光學(xué)，聲學(xué)，生物傳感和生物統(tǒng)計學(xué)道理等高科技技術(shù)緊密 連接，進(jìn)行身份認(rèn)

17、證的一種技術(shù)。指紋識別技巧是當(dāng)前最為便利與可靠的識別 技術(shù)，它無需要記著繁雜的暗碼，也沒必要隨身攜帶鑰匙，智能卡之類的物品。 由于每個人的指紋特點(diǎn)具備與別人差異的惟一性和在一段時期內(nèi)不變的穩(wěn)定性， 不容易偽造和冒充，是以使用指紋識別技巧完成身份鑒定，確實，無誤。指紋 識別技術(shù)能夠按照人體指紋的紋路，細(xì)節(jié)特點(diǎn)等信息對操作者或被操作者完成 身份判定判別是至今為止發(fā)現(xiàn)的一種最為容易，確切與可靠的鑒定技術(shù)。 dsp 指紋識別系統(tǒng)的性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于微處理器的設(shè)計，這是因為，在 數(shù)字信號和圖像處理應(yīng)用程序，各種處理算法比較復(fù)雜，普通處理器的總體結(jié) 構(gòu)是無法完成操作時間。dsp 芯片選用流程和數(shù)據(jù)隔開的布

18、局，具備專一的硬 件運(yùn)算器，利用流水線掌握供給的 dsp 口令，能夠迅速的完成數(shù)字信號辦理算 法?；?dsp 的指紋識別具有低功耗，確定性大、功能性強(qiáng)、機(jī)能價格比強(qiáng)、 實時性大、掌握多任務(wù)、霸占存儲空間小、效能高、面向特定性大、能依據(jù)需 求靈動擬定的長處，而這些優(yōu)點(diǎn)正是實現(xiàn)指紋識別技術(shù)所需要的。隨著計算機(jī) 時代的到來和嵌入式系統(tǒng)，在時間的指紋識別技術(shù)具有相同的沒有傳統(tǒng)安全技 術(shù)的先天優(yōu)勢，芯片的集成度，在先進(jìn)的識別技術(shù)，結(jié)合圖像處理和模式識別 技術(shù)得到了很大的發(fā)展空間。 1.2.21.2.2 研究的重要性研究的重要性 指紋識別理論的發(fā)展,世界各國爭相發(fā)展使用自動指紋識別系統(tǒng)。已經(jīng)出現(xiàn) 在 1

19、970 年代末一些實用的系統(tǒng),如加拿大警方指紋應(yīng)用激光第一次測試。日本 汽車公司采用了指紋檢查石機(jī)在 80 年代,美國人福勒電子指紋測試系統(tǒng)設(shè)計是 在 80 年代,80 年日本的 nec 首先向警方 afis。如今有 30 多家世界領(lǐng)先的大學(xué)、 咨詢機(jī)構(gòu)、公司從事自動指紋識別系統(tǒng)的研究。指紋主動識別技術(shù)研究在中國, 經(jīng)歷了一個長期發(fā)展的過程。直到最近,自動指紋識別技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從一個單 一的系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)的綜合應(yīng)用發(fā)展。 在 1990 年代末,價格較低的指紋讀者,快速發(fā)展,為指紋匹配算法技術(shù)個人 識別提供了一個廣闊的市場空間。指紋識別技術(shù)廣泛應(yīng)用意味著它可以影響一 億人的不同部分的日常生活。通過更

20、換密碼和密碼,指紋識別技術(shù)可以防止未經(jīng) 授權(quán)的;可以防止盜竊 atm,手機(jī)智能卡,臺式電腦,工作站和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行金 融交易時通過電話,互聯(lián)網(wǎng)可以使身份認(rèn)證,在建筑或場所可以替代鑰匙,證書, 海報等。指紋識別技術(shù)的快速發(fā)展及其廣泛的應(yīng)用打開了一個個人識別的新時 代。 1.3 研究的內(nèi)容和主要工作 1.3.1 研究的內(nèi)容 本設(shè)計主要研究的是基于 dsp 的指紋識別系統(tǒng)，指紋的局部特征分析，特 征點(diǎn)的提取和利用 mbf200 指紋傳感器和 tms320c5402 的指紋識別模塊，完成識 別的算法,達(dá)到詳細(xì)和可靠的確認(rèn)身份主要內(nèi)容如下： 1、指紋圖像的預(yù)處理研究； 2、指紋圖像的特征提取研究； 3

21、、指紋圖像的匹配研究； 4、指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計研究； 指紋識別人體指紋的獨(dú)特的特性,其復(fù)雜性的優(yōu)點(diǎn)可以用于識別提供足夠的 功能,具有極高的安全性。與別的鑒定技巧比擬,指紋識別是一種更合理的身份確 定技術(shù),指紋識別在消息息安全不但有很多特別的好處,更重要的是具備很高的可 用性、可行性、已普遍用于金融、電子商務(wù)、可靠性能需求較高的行業(yè)。 1.3.2 本人研究的主要工作和結(jié)構(gòu)安排 1廣泛收集指紋識別系統(tǒng)的 dsp 的國內(nèi)外研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上。 集中在圖像處理中的應(yīng)用研究，在國內(nèi)和國外的指紋識別算法；和指紋識別系 統(tǒng)硬件設(shè)計的研究，著重對 mbf200 指紋傳感器，指紋數(shù)據(jù)采集。 2設(shè)計方案，基于上

22、述工作，主要涉及以下幾個方面： 確定指紋圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上的指紋識別算法程序的數(shù)學(xué)方法； 依據(jù)指紋識別算法流程的需求落實指紋圖像特點(diǎn)的索取方法，確定奇特 點(diǎn)的法子； 根據(jù)指紋識別算法程序的要求確定經(jīng)過預(yù)處理后的指紋圖像匹配模式 根據(jù)指紋識別系統(tǒng)的實現(xiàn)要求的 dsp 和其它裝置的確定。 二 相關(guān)技術(shù)簡介 2.1 嵌入式系統(tǒng)簡介 2.1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介 目前嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為了最熱門的技術(shù)之一。但是對于何為嵌入式 系統(tǒng)，什么樣的技術(shù)又可以稱之為嵌入式技術(shù)，仍在討論之中。從廣義上講， 可以認(rèn)為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。作為系 統(tǒng)核心的微處理器又包括三類：微控制器(

23、mcu)、嵌入式微處理器(mpu) 、數(shù)字 信號處理器(dsp)。從狹義上講，嵌入式系統(tǒng)是指使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨(dú)立 系統(tǒng)，具有自己的操作系統(tǒng)并且具有某些特定功能的系統(tǒng)，這里的微處理器專 指 32 位以上的微處理器2。 2.1,2 數(shù)字信號處理器 數(shù)字信號處理器(dsp)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行 dsp 算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、fft、譜分析等 方面 dsp 算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，dsp 應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通 指令實現(xiàn) dsp 功能，過渡到采用嵌入式 dsp 處理器。嵌入式 dsp 處理器有兩個 發(fā)展來源，一是 dsp 處理器經(jīng)

24、過單片化、emc 改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式 dsp 處理器，ti 的 tms320c2000 /c5000 等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或 soc 中增加 dsp 協(xié)處理器，例如 intel 的 mcs-296 和 infineon(siemens)的 tricore。 嵌入式 dsp 處理器比較有代表性的產(chǎn)品是 texas instruments 的 tms320 系列和 motorola 的 dsp56000 系列9。 tms320 系列處理器包括用于控 制的 c2000 系列，移動通信的 c5000 系列，以及性能更高的 c6000 和 c8000 系 列。其特點(diǎn)是具備雙 harv

25、ard 結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元7。 三 設(shè)計目標(biāo)及設(shè)計方案論證 3.1 系統(tǒng)的功能要求及目標(biāo) 基于 dsp 的指紋識別系統(tǒng)是由 mbf200 指紋傳感器和 tms320c5402 構(gòu)成，具 有指紋錄入，圖像處理，指紋對比，搜索和模版儲存等功能的智能模塊。他通 過與之相配套的指紋傳感器，可構(gòu)成一個獨(dú)立的指紋識別系統(tǒng)，或作為一個完 整的外部設(shè)備。模塊共實現(xiàn)：指紋保護(hù)模式、指紋保護(hù)解除模式、指紋注冊模 式、指紋刪除模式、指紋保護(hù)旁路模式。模塊通過一個紅、綠、藍(lán)三色發(fā)光 led 和一個蜂鳴器作為人機(jī)界面，在不同的模式下，以不同的方式提示用戶操 作。 指紋保護(hù)模式：當(dāng)模塊處于該模式，管理員或者使用者的指紋

26、識別通過后，模 塊進(jìn)入指紋保護(hù)解除模式；指紋識別不通過，則一直處于該模式。指紋識別時， 如果指紋識別通過，則會通過 led 常亮綠燈、蜂鳴器 0.25s 鳴 0.25s 停重復(fù)兩 次來提示，循環(huán)直到手指離開傳感器；如果指紋識別不通過，則會通過 led 常 亮紅燈、蜂鳴器 0.15s 鳴 0.15s 停重復(fù)三次來提示，循環(huán)直到手指離開傳感器。 在保護(hù)狀態(tài)下，模塊串口會以 0.5 秒間隔發(fā)送 0 x0f 數(shù)據(jù)。 指紋注冊模式：在該模式下，可以注冊指紋。模塊默認(rèn)注冊的前 10 個指紋 為管理者指紋，后 54 個為使用者指紋。管理者指紋被識別后，可以進(jìn)入指紋保 護(hù)解除模式、指紋保護(hù)旁路模式、指紋注冊模

27、式、指紋刪除模式；使用者指紋 被識別后，只能進(jìn)入指紋保護(hù)解除模式和指紋保護(hù)旁路模式。如果指紋總數(shù)已 經(jīng)達(dá)到 64 個，仍然允許繼續(xù)注冊指紋，但是新注冊的指紋會覆蓋第 64 個，即 最后一個指紋。在一個指紋要被注冊，需要采集 3 次該指紋的有效數(shù)據(jù)，藍(lán)色 led 用來表示采集到第幾次有效指紋：1s 亮 1s 滅循環(huán)表示準(zhǔn)備采集第一次有效 指紋；0.5s 亮 0.5s 滅循環(huán)表示準(zhǔn)備采集第二次有效指紋；0.25s 亮 0.25s 滅循 環(huán)表示準(zhǔn)備采集第三次有效指紋。每次采集時，如果指紋有效，則會通過 led 常亮綠燈、蜂鳴器 0.25s 鳴 0.25s 停循環(huán) 2 次來提示，直到手指離開傳感器；

28、如果指紋無效，則會通過 led 常亮紅燈、蜂鳴器 0.15s 鳴 0.15s 停循環(huán) 3 次來 提示，直到手指離開傳感器。在有效指紋采集過程中，如果連續(xù)采集到無效指 紋（指紋受損、脫皮等原因）5 次，或者 10s 內(nèi)都沒有手指按在傳感器上，模 塊將自動回到指紋保護(hù)模式；注冊成功的指紋被保存在已經(jīng)注冊指紋隊列的最 后一個。注冊成功后模塊將自動進(jìn)入指紋保護(hù)解除模式，等待 30s 沒有電門信 號輸入情況下，將自動進(jìn)入指紋保護(hù)模式。如果想再注冊其他指紋，必須通過 指紋識別，從指紋保護(hù)模式進(jìn)入指紋保護(hù)解除模式；再通過管理員指紋識別后 6s9s 間拿開手指，重新進(jìn)入指紋注冊狀態(tài)。前 10 個管理員指紋有管

29、理功能， 尤其重要。如果是在私人使用時，建議主人從左、右雙手的食指、中指中挑選 沒有劃傷、沒有脫皮的 10 枚指紋注冊成管理員指紋；如果用在公共場所，建議 由 12 名有管理權(quán)限的管理者各用 12 個沒有劃傷、沒有脫皮的指紋注冊成 管理員指紋。指紋注冊成功后，蜂鳴器長鳴 1s，綠燈常亮。 在注冊狀態(tài)下， 模塊串口會以 0.5 秒間隔發(fā)送 0 x55 數(shù)據(jù)，在注冊模式下，如果執(zhí)行特定操作 （在特定操作過程中，將無法發(fā)送正常的串口數(shù)據(jù)） ，會首先發(fā)送暫停標(biāo)志數(shù)據(jù)： 0 xa0，特定操作完成后，會自動重新開始發(fā)送正常數(shù)據(jù)(0 x55 或 0 x0f)。 指紋刪除模式：在該模式下，已經(jīng)注冊的指紋隊列的

30、最后一個被刪除。如 果指紋隊列已經(jīng)刪除空，則模塊將回到出廠狀態(tài)；如果指紋隊列沒有被刪除空， 則模塊自動進(jìn)入到指紋保護(hù)模式。如果想再刪除其他指紋，必須通過指紋識別， 從指紋保護(hù)模式進(jìn)入指紋保護(hù)解除模式；再通過管理員指紋識別后 9s12s 間 拿開手指，重新進(jìn)入指紋刪除狀態(tài)，刪除成功后，蜂鳴器長鳴 1s，綠燈常亮。 在刪除狀態(tài)下，模塊串口會以 0.5 秒間隔發(fā)送 0 x55 數(shù)據(jù)，在刪除模式下，如果 執(zhí)行特定操作（在特定操作過程中，將無法發(fā)送正常的串口數(shù)據(jù)） ，會首先發(fā)送 暫停標(biāo)志數(shù)據(jù)：0 xa0，特定操作完成后，會自動重新開始發(fā)送正常數(shù)據(jù)(0 x55 或 0 x0f)。 指紋保護(hù)旁路模式：在某些

31、情況下，希望把指紋識別功能屏蔽掉，這個時 候可以進(jìn)入指紋保護(hù)旁路模式。進(jìn)入該模式后，除非管理員或者使用者通過指 紋識別解除指紋保護(hù)旁路模式，否則模塊不會退出該模式。在該模式下，如果 指紋識別通過，則會通過 led 常亮綠燈、蜂鳴器 0.25s 鳴 0.25s 停循環(huán) 2 次來 提示，直到手指離開傳感器，模塊自動進(jìn)入指紋保護(hù)解除模式；如果指紋識別 不通過，則會通過 led 常亮紅燈、蜂鳴器 0.15s 鳴 0.15s 停循環(huán) 3 次來提示， 直到手指離開傳感器，模塊將繼續(xù)處于指紋保護(hù)旁路模式。 在旁路狀態(tài)下，模 塊串口會以 0.5 秒間隔發(fā)送數(shù)據(jù) 0 x55。 3.2 系統(tǒng)的整體框架及設(shè)計方案

32、本文的系統(tǒng)主要有三個部分構(gòu)成：存儲器擴(kuò)展電路、指紋采集電路和外圍、 接口電路三部分。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下圖： 數(shù)據(jù)存 儲器 程序存 儲器 flash 邏輯控 制電路 指紋采 集傳感 器器 tms320c5402 數(shù)字信號處理器 其它外圍 電路 接口電路 圖 3.2 系統(tǒng)的整體框架 四 系統(tǒng)原理與設(shè)計 指紋識別技術(shù)是利用指紋采集設(shè)備指紋傳感器采集的指紋圖像，其中 指紋傳感器可以分為固體指紋傳感器、超聲波指紋傳感器和光學(xué)指紋傳感器， 本設(shè)計采用的是由富士通公司生產(chǎn)的 mbf200 固體式指紋傳感器，根據(jù)圖像識別 算法編寫的軟件程序在處理中提取指紋圖像的特征點(diǎn)，并轉(zhuǎn)化成可處理的圖像 數(shù)據(jù)，然后與系統(tǒng)數(shù)據(jù)

33、庫中的指紋模板數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，判斷是否來自同一枚指 紋。 4.1 tms320c5402 結(jié)構(gòu)及其主要特點(diǎn) 當(dāng)前行業(yè)是最廣泛應(yīng)用于 ti 的 tms320 系列。tms320c5402 是 ti 創(chuàng)辦于 1999 年 10 月的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器性價比高。其主要特點(diǎn)如下: (1)144 年銷 bga、操作 100 mips 的速度9; (2)傳統(tǒng)的哈佛結(jié)構(gòu)馮諾依曼(馮諾依曼)結(jié)構(gòu) 由于數(shù)據(jù)和指令與一個公共總線,因此在高速操作中,經(jīng)常會出現(xiàn)瓶頸的傳 輸通道。哈佛大學(xué)(哈佛)常用的 dsp 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu),三個 16 位數(shù)據(jù)內(nèi)存總線和 內(nèi)存總線的程序。這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線可允許在一個機(jī)器周期內(nèi)

34、同 時獲得指令字(來自內(nèi)存)和操作數(shù)(來自數(shù)據(jù)存儲器),從而提高執(zhí)行速度。 (3)組裝線技術(shù) 哈佛結(jié)構(gòu)的 dsp 芯片生產(chǎn)線技術(shù)提供了方便。因為管道技術(shù)、dsp 芯片可 以單周期完成乘法積累,大大提高了算法的計算速度。和 dsp 指令本質(zhì)上是一個 周期,所以單周期指令執(zhí)行時間可以作為關(guān)鍵指標(biāo)來衡量 dsp 芯片的性能。 (3)硬件乘法器 數(shù)字信號處理中的一種最重要的基本操作是乘法積累,也是最主要和最耗時 的操作,所以硬件乘法器單周期的保證 dsp 芯片實現(xiàn)快速操作。tms320c5402 是 17 * 17 乘數(shù),允許 16 有/無符號乘法,提高操作速度。 (4)各種外圍設(shè)備和接口 為了加強(qiáng)通

35、用 dsp 芯片 dsp 芯片增加大量的外圍設(shè)備。外面可能包括有:多 個 dma 通道,外部主機(jī)接口,外部存儲器接口,高速芯片口之間的聯(lián)系,外部中斷, 串行通信,計時器,可編程鎖相環(huán),a / d 轉(zhuǎn)換器,通過 jtag 接口等。 (5)通過 jtag 接口 因為復(fù)雜的 dsp 芯片的結(jié)構(gòu),提高工作速度和增加外部別針,封裝導(dǎo)致針排 列密集的面積的減少等原因,傳統(tǒng)的并行仿真方式不適合 dsp 芯片的開發(fā)和應(yīng)用 程序開發(fā)。出版于 1991 年通過 jtag 接口標(biāo)準(zhǔn)滿足 ic 制造商和用戶的需求,在 1993 年通過 jtag 接口標(biāo)準(zhǔn)的修訂是 5 行接口。在文中通過 jtag 接口的 dsp 芯

36、片測試和模擬提供了極大的便利。 (6)加載程序的指南 加載引導(dǎo)是指設(shè)備在電動復(fù)位執(zhí)行啟動程序后,從港口(異步串口、i / o 口、主機(jī)接口)或外部 eprom /閃存裝載機(jī)的 ram 以高速運(yùn)行。一般使用 eprom /閃存存儲程序,但訪問速度慢,和一些現(xiàn)有高速 eprom /閃存是昂貴的和有限的 能力;同時高速大容量靜態(tài) ram 價格再次下跌,所以這種加載方式是一個具有成 本效益的有效解決方案。 4.2 基于 dsp 指紋識別系統(tǒng)工作原理 本人所研究的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計是以數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，通過使用 嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字信號處理器來處理相關(guān)的數(shù)字信息，再利用 tms320c5402 芯 片來

37、作為硬件核心模塊來處理撲捉到的指紋圖像信息，以便達(dá)到各個模塊間的 功能互助，實現(xiàn)指紋保護(hù)模式、指紋保護(hù)解除模式、指紋注冊模式、指紋刪除 模式、指紋保護(hù)旁路模式。精確的指紋識別高度依賴于對脊線紋理結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié) 特點(diǎn)信息的辨識。然而，在指紋自動識別過程中,由于手指本身的因素和采集條 件等各種原因的影響，從指紋傳感器上采集到的原始指紋會不同程度地受到各 種因素干擾，圖像中往往包含很多的噪聲，造成指紋圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降。圖像 的預(yù)處理大致可以劃分為以下幾步：平滑濾波，歸一化，二值化。指紋預(yù)處理 的主要流程如下圖： 圖 4.2 指紋預(yù)處理主要流程 系統(tǒng)由 tms320c5402 數(shù)字信號處理芯片來滿足特殊要

38、求的指紋識別系統(tǒng)圖 像及算法的 dsp 芯片。對于指紋識別系統(tǒng)要準(zhǔn)確的鑒別則需滿足系統(tǒng): 速度:要求在 1 秒內(nèi)從抽樣的對比。 小尺寸:可以安裝在出口或安全。 低價格:應(yīng)用在消費(fèi)領(lǐng)域,需要適應(yīng)市場競爭的需要。 指紋識別算法的指紋圖像濾波增強(qiáng)的程序和精煉處理時間占用分別約 76% 和 76%。過濾和大量的存在在精煉過程中添加的操作,在短時間內(nèi)使用普通微處 理器芯片在操作,完成算法存在一些困難和 dsp 芯片的硬件乘法器和其高數(shù)學(xué)計 算能力,使處理指紋圖像是一個很好的方式來滿足系統(tǒng)實時性能的需求。另外, dsp 芯片是靈便的外部接口,自動指紋識別系統(tǒng)可以由其集圖像采集、端口驅(qū)動 電路模塊于一體,如

39、體積小價格相對便宜。在本文中,使用 tms320c5402 作為內(nèi) 核硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)分為內(nèi)存擴(kuò)展,指紋采集、接口電路和外圍電路三個部分。 4.3 硬件設(shè)計 4.3.1 電源、復(fù)位電路設(shè)計 系統(tǒng)中 5 伏的電壓信號系統(tǒng)是由外部直接 220 v 交流產(chǎn)生。雖然 c5402 兩種:工 作電壓 1.8 v 的電壓,輸入和輸出電壓 3.3 v 系統(tǒng)采用 tps767d318 產(chǎn)生 3.3 v / 1.8 v 直流電壓輸出。tps767d318 是一種壓差低,小的靜態(tài)電流雙電壓調(diào)節(jié)器。 最大輸出電流 750 毫安的電流輸出芯片，是理想的分配兩個調(diào)節(jié)器。芯片的輸 入電壓為 5 v,兩個調(diào)節(jié)器輸出電壓為

40、3.3 v 是一個固定值,另一個是 1.2 v 至 9.75 v 之間可調(diào)。使用該芯片產(chǎn)生工作電壓原理圖如圖 4.3.11。 灰度圖平滑濾波歸一化二值化細(xì)化處理 圖 4.3.11 工作電壓原理圖 當(dāng) c5402 的 rs 引腳超過兩個外部時鐘周期在較低的層面時,可以實現(xiàn)系統(tǒng) 復(fù)位。復(fù)位電路使用電力和按鈕重置在兩個方面,通過使用 rc 電路的延遲特性, 復(fù)位電路的時間的最低水平。偶極矩,由于 c 電容器上的電壓不能突變,所以電 阻 r,充電時間取決于 rc 的產(chǎn)物。這里設(shè)置為 5 個時鐘周期。當(dāng)按鈕被按下時, 電容上的電荷 c 的電阻連接釋放通過按按鈕時,電容器的電壓降為零。按鈕時, 電容 c

41、和電動復(fù)位相同的充電過程。圖 4.3.12 給出了復(fù)位電路圖。 圖 4.3.12 復(fù)位電路 系統(tǒng)可編程的流動現(xiàn)象為了提高系統(tǒng)的可靠性,并使其可以在特殊情況下看 門。監(jiān)督分為硬件和軟件。在此系統(tǒng)中,簡化了硬件電路和軟件。將在下面介紹。 c5402 時鐘發(fā)生器里面振蕩器和鎖相環(huán)(pll)。輸入?yún)⒖紩r鐘可以由晶體振蕩器,和 內(nèi)部振蕩器也可以直接通過外部時鐘源。通過內(nèi)部鎖相環(huán)電路、dsp 芯片可以 配置為鎖相環(huán)和 div 模式。鎖相環(huán)模型可以產(chǎn)生 0.25 -15,總共 31 系數(shù);div 模 型可以產(chǎn)生兩個系數(shù) 2 或 4。dsp 的系統(tǒng)時鐘源是通過外部的 x1 和 x2 引腳上連 接的 20 mh

42、z 半導(dǎo)體。通過設(shè)置時鐘模式 clkmd1、clkmd2 clkmd3 五次選擇鎖 相環(huán)頻率模式,因此,系統(tǒng)時鐘頻率為 100 mhz。電路如下圖所示： 圖 4.3.13 時鐘產(chǎn)生電路 4.3.2jtag 仿真接口電路 jtag 是 1985 一個標(biāo)準(zhǔn)測試。pcb 和 ic 芯片,1990 年被修改成為 ieee 標(biāo)準(zhǔn)。 通過 jtag 口芯片、邊界掃描和故障檢測的硬件電路。 通過 jtag 口有以下通過 jtag 定義: tck輸入測試時鐘; tdi 輸入測試數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)由 tdi 通過 jtag 口輸入。 tdo輸出測試數(shù)據(jù),數(shù)據(jù) jtag 口 tdo 輸出; tms 選擇測試模式,tms

43、用于設(shè)置通過 jtag 口在一個特定的測試模式。 可選 trst 測試復(fù)位,輸入,低電平有效。 送信號到 flash,實現(xiàn)操作的閃光。寫程序在線燃燒以外擴(kuò)大通過 flash 應(yīng)用程 序通過 jtag 口控制指令和目標(biāo)代碼從 pc 并行端口通過 jtag bsr。只要數(shù)據(jù)與 通過 jtag 命令,二元同步通信地址和控制信號,通過二元同步通信，只要用 jtag 指令將數(shù)據(jù)、地址及控制信號送到其 bsc 中，就可通過 bsc 對，jtag 的設(shè) 計和連線關(guān)系如圖 4.3.2 所示。 圖 4.3.2 jtag 仿真接口 4.3.3 指紋傳感器的性能特點(diǎn) mbf200 是富士通的一種觸摸傳感器,傳感區(qū)域

44、是 1.28 * 1.50 厘米,256 x 300 傳感器陣列,500 dpi 分辨率,內(nèi)置 8 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可以直接輸出數(shù)字圖像信 號,有八個表征一個像素點(diǎn),和一個微處理器總線,spi 總線,usb 總線接口三種模 式可供選擇,并可以很容易地定義傳感器陣列的面積,工作電壓 3.3 v 5 v . mbf200 的原則的基礎(chǔ)上電容器充電和放電傳感器的每個點(diǎn)是一個金屬電極,相 當(dāng)于一個極性電容器,作為電容傳感器的手指接觸另一個桿,和傳感表面形成兩 極之間的電容,傳感器陣列之間的介電層由于指紋脊和電容值是不同的,傳感器 將后容量指的是數(shù)字輸出。兆 200 的內(nèi)部電路框圖如圖 4.3.31 所示。

45、主要包括 256 x 300 傳感器陣列,采樣/保持電路,a / d 轉(zhuǎn)換器,模擬電路,石英晶體振蕩 器,多諧振蕩器、寄存器、數(shù)據(jù)寄存器,指針寄存器、總線接口電路。如下圖 4.3.3 所示： 圖 4.3.3 mbf200 的內(nèi)部電路框圖 4.3.4 mbf200 和 c5402 的 spi 接口 這個系統(tǒng)與 tms320c5402 作為主要控制器,完成 mbf200 指紋數(shù)據(jù)收集。 tms320c5402 中的,mcbsp 與 spi 兼容。在這里, tms320c5402 的主要設(shè)備配置 為 spi,mbf200 在 spi 協(xié)議下的工作模式。當(dāng) mcbsp 配置為一個主設(shè)備,發(fā)送輸 出信號

46、作為 spi 協(xié)議信號,并接收輸入的信號。mcbsp 用作主設(shè)備時，與 mbf200 spi 接口如圖 4.3.4 所示。 圖 4.3.41 c5402 與 spi 接口 dsp 中 clkx 作為 spi 串行同步時鐘;bdx 作為 spi 主控制器的輸出,bdr 作 為 spi 主控制器輸入;bfsx 作為 spi 串行幀同步信號。當(dāng) c5402 mcbsp 用于時 鐘停止模式,并設(shè)置 clkstp = 10,clkxp = 1,spi 時序的 mbf200 的 mcbsp 順序 吻合,完成 mbf200 c5402 和 spi 接口之間的交流,還必須由 c5402 程序上運(yùn)行完 成。 4

47、.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.4.1 指紋圖像讀取 完成5402和mbf200 在spi運(yùn)行還必須在5402上運(yùn)行程序。運(yùn)行路線如圖5.1 所示。當(dāng)使用5402接收數(shù)據(jù)的時候,因為前一排mbf200尚未完成,幀信號必須是 有效的,這幀的長度是256 x 8。所以,只能使用5402 dma接收，接收幀的dma,長 度應(yīng)該為128 * 16。流程如下圖4.4.1所示： 圖4.4.1系統(tǒng)軟件流程 4.4.2 系統(tǒng)初始化 初始化程序包括dsp芯片的內(nèi)部影響,中央處理器初始化和影響每一塊內(nèi)部 和外部的外圍設(shè)備初始化,初始化設(shè)置工作和可編程外圍設(shè)備。dsp系統(tǒng)將dsp芯 片進(jìn)行了定義,一部分因為dsp芯片兩個狀

48、態(tài)寄存器狀態(tài),是通電復(fù)位,dsp芯片在 所謂的預(yù)定義的狀態(tài),但通電復(fù)位后,用戶可以編寫初始化程序,這兩個狀態(tài)寄存 器的狀態(tài)變化,以滿足不同系統(tǒng)的系統(tǒng)配置和應(yīng)用程序需求。主要包括:初始化 堆棧指針,外圍控制內(nèi)存映射寄存器初始化,初始化狀態(tài)寄存器,處理器狀態(tài)寄存 器初始化,其工作路線如圖4.4.2 圖4.4.2 dsp設(shè)定初始值 /系統(tǒng)設(shè)定初始值系統(tǒng)設(shè)定初始值 c54init: c_int00 ld #0h,dp stm #2000h,sp ssbx intm ssbx sxm stm #0 x7208, stm #0,swcr 數(shù)據(jù)頁指針復(fù)位 堆棧指針初始化 設(shè)置存儲器映射外圍 控制寄存器 狀態(tài)

49、寄存器初始化 處理器方式狀態(tài)寄存 器初值設(shè)定 stm #0 xf800,bscr stm #0,st0 stm #0 x2b00,st1;intm=1 off interrupt stm #0 xbfe4,pmst;interrupt vector map bf80 stm #0 xffff,ifr stm #0 x0488,imr;timer0 enabel interrupt stm #0,clkmd clkcon:ldm clkmd,a and #0 x01,a bc clkcon,aneq stm #0 x43ff,clkmd;pll mul=(4+1) *20=100mhz stm #0 x0010,tcr1;timer1 stop stm #0 x0010,tcr;tss