基于ARM9的指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)
來源：電子設(shè)計工程
摘要： 本文研究了以內(nèi)含arm核的微處理器AT91SAM7X256為核心，外部擴展指紋傳感器MBF200構(gòu)成指紋識別服務(wù)器硬件；系統(tǒng)軟件移植實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ、文件系統(tǒng)、LwIP，應(yīng)用軟件實現(xiàn)指紋識別。該方法具有成本低、占用資源少、可擴展性強的特點。
Abstract：
Key words :
生物識別技術(shù)是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)來進行個人身份的鑒定。
生物識別技術(shù)比傳統(tǒng)的身份鑒定方法更具安全、保密和方便性。生物特征識別技術(shù)具有不易遺忘、防偽性能好、不易偽造或被盜、隨身“攜帶”和隨時隨地可用等優(yōu)點。
生物識別的工作原理是利用生物識別設(shè)備對生物特征進行取樣，提取其唯一的特征并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字代碼，并進一步將這些代碼組成特征模板，人們同識別設(shè)備交互進行身份認(rèn)證時，識別設(shè)備獲取其特征并與數(shù)據(jù)庫中的特征模板進行比對，以確定是否匹配，從而決定接受或拒絕該人。而在眾多的用于身份驗證的生物識別技術(shù)中，指紋識別技術(shù)是目前最方便、可靠、非侵害和價格便宜的解決方案。
指紋作為人體中最明顯的外表特征，具有獨一無二、普遍性、唯一性、易于采集等優(yōu)點。指紋鑒定技術(shù)利用人類指紋穩(wěn)定性和獨特性的生理特征，將其作為人們的一種“活的身份證”，并且指紋具有不可替代性，使通過指紋進行身份鑒定的安全性大大提高，且隨著圖像處理模式識別方法的發(fā)展和指紋傳感器技術(shù)的日臻成熟，指紋鑒定方法在金融、公安、門禁、戶籍管理等領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景。指紋的采集相對容易；指紋的識別算法已經(jīng)較為成熟。由于指紋識別具有掃描指紋的速度快、方便、小型化等優(yōu)點，指紋識別技術(shù)已經(jīng)逐漸進入民用市場，并應(yīng)用到許多嵌入式設(shè)備中，但是如何提高指紋識別系統(tǒng)的識別率和穩(wěn)定性，降低成本以及擴展穩(wěn)定性和節(jié)點分布，存在著一系列技術(shù)難題。
因此，本文研究了以內(nèi)含arm核的微處理器AT91SAM7X256為核心，外部擴展指紋傳感器MBF200構(gòu)成指紋識別服務(wù)器硬件；系統(tǒng)軟件移植實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ、文件系統(tǒng)、LwIP，應(yīng)用軟件實現(xiàn)指紋識別。該方法具有成本低、占用資源少、可擴展性強的特點。
1 分布式指紋識別系統(tǒng)原理及硬件設(shè)計
指紋識別技術(shù)主要涉及4個功能模塊：讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對。通過指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，然后對原始圖像進行初步處理，使之更清晰，再通過指紋辨識軟件建立指紋的特征數(shù)據(jù)。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點”(minuTIae)的數(shù)據(jù)點，即指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置，這些點同時具有7種以上的唯一性特征。通常手指上平均具有70個節(jié)點，所以這種方法會產(chǎn)生大約500個數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，通常稱為模板。通過計算機模糊比較的方法。把兩個指紋的模板進行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果。
硬件電路的實現(xiàn)以微處理器AT91SAM7X256為核心，外圍電路主要包括指紋識別模塊MBF200、以太網(wǎng)物理層(PHY)收發(fā)器RTL8201BL，大容量的數(shù)據(jù)FlashAT45DBl61D、硬件日歷時鐘器件DSl302，電源電路、復(fù)位和時鐘電路，如圖1所示。
指紋識別技術(shù)主要涉及4個功能模塊：讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對。通過指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，然后對原始圖像進行初步處理，使之更清晰，再通過指紋辨識軟件建立指紋的特征數(shù)據(jù)。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點”(minuTIae)的數(shù)據(jù)點，即指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置，這些點同時具有7種以上的唯一性特征。通常手指上平均具有70個節(jié)點，所以這種方法會產(chǎn)生大約500個數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，通常稱為模板。通過計算機模糊比較的方法。把兩個指紋的模板進行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果。
硬件電路的實現(xiàn)以微處理器AT91SAM7X256為核心，外圍電路主要包括指紋識別模塊MBF200、以太網(wǎng)物理層(PHY)收發(fā)器RTL8201BL，大容量的數(shù)據(jù)FlashAT45DBl61D、硬件日歷時鐘器件DSl302，電源電路、復(fù)位和時鐘電路，如圖1所示。
1．1 AT91SAM7X256器件及MBF200模塊應(yīng)用
AT91SAM7X256是ATMEL公司推出的基于32位arm7TDMI的微處理器。它在一塊芯片上還集成了256 kh的片內(nèi)Flash和64 kb的SRAM，無需外部擴展存儲器。其內(nèi)部還集成有USB2．0設(shè)備端口，以及豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，功能強大。AT9lSAM7X256的復(fù)位控制器可以管理芯片的上電順序及整個系統(tǒng)。微控制器具備嵌入式10／100 Mb／s以太網(wǎng)(Ethernet)MAC、CAN、全速(12 Mb／s)USB2．0，針對廣泛的網(wǎng)絡(luò)化實時嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的，其性能穩(wěn)定、功能強大，能夠廣泛應(yīng)用于協(xié)議轉(zhuǎn)換、通信、工業(yè)控制領(lǐng)域。應(yīng)用AT91SAM7X256開發(fā)指紋識別系統(tǒng)可以有效控制成本。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要極強的穩(wěn)定性，但實驗證明超過60％的總線帶寬使用率就會造成沖突。
MBF200是富士通公司推出的一款先進的固態(tài)指紋傳感器，它除可自動檢測指紋外，還帶有多種接口模式，為電容性傳感器，其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當(dāng)一個電容板，接觸的手指充當(dāng)?shù)?個電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當(dāng)手指觸摸傳感器表面時，指紋的高低不平就會在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。采用標(biāo)準(zhǔn)C13MS技術(shù)的電容性固態(tài)器件，具有500 dpi的分辨率，傳感器面積為1．28 cmxl．50 cm。具有自動指紋檢測能力，內(nèi)含8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可提供3種總線接口形式。5 V工作電壓下的功耗小于70 mW。
1．2 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計
AT91SAM7X256內(nèi)部集成有MAC控制器，可支持MII接口和RMII接口。RTL820lBL則是工業(yè)級帶有MII接口的10／100 Mb／s低功耗以太網(wǎng)收發(fā)器，25 MHz時鐘輸出，智能降功耗模式，可為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)解決方案，為工廠企業(yè)及其他惡劣的操作環(huán)境架設(shè)可支持實時傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)，符合IEEE
802．3u的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)接口電路原理圖如圖2所示。
2 分布式指紋識別系統(tǒng)軟件設(shè)計
2．1 μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)移植
由于系統(tǒng)硬件平臺所選用的嵌入式微處理器AT91SAM7X256的RAM、Flash等資源都非常有限，考慮各種因素，選用了μC／OS-Ⅱ作為嵌入式操作系統(tǒng)，TCP／IP協(xié)議通過擴展實現(xiàn)。μC／0S-Ⅱ操作系統(tǒng)是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪和占先式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。其最主要的特點就是源碼公開，絕大部分源碼是用ANSI C寫的。雖然μC／0S-Ⅱ只是提供了時間管理、任務(wù)問通信同步、任務(wù)管理和內(nèi)存管理等主要服務(wù)，但它的可擴展性強?？蓴U展的上層服務(wù)有：設(shè)備驅(qū)動，文件系統(tǒng)，圖形系統(tǒng)和TCP／IP協(xié)議系統(tǒng)等，并且由于其性能可以與許多高端商業(yè)軟件產(chǎn)品相媲美，甚至某些性能比它們還要好，因此，正以其巨大的優(yōu)勢吸引了眾多開發(fā)者。μC／0S-Ⅱ是專為微控制器系統(tǒng)和軟件開發(fā)而設(shè)計的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是微控制器啟動后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個系統(tǒng)的框架貫穿系統(tǒng)運行的始終，對實時性和穩(wěn)定性要求很高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，引入μC／OS-Ⅱ無疑將大大改善其性能。
2．2 CAN總線接口通信模塊
CAN協(xié)議是建立在ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型的基礎(chǔ)上的，取其中的3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能可由CAN接口器件實現(xiàn)，而應(yīng)用層的功能則要靠應(yīng)用程序來完成。CAN總線接口通信模塊的功能是接收和發(fā)送CAN總線數(shù)據(jù)。主要操作包括CAN控制器初始化和CAN總線上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的操作。信息由CAN控制器發(fā)送接收到CAN總線，都由CAN控制器自動完成。
2．3 以太網(wǎng)通信模塊實現(xiàn)
以太網(wǎng)是通信網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了在通信網(wǎng)中采用的電纜類型和信號處理方法。以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收就必須按以太網(wǎng)IEEE802．3協(xié)議來進行。軟件的實現(xiàn)主要有模塊的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收3部分。片上移植的μClinux系統(tǒng)包含了TCP-IP協(xié)議棧，以太網(wǎng)控制器集成在AT91SAM7X256內(nèi)部。因此，實際上只要網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)置開啟狀態(tài)，模塊的初始化也隨之完成。
2．4 指紋識別模塊軟件實現(xiàn)
指紋識別算法是指紋識別系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)中采用的指紋識別算法實現(xiàn)流程為：提取脊線方向，脊線頻率，經(jīng)過GABOR濾波，特征提取，與指紋數(shù)據(jù)庫進行特征匹配。本系統(tǒng)單個節(jié)點有兩大功能：指紋識別和指紋模板存儲。指紋識別軟件模塊工作流程如圖3所示。
2．1 μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)移植
由于系統(tǒng)硬件平臺所選用的嵌入式微處理器AT91SAM7X256的RAM、Flash等資源都非常有限，考慮各種因素，選用了μC／OS-Ⅱ作為嵌入式操作系統(tǒng)，TCP／IP協(xié)議通過擴展實現(xiàn)。μC／0S-Ⅱ操作系統(tǒng)是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪和占先式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。其最主要的特點就是源碼公開，絕大部分源碼是用ANSI C寫的。雖然μC／0S-Ⅱ只是提供了時間管理、任務(wù)問通信同步、任務(wù)管理和內(nèi)存管理等主要服務(wù)，但它的可擴展性強?？蓴U展的上層服務(wù)有：設(shè)備驅(qū)動，文件系統(tǒng)，圖形系統(tǒng)和TCP／IP協(xié)議系統(tǒng)等，并且由于其性能可以與許多高端商業(yè)軟件產(chǎn)品相媲美，甚至某些性能比它們還要好，因此，正以其巨大的優(yōu)勢吸引了眾多開發(fā)者。μC／0S-Ⅱ是專為微控制器系統(tǒng)和軟件開發(fā)而設(shè)計的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是微控制器啟動后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個系統(tǒng)的框架貫穿系統(tǒng)運行的始終，對實時性和穩(wěn)定性要求很高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，引入μC／OS-Ⅱ無疑將大大改善其性能。
2．2 CAN總線接口通信模塊
CAN協(xié)議是建立在ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型的基礎(chǔ)上的，取其中的3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能可由CAN接口器件實現(xiàn)，而應(yīng)用層的功能則要靠應(yīng)用程序來完成。CAN總線接口通信模塊的功能是接收和發(fā)送CAN總線數(shù)據(jù)。主要操作包括CAN控制器初始化和CAN總線上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的操作。信息由CAN控制器發(fā)送接收到CAN總線，都由CAN控制器自動完成。
2．3 以太網(wǎng)通信模塊實現(xiàn)
以太網(wǎng)是通信網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了在通信網(wǎng)中采用的電纜類型和信號處理方法。以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收就必須按以太網(wǎng)IEEE802．3協(xié)議來進行。軟件的實現(xiàn)主要有模塊的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收3部分。片上移植的μClinux系統(tǒng)包含了TCP-IP協(xié)議棧，以太網(wǎng)控制器集成在AT91SAM7X256內(nèi)部。因此，實際上只要網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)置開啟狀態(tài)，模塊的初始化也隨之完成。
2．4 指紋識別模塊軟件實現(xiàn)
指紋識別算法是指紋識別系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)中采用的指紋識別算法實現(xiàn)流程為：提取脊線方向，脊線頻率，經(jīng)過GABOR濾波，特征提取，與指紋數(shù)據(jù)庫進行特征匹配。本系統(tǒng)單個節(jié)點有兩大功能：指紋識別和指紋模板存儲。指紋識別軟件模塊工作流程如圖3所示。
采集到指紋信息后，需要進行圖像增強，其中要解決的核心問題是指紋圖像預(yù)處理，其目的是為了減弱噪聲、改善圖像質(zhì)量，以便于特征提取。指紋紋理由相間的脊線和谷線組成，它們蘊涵了紋理方向、紋理密度等大量信息。這些信息在不同區(qū)域顯示不同特征。指紋圖像增強算法就是利用圖像信息的區(qū)域性差異來實現(xiàn)的。
本系統(tǒng)參考了指紋圖像紋理頻率信息，以GABOR變換這個能夠同時對圖像局部結(jié)構(gòu)的方向和空域頻率進行解析的最優(yōu)濾波器作為濾波器的模板，因而極大改善了增強算法的效果。提取脊線方向方法為：
1)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)對每個子塊的每一個點p(s，t)(s，t=O，I…w-1)利用Sobel算子分別計算其x方向梯度gx和y方向梯度gy；
3)每個子塊方向θ(m，n)的計算公式：
式中，。。
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(jié)構(gòu)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。以與子塊紋線方向垂直的方向作為濾波器方向，以脊線頻率作為濾波器頻率來構(gòu)建濾波器。本系統(tǒng)中指紋匹配采用基于特征點集合匹配的校準(zhǔn)算法，該算法多為簡單的比較邏輯和加減運算，不需要用到DSP處理單元。運用本設(shè)計中的arm7器件能夠較好的工作。由于指紋識別有一定的拒識率，所以如果要使辨識結(jié)果拒絕此人的話，要連續(xù)3次都是拒絕才成立。
3 結(jié)束語
此分布式指紋識別系統(tǒng)可應(yīng)用在基于ARM7核心多節(jié)點的的大型企業(yè)監(jiān)控、門禁管理的場合。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)指紋數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)互聯(lián)通信問題，使各分節(jié)點能夠連接到主干以太網(wǎng)絡(luò)，方便指紋數(shù)據(jù)庫的管理和更新，可以進行遠(yuǎn)程的特征匹配查詢。該設(shè)計的創(chuàng)新點在于：1)采用高集成度高性能的arm7處理器AT91SAM7X256解決方案，充分利用AT91SAM7X256提供的全雙工的Ethemet控制器，CAN控制器，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，具有商業(yè)價值；2)設(shè)計了具體的系統(tǒng)以太網(wǎng)，CAN總線及電源實現(xiàn)硬件電路圖；3)移植μC／0S-Ⅱ，給出具體指紋識別算法及處理方案，實現(xiàn)穩(wěn)定性和低成本的結(jié)合。
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