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嵌入式指纹采集系统的研究与设计论文指纹采集与综合设计论文-学位论文.doc
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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学
2、校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定
3、,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日注 意 事 项1.设计(论文)的内容包括:1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)2)原创性声明3)中文摘要(300字左右)、关键词4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入)6)论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论7)参考文献8)致谢9)附录(对论文支持必要时)2.论文字数要求:理工类设计(论
4、文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。4.文字、图表要求:1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印4)图表应绘制于无格子的页面上5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档5.装订顺序1)设计(论文)2)附件:按照任务书、开题报告
5、、外文译文、译文原文(复印件)次序装订3)其它嵌入式指纹采集系统的研究与设计指纹采集与综合设计摘 要指纹采集技术是指纹识别技术中最为关键的技术之一。随着指纹传感器性能的不断提升以及指纹识别技术的发展与应用,高质量的指纹采集技术已成为一个重要的研究课题。本论文对指纹采集系统做了初步的研究及设计,主要做了以下几方面工作:首先,分析了本课题的研究现状和发展方向,阐述了本课题研究的必要性。考虑到基于ARM体系结构的芯片所具有的强大处理能力和低廉的价格,本设计采用EasyARM615开发套件和C/OS-操作系统来构建一个嵌入式指纹采集系统。而后,根据设计要求对指纹芯片进行了选型,确定了系统的总体设计方案
6、,设计了硬件开发平台;在软件方面,编写并调试了 FPS200驱动程序、指纹采集程序、串行通信程序等。最后,文中对调试过程中碰到的一些问题进行了阐述,给出了解决方法,并对进一步优化系统提出了建议。关键词:FPS200;指纹采集;C/OS-;ARM615内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)The Investigation and Design of Embedded Fingerprint Acquisition SystemFingerprint Acquisition and Comprehensive DesignAbstractFingerprint data acquisition
7、 is the most pivotal sector in the fingerprint identification technology. As the rapid development of fingerprint sensors and the wide application of related technology, high quality fingerprint image acquisition will become a significant issue. This paper did some elementary research on embedded au
8、tomated fingerprint acquisition system, it mainly includes the following several aspects:Firstly, this paper analyses the study actuality and development direction of this task, and explains the necessity of this task. Thinking of the high performance and low cost of ARM-chip, in this paper we const
9、ruct an embedded fingerprint acquisition system based on the EasyARM615 and C/OS-.Secondly, this paper selects the fingerprint chips, confirms the system overall concept, designs the hardware of the system. As the software aspect, we have designed the FPS200 driver, the fingerprint gathering procedu
10、re, the communication serial procedure and so on. At last, this paper elaborates some problems encountered in system debugging, gives methods how to solve them, and some suggestions for system optimization are also provided.Key words: FPS200; Fingerprint Acquisition; C/OS-; ARM615内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文
11、)目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 指纹识别技术概述11.2 课题研究的目的和意义21.3 指纹采集发展历史及研究现状31.3论文的主要内容4第二章 指纹采集系统总体设计52.1 指纹采集系统方案分析52.2 系统总体设计72.2.1 设计思想72.2.2 硬件设计72.2.3 软件设计82.3 指纹识别原理82.4 指纹采集技术概述92.5 本章小结12第三章 指纹采集系统硬件设计133.1 指纹传感器与处理器接口设计133.1.1 FPS200的结构与性能143.1.2 FPS200输出模式选择173.1.3 FPS200与处理器接口电路设计183.2 ARM处理器
12、及外围接口电路设计193.2.1 LM3S615芯片193.2.2 电源电路设计203.2.3 JTAG电路设计213.3 UART通信接口电路设计223.4 本章小结23第四章 指纹采集系统软件设计244.1 FPS200驱动程序设计244.1.1 FPS200初始化254.1.2 指纹检测254.1.3 读、写寄存器264.1.4 典型参数调整274.1.5 指纹图像获取274.2 ARM615开发板初始化294.2.1 系统时钟设置294.2.2 指纹检测中断入口地址设置294.2.3 SSI初始化304.2.4 串口初始化304.2.5 任务堆栈、优先级设置314.3 指纹采集程序设计
13、324.4 串行通信程序设计324.4.1 串行数据收发程序设计324.4.2 上位机通信程序设计334.5 本章小结35第五章 电路板设计与系统调试365.1 印刷电路板的设计365.1.1 PCB板设计思路365.1.2 系统抗干扰举措365.2 硬件调试365.3 软件调试375.4 本章小结39第六章 总结与展望406.1 总结406.2 展望41参考文献42附录A 原理图44附录B 源代码47致谢61 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)第一章 引 言1.1 指纹识别技术概述长期以来,在人类社会活动中需要验证个人身份时,传统的方法是验证该人是否持有有效的证明文件或信物,如照片、密
14、码、磁卡等。从本质上来说,这种方法验证的是该人所持有的某种“物”,而不是验证其本人。只要“物”的有效性得到确认,则持有该“物”的人的身份也就随之得到确认。这种以“物”认人办法的漏洞是显而易见的,首先:合法的人如果遗失验证其身份的“物”,则合法的人本身得不到合法的验证;其次:各种伪造证件、信物以及密码被破译或盗用又使非法的人得到合法的验证。受启发于人的身体特征具有不可复制的特点,人们开始把目光转到生物识别技术上。生物识别技术是基于个人独特的生理和行为特征进行自动身份验证的一种方法,它是随着信息技术的发展而产生和发展起来的一种新型的身份认证技术。人体的身体特征具有不可复制的特点,并且有唯一性和稳定
15、性,这是生物识别技术的基础。研究和经验表明,生物识别技术可以利用的人体生理特征有:指纹、掌纹、面孔、声音、虹膜、视网膜、骨架等等,每个人的这些特征都与别人不同,并且终生不变,因此就可以据此识别出人的身份。在这些人体特征中,人的指纹相对于其它的人体特征具有下述的特点8:1. 稳定性:指纹有很强的稳定性,并且终生不变,一个人从少年一直到老年,其指纹的特征始终是不变的。2. 独特性:指纹有明显的独特性,没有两个指纹完全相同的人,同一个人的十指指纹也有明显的不同。3. 指纹样本便于获取,指纹采集硬件设备容易实现,识别系统开发比较容易。4. 十指指纹各不相同,可以方便的构成多种信息的组合。5. 指纹模板
16、存储的不是指纹图像,而是指纹的特征点,这对系统的存储量和传输时间的要求比较低。从指纹识别技术的特点可以看出,指纹识别技术作为身份验证有着极大的优越性。指纹识别系统过去主要应用于刑侦系统,近几年来,它逐渐走向更为广泛的民用市场。它可广泛应用于电子商务身份认证、网络安全认证、银行证券身份认证、社保系统身份认证、门禁、考勤、考试身份认证等领域。可见,指纹识别技术的飞速发展及广泛应用将开创个人身份鉴别的新时代。1.2 课题研究的目的和意义现在指纹识别技术发展空间越来越广阔,但是在进行指纹识别之前,必须要采集一个清晰,可靠的指纹数据,才能为后续的识别工作打下一个良好的基础,可以说,指纹采集是指纹识别技术
17、中最为关键的一环。所以在指纹识别技术中,人们越来越重视指纹采集技术的研究。同时作为生物特征的指纹虽然稳定性很好,但是仍然存在脱皮、外伤等问题,这对高质量的指纹采集技术产生了极大的挑战,也是自动指纹识别系统研究者需要努力克服的问题。指纹采集主要分为“离线式”和“在线式”两种。所谓“离线式”就是指在指纹采集时,利用某些中间介质(如油墨和纸张)来获取指纹图像,在通过一定的技术手段将图像数字化并输入计算机,它属于非实时采集。目前“离线式”采集方式在大多数场合已经消失。所谓“在线式”是通过与计算机联机的先进指纹传感器作为专用指纹采集设备,将真实的人体指纹直接变成数字图像数据,实时传输给计算机。基于指纹传
18、感器的“在线式”实时采集设备以其操作简单、实时性强、采集效率高、图像质量好等优点,广泛应用于自动指纹识别领域6。综上所述,对于应用前景更为广泛的嵌入式自动指纹识别系统来说,指纹原始图像数据采集显得尤为重要。而从指纹技术的最前端环节指纹传感器,开发出自己特有的图像采集系统,是本课题研究的目标,也就是要实现基于ARM芯片和FPS200指纹传感器的“在线式”指纹图像采集系统。1.3 指纹采集发展历史及研究现状 指纹采集最关键的环节是指纹传感器。过去指纹传感器都是基于光学技术的传感器,这种传感器结构复杂,价格昂贵,体积庞大,造成实际系统价格非常昂贵,因此导致过去指纹识别系统仅仅限于公安、银行等少数特殊
19、部门内应用。90年代中期开始出现半导体的指纹传感器。最初的这类传感器采集的图像质量和光学传感器有较大的差距,但是随着半导体技术的进步,它采集的图像质量也越来越高,现在这两种传感器采集的图像质量差距已经很小了。半导体传感器具有价格低、体积小的优点,特别适合集成在普通的消费电子产品中,大有后来居上、取代光学传感器的趋势。现在这两类指纹传感器在市场上基本是平分天下。90年代末到现在,由于半导体指纹传感器的出现,使得指纹识别的应用领域迅速扩大,在个人电脑上、个人数字助理、掌上电脑、手机等很多领域都开始使用AFIS技术,所以指纹采集的研究重点从光学传感器转移到了半导体传感器。目前,指纹识别已经被全球大部
20、分国家接受与认可,并广泛的应用到政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务和安全防卫等领域。在国外由于其开发指纹识别系统比较早,而且主要利用计算机进行指纹识别,所以技术比较成熟。美国在这一领域的研究水平居于世界最前沿。美国的East Shore,Digital Persona,Veridicom等公司都有自动指纹识别产品面世。自1998年以来,我国在指纹识别应用研究方面发展迅速,核心技术与国外差距不大,国内的部分研究成果在国际上具有先进甚至领先水平。中科院自动化所田捷研究员领导的生物特征研究小组开发的指纹识别算法在FvC2004国际指纹识别竞赛中取得了优异的成绩,在国际同行中很有影响。但在应用技
21、术特别是硬件采集技术上,国内与国外存在着较大的差距。国内上百家从事指纹识别技术应用的企业除了北大高科,中科院自动化所和西安青松等几家科研机构拥有自主产权外,其它的多以代理国外产品为主,拥有自主知识产权的核心技术不多。在性能方面,无论从精度上还是从效率上来看,均不如国际领先的同类产品。以指纹采集的硅芯片为例,国际上的几大厂商几乎垄断了国内所有的市场。而相对容易切入的光学采集仪,高端市场也基本为国际厂商所垄断10。1.3论文的主要内容第1章 引言介绍了指纹识别技术,课题研究的目的和意义及指纹采集的研究现状。 第2章 指纹采集系统总体设计介绍了系统的总体设计,指纹识别原理和指纹采集技术第3章 指纹采
22、集系统硬件设计介绍了系统的硬件设计,具体介绍了每个功能模块的芯片选型,接口电路原理图的设计。第4章 指纹采集系统软件设计介绍了系统的软件设计,重点设计了FPS200驱动程序、系统初始化程序、指纹采集程序及上位机通信程序。第5章 电路板设计与系统调试介绍了在调试系统过程中遇到的问题、解决问题的方法以及一些心得体会。第6章 总结与展望主要总结了设计所取得的成果,并为后续研究提出了一些建议。第二章 指纹采集系统总体设计2.1 指纹采集系统方案分析指纹采集系统可以用51单片机、数字信号处理器、ARM处理器等实现,具体方案分析如下: 方案1:基于51系列单片机指纹采集系统图2.1 基于51系列单片机指纹
23、采集系统框图基于51系列单片机的指纹采集系统原理框图如图2.1所示,该系统采用51单片机作为控制核心。其中FPS200采用MCU模式接口, 指纹数据通过8位并行方式经控制器, 暂存于外扩的数据存储器。采集完一整幅图像后通过串口传到PC机上做后续处理。该指纹采集系统能够简便、快速、低成本的获取可靠的原始指纹灰度图像,但由于控制芯片性能的限制,不能嵌入操作系统,系统实时性、稳定性较差。 方案2:基于数字信号处理器的指纹采集系统基于DSP数字信号处理器的指纹采集系统原理框图如图2.2所示。该系统以指纹传感器FPS200为采集头,以数字信号处理器DSP为控制和计算核心。由于DSP处理器具有很强的数学计
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