1、嵌入式指紋識別應用系統設計 1、功能慨述, 產品特色的考慮功能慨述： 本指嵌入式紋識別系統是參考門禁、門鎖、考勤、保險箱（柜）行業需求而設計的指紋識別產品。由高性能DSP處理器、大容量FLASH和彩色CMOS等芯片構成，具有指紋錄入、圖象處理、模板存儲、指紋比對和指紋搜索等功能智能型模塊。產品特色: 抗靜電保護功能 集指紋采集、處理、存儲、比對于一體 數據的存儲和傳輸采用加密技術處理 提供豐富的設備協議接口，方便接入用戶系統 適應于不同應用場合，用戶可自行設定不同安全等級2、 CPU、存儲器、顯示器的選擇一、CPU模塊 基于DSP的指紋識別系統,硬件上利用DSP的高速處理能力,構建高速的數據處

2、理平臺,軟件上參考DSP和硬件邏輯的處理特點,對傳統的指紋算法進行改進,滿足實時性和可靠性要求。二、存儲器模塊 由于考慮到Flash 的性能、容量、成本及耐用可靠性,選用K9F1208UOM 作為NAND存儲器, 其主要特點是:1. 編程電壓:2.7V3.6V;2. 存儲空間組織:(64M+2M)× 8bit;數據空間:4planes×1kblocks×32pages×512Byte;3. 命令/ 地址/ 數據/ 復用I/O 端口;4. 硬件數據保護: 當電源波動時, 擦除或編程操作停止;5. 可靠性:可經受100K 次的擦寫操作,數據可保存十年。與Fl

3、ash 存儲器相比較,SDRAM 雖沒有掉電保持數據的特性, 但由于其集成度高, 單片存儲容量大, 且讀/寫速度快,因此,在設計嵌入式系統時,經常用作主存儲器。本系統采用HY57V561620BT-H 作為SDRAM 芯片,工作電壓為3.3V,存儲容量為4Banks × 4Mbits ×16bits,16 位數據寬度,由于S3C2440A 數據寬度是32位, 所以需要兩片SDRAM。3、 LCD顯示模塊 S3C2440 的內置LCD 控制器支持單色、每像素2 位(4 級灰度)、每像素4 位(16 級灰度)、也支持每像素8 位(256 色)和每像素12 為(4096 色)的彩

4、色LCD,并且也支持每像素16 位和每像素24 位的真彩顯示。LCD 控制器可以通過編程選擇支持不同的LCD 屏的要求,例如行和列像素、數據總線寬度、刷新頻率等。本系統采用3.5寸真彩TFT 液晶屏WXCAT-35TG3#001。3、 外圍部件的考慮（IP）CAN總線接口通信模塊CAN協議是建立在ISO的開放系統互聯模型的基礎上的，取其中的3層：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層和數據鏈路層的功能可由CAN接口器件實現，而應用層的功能則要靠應用程序來完成。CAN總線接口通信模塊的功能是接收和發送CAN總線數據。主要操作包括CAN控制器初始化和CAN總線上接收和發送數據的操作。信息由CAN控制器

5、發送接收到CAN總線，都由CAN控制器自動完成。以太網通信模塊以太網是通信網采用的最通用的通信協議標準，該標準定義了在通信網中采用的電纜類型和信號處理方法。以太網采用帶沖突檢測的載波幀聽多路訪問(CSMA/CD)機制，是一種廣播網絡。數據的發送和接收就必須按以太網IEEE802.3協議來進行。軟件的實現主要有模塊的初始化、數據的發送和接收3部分。片上移植的Clinux系統包含了TCP-IP協議棧，以太網控制器集成在AT91SAM7X256內部。因此，實際上只要網關系統置開啟狀態，模塊的初始化也隨之完成。4、 輸入、輸出設備的配置 先通過指紋傳感器獲取指紋圖像信息，再由指紋處理模塊進行圖像的預處

6、理、特征提取等相關操作，最后保存到存取單元中建立指紋庫。識別時，同樣通過指紋傳感器錄入待識別的指紋，再經過指紋處理模塊完成圖像處理以及特征提取，然后將提取出的指紋信息與指紋庫中信息進行匹配，顯示匹配結果。指紋采集模塊      圖像傳感器是數字攝像頭的重要組成部分,根據組件的不同,可分為 CCD 和 CMOS 兩種類型：CCD 是主要應用數字攝像的高端產品,效果好,但成本高；CMOS 效果不如 CCD ,但成本要低一些。鑒于指紋識別器中對質量和成本的考慮,

7、設計采用現代公司的指紋傳感器HB7121B,它是使用015m CMOS工藝開發的高度集成的單片CMOS黑白圖像傳感器。該傳感器的有效像素為400 ×300 個。傳感器上有三個8 位的ADC 和414個比較器來數字化像素的輸出。三個片上獨立的增益控制,只需要很少的幾個控制信號就可從片內得到數據, 因此很方便設計成指紋識別器。HB7121B傳感器的特點有: 400 ×300 像素分辨率；像素的大小為8m ×8m；集成8位的 ADC 用于直接數字量的輸

8、出；時鐘速率可達15MHz；傳感器的接口為I2C總線；內置自動增益控制器AGC。輸出模塊 作為獨立的指紋識別系統,經過系統識別的數據可以通過LCD直接顯示出來。系統在設計時,也可以將系統作為終端使用,即通過FPGA擴展出以太網接口,作為需要通過網絡傳送指紋庫數據的大型指紋識別系統終端。 5、 操作系統的選擇 選用Linux嵌入式操作系統,它具有操作系統的完善功能和強大的TCP/IP網絡功能。近年來,由于ARM公司的支持,基于linux的研發更是發展迅速。在市場上,基于linux的方案,產品更是層出不窮,linux系統的穩定性和可開發性受到了考驗。嵌入式Linux系統從軟件的角度看通常可以分為4

9、個層次: (1)引導加載程序。包括固化在固件中的啟動代碼(可選)和Bootloader兩大部分。 (2)內核。特定于嵌入式板子的定制內核以及控制內核引導系統的參數。 (3)文件系統。包括根文件系統和建立于Flash內存設備之上的文件系統。它是提供管理系統的各種配置文件以及系統執行用戶應用程序良好運行環境的載體。 (4)用戶應用程序和驅動。特定于用戶的應用程序和驅動程序。有時在用戶應用程序和內核層之間可能還會包括一個嵌入式圖形用戶界面。 6、 開發環境（硬件、軟件）的考慮。 系統硬件設計硬件平臺大致可以分為5個部分:電源部分、核心部件(CPU). JTAG調式接口以及外部串行接口單元(SPI）。

10、 系統硬件接口框圖Power電源部分負責給系統供電。該系統是一個多電平系統，包括5V電源，3.3V電源以及1.8V電源。電源部分采用常見的LDO電壓轉換芯片實現5V輸入電壓到3.3V, 1.8V的轉換。JTAG調試接口用于程序的跟蹤和調試。SPI接口用于和RS232互聯。核心部件是系統中最主要的部分，它包括中央處理單元DSP芯片、外接SRAM以及外接FLASH。 核心處理單元系統軟件設計 對圖像處理系統而言，任何一個應用都不能避免需要比較大的存儲體，因為圖像本身數據量大，包含信息多。對該系統而言，一幅指紋圖像的大小為300x300像素，每一像素采用8bits編碼，256級灰度，則一幅圖像的數據

11、量為：300x300x8bits=90K bytes然而，該系統DSP處理器的數據尋址空間總共才64K words。即使我們把兩個像素的數據合成1個word進行存儲，一幅指紋圖像也需要45K words的存儲空間。因此，該系統整個數據空間只能存儲一幅指紋圖像。任何一個指紋識別算法也不可能在一幅指紋圖像的空間里完成所有的運算。因此，我們必須把指紋圖像存放在代碼空間里。DSP處理芯片有8M的代碼尋址空間，但是我們的算法代碼量不超過16K words，所以剩余的空間都可以根據需要用來存放指紋圖像數據。每處理完一個步驟，就把需要保存的數據寫入代碼空間。7、 項目的可行性及主要困難解決的算法項目的可行性

12、指紋識別技術通過分析指紋的局部特征,從中抽取詳盡的特征點,從而可靠地確認個人身份。指紋識別的優點是指紋作為人體獨一無二的特征,它的復雜度可以提供用于鑒別的足夠特征,具有極高的安全性。相對于其他身份認證技術,指紋識別是一種更為理想的身份認證技術,指紋識別不僅具有許多獨到的信息安全優點,更重要的是具有很高的實用性、可行性,已經廣泛應用于金融、電子商務以及安全性能要求教高的行業中。 主要困難解決的算法指紋識別算法 指紋識別算法是指紋識別的核心,本系統中采用的指紋識別算法流程如圖所示。 圖像增強是指紋圖像預處理需要解決的核心問題,指紋圖像增強的主要目的是為了消除噪聲,改善圖像質量,便于特征提取。 由于

13、指紋紋理由相間的脊線和谷線組成。這些紋理蘊涵了大量的信息,如紋理方向、紋理密度等等。在指紋圖像的不同區域,這樣的信息是不同的。指紋圖像增強算法就是利用圖像信息的區域性差異來實現的。 傳統的指紋圖像增強就是利用圖像的紋理方向信息,構造方向濾波器模板來實現濾波的。濾波器構造的簡單性和指紋圖像復雜性的矛盾限制了其作用的有效性。本系統中采用的是參考了指紋圖像紋理頻率信息,并且以GABOR變換這個能夠同時對圖像局部結構的方向和空域頻率進行解析的最優濾波器作為濾波器的模板,因而極大的改善了增強算法的效果。 1、脊線方向除奇異區外,指紋圖像在一個足夠小的區域內,紋理近似于相互平行的直線,這就是指紋圖像的方向

14、性特征。方向性特征是指紋圖像中最為明顯的特征之一,它以簡化的形式直觀的反映指紋圖像的基本形態特征,因而被廣泛應用于指紋圖像的分類、增強、特征提取等方面。提取脊線方向方法為： 將指紋圖像分割成足夠小的子塊,以滿足塊中紋理近似平行的條件。 2、脊線頻率指紋紋理除了具有穩定的方向性特征外,還具有穩定的頻率性特點。在指紋圖像的一個局部區域內,脊線和谷線的紋理走向平行,同時沿脊谷方向的灰度分布近似于正弦包絡。脊線頻率被定義為兩條脊線之間間距的倒數。通過定位該包絡中極大、極小值點,就能得到相應的脊線間距和谷線間距,進而計算出脊線頻率。 3、GABOR>濾波器GABOR變換由于具有最佳時域和頻域連接分辨率的特點,能夠同時對圖像局部結構的方向和空域頻率進行解析,可以很好地兼顧指紋圖像的脊線方向和脊線頻率信息。本系統中采用GABOR濾波器函數的實部作為模板,以與子塊紋線方向垂直的方向作為濾波器