基于ARM9的指紋識別系統的設計和實現
來源：電子設計工程
摘要： 本文研究了以內含arm核的微處理器AT91SAM7X256為核心，外部擴展指紋傳感器MBF200構成指紋識別服務器硬件；系統軟件移植實時多任務操作系統μC／OS-Ⅱ、文件系統、LwIP，應用軟件實現指紋識別。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。
生物識別技術比傳統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備對生物特征進行取樣，提取其唯一的特征并將其轉化成數字代碼，并進一步將這些代碼組成特征模板，人們同識別設備交互進行身份認證時，識別設備獲取其特征并與數據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中，指紋識別技術是目前最方便、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的日臻成熟，指紋鑒定方法在金融、公安、門禁、戶籍管理等領域都有著良好的應用前景。指紋的采集相對容易；指紋的識別算法已經較為成熟。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，指紋識別技術已經逐漸進入民用市場，并應用到許多嵌入式設備中，但是如何提高指紋識別系統的識別率和穩(wěn)定性，降低成本以及擴展穩(wěn)定性和節(jié)點分布，存在著一系列技術難題。
因此，本文研究了以內含arm核的微處理器AT91SAM7X256為核心，外部擴展指紋傳感器MBF200構成指紋識別服務器硬件；系統軟件移植實時多任務操作系統μC／OS-Ⅱ、文件系統、LwIP，應用軟件實現指紋識別。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原理及硬件設計
指紋識別技術主要涉及4個功能模塊：讀取指紋圖像、提取特征、保存數據和比對。通過指紋讀取設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據。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點”(minuTIae)的數據點，即指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標位置，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，所以這種方法會產生大約500個數據。這些數據，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果。
硬件電路的實現以微處理器AT91SAM7X256為核心，外圍電路主要包括指紋識別模塊MBF200、以太網物理層(PHY)收發(fā)器RTL8201BL，大容量的數據FlashAT45DBl61D、硬件日歷時鐘器件DSl302，電源電路、復位和時鐘電路，如圖1所示。
指紋識別技術主要涉及4個功能模塊：讀取指紋圖像、提取特征、保存數據和比對。通過指紋讀取設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據。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點”(minuTIae)的數據點，即指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標位置，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，所以這種方法會產生大約500個數據。這些數據，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果。
硬件電路的實現以微處理器AT91SAM7X256為核心，外圍電路主要包括指紋識別模塊MBF200、以太網物理層(PHY)收發(fā)器RTL8201BL，大容量的數據FlashAT45DBl61D、硬件日歷時鐘器件DSl302，電源電路、復位和時鐘電路，如圖1所示。
1．1 AT91SAM7X256器件及MBF200模塊應用
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Flash和64 kb的SRAM，無需外部擴展存儲器。其內部還集成有USB2．0設備端口，以及豐富的片內外設資源，功能強大。AT9lSAM7X256的復位控制器可以管理芯片的上電順序及整個系統。微控制器具備嵌入式10／100 Mb／s以太網(Ethernet)MAC、CAN、全速(12 Mb／s)USB2．0，針對廣泛的網絡化實時嵌入式系統而設計的，其性能穩(wěn)定、功能強大，能夠廣泛應用于協議轉換、通信、工業(yè)控制領域。應用AT91SAM7X256開發(fā)指紋識別系統可以有效控制成本。工業(yè)網絡需要極強的穩(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，所有金屬電極充當一個電容板，接觸的手指充當第2個電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當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。采用標準C13MS技術的電容性固態(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，內含8位模數轉換器，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 以太網接口電路設計
AT91SAM7X256內部集成有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低功耗以太網收發(fā)器，25 MHz時鐘輸出，智能降功耗模式，可為系統提供穩(wěn)定可靠的優(yōu)質網絡解決方案，為工廠企業(yè)及其他惡劣的操作環(huán)境架設可支持實時傳輸的以太網，符合IEEE
802．3u的技術標準。以太網接口電路原理圖如圖2所示。
2 分布式指紋識別系統軟件設計
2．1 μC／OS-Ⅱ系統移植
由于系統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，TCP／IP協議通過擴展實現。μC／0S-Ⅱ操作系統是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪和占先式的實時多任務操作系統。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、任務問通信同步、任務管理和內存管理等主要服務，但它的可擴展性強。可擴展的上層服務有：設備驅動，文件系統，圖形系統和TCP／IP協議系統等，并且由于其性能可以與許多高端商業(yè)軟件產品相媲美，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和軟件開發(fā)而設計的搶占式實時多任務操作系統內核，是微控制器啟動后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個系統的框架貫穿系統運行的始終，對實時性和穩(wěn)定性要求很高的數據采集系統而言，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(fā)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(fā)送數據的操作。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 以太網通信模塊實現
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(fā)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(fā)送和接收3部分。片上移植的μClinux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(tài)，模塊的初始化也隨之完成。
2．4 指紋識別模塊軟件實現
指紋識別算法是指紋識別系統的核心。本系統中采用的指紋識別算法實現流程為：提取脊線方向，脊線頻率，經過GABOR濾波，特征提取，與指紋數據庫進行特征匹配。本系統單個節(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系統移植
由于系統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，TCP／IP協議通過擴展實現。μC／0S-Ⅱ操作系統是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪和占先式的實時多任務操作系統。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、任務問通信同步、任務管理和內存管理等主要服務，但它的可擴展性強。可擴展的上層服務有：設備驅動，文件系統，圖形系統和TCP／IP協議系統等，并且由于其性能可以與許多高端商業(yè)軟件產品相媲美，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和軟件開發(fā)而設計的搶占式實時多任務操作系統內核，是微控制器啟動后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個系統的框架貫穿系統運行的始終，對實時性和穩(wěn)定性要求很高的數據采集系統而言，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(fā)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(fā)送數據的操作。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 以太網通信模塊實現
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(fā)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(fā)送和接收3部分。片上移植的μClinux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(tài)，模塊的初始化也隨之完成。
2．4 指紋識別模塊軟件實現
指紋識別算法是指紋識別系統的核心。本系統中采用的指紋識別算法實現流程為：提取脊線方向，脊線頻率，經過GABOR濾波，特征提取，與指紋數據庫進行特征匹配。本系統單個節(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處理，其目的是為了減弱噪聲、改善圖像質量，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)域性差異來實現的。
本系統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構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。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建濾波器。本系統中指紋匹配采用基于特征點集合匹配的校準算法，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果拒絕此人的話，要連續(xù)3次都是拒絕才成立。
3 結束語
此分布式指紋識別系統可應用在基于ARM7核心多節(jié)點的的大型企業(yè)監(jiān)控、門禁管理的場合。本系統可以實現指紋數據采集的現場總線和以太網互聯通信問題，使各分節(jié)點能夠連接到主干以太網絡，方便指紋數據庫的管理和更新，可以進行遠程的特征匹配查詢。該設計的創(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，結構簡單，成本低廉，具有商業(yè)價值；2)設計了具體的系統以太網，CAN總線及電源實現硬件電路圖；3)移植μC／0S-Ⅱ，給出具體指紋識別算法及處理方案，實現穩(wěn)定性和低成本的結合。
此內容為AET網站原創(chuàng)，未經授權禁止轉載。