基于嵌入式指纹识别系统

嵌入式系统结业（论文）基于Linux的嵌入式指纹识别系统学生姓名：所在学院：信息技术学院班级：电气11（5）学号：中国·大庆2014年6月摘要：实现指纹识别需要大量的运算，在ARM平台上运行速度较慢，满足不了系统实时性需求，针对这个问题提出了指纹识别系统设计方案。采用ARM控制器S3C2410为主控CPU，进行任务管理、输入输出接口和外部设备控制，DSP数字处理芯片TMS320VC5416作为专门的指纹图像数据处理模块，快速完成指纹图像的数据运算。设计了S3C2410与TMS320VC5416的接口电路和主控制器、采集器的软件。实验证明该设计能够满足系统的实时性要求。关键词:嵌入式系统；指纹识别；ARM；图像处理1引言指纹识别技术是利用人体的生物特征来进行身份验证的一种技术。由于人的生物特征具有人体所固有的不可复制的唯一性，因此这一生物特征无法复制、不会失窃或遗失。作为目前在个人身份识别领域中最为成熟的生物识别技术，指纹识别成为很多应用场合的首选。由于指纹图像自身较复杂，加上应用场合对其识别精确度的较高要求，实现指纹识别需要进行大量的运算。目前常用的ARM硬件平台不擅长大量、快速的运算，因而不能很好地满足实时性要求。针对此问题，本文以ARM为主控CPU，管理任务和外围设备，‘而将大量的图像数据处理交由DSP数字处理芯片完成，不仅可以大大提高系统的实时性，而且由于嵌入式系统体积小、功耗低、功能相对专一，同时也提高了系统的稳定性、可靠性和安全性。2识别方法与硬件组成2.1指纹图像的处理指纹识别一般都要经过图像获取、特征提取和指纹匹配3个过程，如图1所示，图像获取是通过设备获取手指表面上的凹凸信息并转化为数字图像的过程，特征提取则从图像中提取指纹特征，指纹匹配一般是指匹配指纹的特征。原始指纹图像输出结果图1指纹图像处理流程特征提取特征匹配指纹数据库图像预处理2.2指纹识别系统的硬件组成系统硬件电路主要包括ARM控制器S3C2410、DSP处理器TMS320VC5416、FPS200指纹传感器、显示和键盘电路等，如图2所示。其中，S3C2410作为主控制器，负责任务管理、输入输出接口和控制外部设备；DSP处理芯片TMS320VC5416作为专门的指纹处理模块，负责快速的图像数据的运算。图2系统硬件图2.3指纹采集模块指纹采集模块采用美国Veridicom公司的电容式指纹传感器芯片FPS200。FPS200指纹传感器在其表面集成了256300个电容器，外表面是绝缘层，当用户的手指放在上面时，由皮肤来组成电容阵列的另一面。电容器的电容由于导体问的距离而降低，即指纹的脊(近的)和谷(远的)相对于另一极之间的距离，通过读取充放电之后的电容差值来获取指纹图像。FPS200提供了与微处理相连的接口，并且内置8位高速A／D转换器，可直接输出8位灰度图像。传感器采用标准CMOS技术，获取图像大小为256300个像素点，分辨率为500DPI。FPS芯片的功能是采集指纹，当用户把手指放到采集板上，采集板产生一个硬件中断，此时用户程序可以通过读取中断标准位的方式得到该响应，然后用户程序发出控制指令读取指纹数据。2.4S3C2410与TMS320VC5416的接口设计TMS320VC5416通过HPI(Host—PostInterface)接口与S3C2410直接连接。HPI接口是报警TMS320VC5416S3C2410LED显示键盘SDRAMFLASHFLASHSDRAM指纹采集模块PPS200DSP与主机相连接的一个并行通信口，是构建主从式系统，实现主机与从机通信的重要接口。主机通过HPI可以访问DSP内全部的存储空间及地址空间映射的外设，进而控制DSP，实现数据交换。硬件连接电路见图3。S3C2410的2根地址线ADDR[3：2]连接到HPI接口的HCNTL[1：0]，以实现ARM对HPI寄存器的访问；ADDRl连接到HBIL端以决定访问的是第一个字节还是第二个字节；由于S3C2410没有HR／W信号，所以采用ADDR4代替读写选通信号连接到HR／W以决定当前操作是读还是写；s3C2410片选信号nGCSI接到HPI片选HCS上，和HDSI，HDS2信号一起控制HPI的数据传输，这3个信号中最后出现的一个下降沿完成对HCNTL[1：0]，HBIL，HR／W信号的采样，将DSP的HPI接口作为外部物理地址映射到S3C2410的内核空间。S3C2410TMS320VC5416图3S3C240与TMS320VC5416的硬件接口3软件设计3.1软件主程序流程系统软件结构分为ARM部分和DSP部分。ARM部分以Linux为操作系统；DSP部分提供完整的的HPI驱动程序及通信协议，通过增加相应的数据处理程序控制，利用HPI并口与主机ARM进行数据交换；此外，DSP与ARM可以各自作为独立的系统使用，他们均有完整的子系统软件。系统通电检测设备的状态，由于FPS200具有手指自动检测功能，在系统自检成功后，系统进入低功耗待机状态．当传感器感应到手指时，唤醒DSP进入指纹图像采集阶段，将数据直接存储到图像RAM中。采集完1帧指纹图像后由ARM通知DSP进入指纹匹配阶段。由DSP完成图像的预处理，特征点提取，指纹对比等运算，并发出控制信号．最后由ARMDATA[8:0]ADDR1ADDR[3:2]n0EnEWnGS1nWAITENITHD[8:0]HBILHCNTL[1:0]HR/WHDS2HCSHRDYHINT完成显示、报警的控制．主程序流程见图4。NYYNY图4主程序流程3．2图像采集流程系统采用linux为操作系统，因为在Linux下没有FPS200相应的驱动程序，必须另行设计。FPS指纹图像采集采用分行采集和传输的方式，采集流程如图5所示。系统上电初始化系统自检开始待机收到指纹对比信号采集指纹图像匹配指纹图像输出显示报警、显示匹配正确否是否是图5FPS200指纹采集流程4结束语系统采用FPS200固体指纹传感器作为指纹采集元器件；利用ARM强大的控制功能和在人机交互方面的优势，采用了S3C2410作为主控制器；充分利用DSP的高速运算处理能力，采用TMS320VC5416作为专门的指纹处理模块完成复杂的指纹辨识算法；通过HPI接口方便地实现了ARM与DSP之间的数据交换．该方案能满足嵌入式系统对实时性的要求，适合不宜采用基于PC架构的指纹识别场合。参考文献[1]程伟，何俊华。智能指纹识别系统设计[J]。嵌入式系统应用，2009，3(2)：3l一32。[2]杨先周，李见为，罗焕发。基于ARM与DSP的指纹识别系统通信设计[J]。电脑知识与技术，2009，5(11)：2977—2979。[3]高炳坤，陶东升，王健，等。基于ARM和DSP的嵌入式监控系统设计[J]。黑龙江八一农初始化系统寄存器检测手指待机发送控制字，读取固定行指纹数据启动包发送整幅图像读取上传主机垦大学学报，2009，21(1)：59—62。[4]张崎文，解书钢。ARM嵌入式常用模块与综合系统i殳计实例精讲[M]。北京：电子工业出版社，2007。[5]余发山，李睿，陈步威。基于小波变换的Canny检测算法[J]。河南理T大学学报：自然科学版，2009，28(1)：71—74。[6]郝玉浩，冯银付，赖攀。基于指纹识别的VPN身份认证研究[J]。计算机应用，2009，29(2)：350—352。[7]吴冰，陈步威，李富贵，等。基于Hough变换的人眼检测方法研究[J]。河南理工大学学报：自然科学版，2008，27(5)：556—564。[8]祝恩，殷建平，张国敏，等。自动指纹识别技术[M]。长沙：国防科技大学出版社，2006。[9]刘丹。基于FPS200的指纹自动识别系统的开发与实现[D]。沈阳：东北大学，2006。