摘? 要: 介紹了指紋識別技術" title="識別技術">識別技術的基本原理,嵌入式操作系統" title="嵌入式操作系統">嵌入式操作系統的選擇及定制。計算機控制單元的軟件及硬件設計包括:指紋并口采集板設計及初始化程序,前臺指紋建檔、比對程序，局域網通訊程序，數據處理程序等。
關鍵詞: 指紋識別? 嵌入式? 通訊? 操作系統
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生物測定技術是當前研究的熱點之一。目前,有很多技術等生物測定技術可用于身份認證，包括:虹膜識別、視網膜識別、面部識別、簽名識別、聲音識別技術、指紋識別技術等。其中指紋因具有終生不變性及穩定性,是目前應用前景較好的生物識別系統。但指紋識別目前在國內乃至世界仍未普及的主要原因是：(1)速度慢：目前一般系統辨別需要數秒鐘甚至更長；(2)性能差：錯誤拒識率(FRR)和錯誤接受率(FAR)過高,目前市場上出現的系統一般FRR<3%，FAR<1/106;(3)價格高：由于目前國內主要引用國外成熟的指紋識別技術，并且比對系統采用PC機處理,體積龐大,不便移動。本系統在對指紋識別技術優化的基礎上,與嵌入式技術相結合,可較好地解決上述問題。
1 指紋識別原理
指紋識別的基本原理為:采用細節點坐標模型來做細節匹配,即對指紋的脊線末梢和指紋的脊線分支點提取特征點來鑒定指紋。具體的自動指紋識別系統框圖見圖1。
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指紋圖像" title="指紋圖像">指紋圖像的預處理:目的是去除指紋圖像中的噪音,將其轉化為一幅清晰的點線圖,便于提取正確的指紋特征。預處理影響指紋識別的效果,具有重要的意義。它分四步進行,即灰度濾波、二值化、二值去噪、細化。
對圖像細化后,采用細節點模板提取出指紋圖像的脊線末梢和脊線分支點的位置,將指紋認證問題轉化成為點模式匹配問題。建檔時將特征位置點坐標轉化為極坐標后存入數據庫,作為建檔模板。指紋比對時,采用同樣的方法,得到比對模板。由于要考慮指紋的平移和旋轉(對極坐標只考慮旋轉),對每個關鍵點A,在指紋圖像上尋找兩個與其最近的關鍵點R、S，把A、R、S點的類型(末梢或分支點)分別紀錄為nType1、nType2、nType3;把連接點A與點R、點A與點S、點R與點S的3條虛擬線段所跨越的脊線數分別記為nCrossNum1、nCrossNum2、nCrossNum3。如果這兩點滿足一定匹配條件,則認為點A與點B初匹配成功,如此可選擇出最好的3組對應點,計算出比對模板相對建檔模板的旋轉角度,將比對模板矯正后,再進行細節點的精細匹配,根據隸屬函數可計算兩個指紋的相似度。如大于某個閾值,則認為是同一指紋。
2 系統的定制
2.1 選擇嵌入式操作系統
隨著微電子技術的進步,芯片的制造成本和銷售價格都大大降低了,而功能和內部支持的端口卻大大擴展了,16位和32位嵌入式處理器逐漸成為電子產品設計的主流。為了縮短產品設計周期和運行時間,使工作更穩定、更可靠和更高效并實現需要的復雜功能,需要運行于嵌入式處理器上的嵌入式操作系統,才能形成完整的系統平臺。當前嵌入式操作系統包括Microsoft Embedded NT 4.0、Microsoft Windows CE、Nucleus PLUS、pSOSystem等。由于指紋識別對系統計算能力要求較高,需要具有強大的管理功能,并不需要硬實時功能,在實際開發中選用Microsoft Embedded NT 4.0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;開發環境可選用Visual C++ 6.0并支持組件對象模型、MFC、ATL等。經過實驗驗證，可滿足設計要求。
2.2 系統硬件選擇及開發
系統硬件框圖見圖2。
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????(1)工控" title="工控">工控主板選用研祥PI6584V工控主板,并配如下部件:CPU(AMD K6-2)、內存(168線 64MB)、PC 104以太網卡、32MB DOM。該部分采用5V供電,靜態耗電50μA,峰值耗電量50mA。體積為50mm×80mm×20mm。工控主板在系統中所起作用:搭載系統應用軟件;使用EPP1.9模式,通過并口從并口板讀取指紋圖像數據;將指紋圖像數據通過指紋建檔算法轉化為指紋特征值存入DOM中;實時采集指紋與DOM中指紋特征值進行比對;接收鍵盤輸入鍵值并根據按鍵功能定義進行相應操作;系統狀態信息通過串口" title="串口">串口輸出到控制板中,完成人機操作界面顯示。
(2)指紋采集頭組件(COMS板)。COMS板的主要功能為:實時通過光學指紋采集儀將指紋圖像折射到采像芯片上,由采像芯片完成模擬量到數字量的轉換,并送往并口板存儲器中暫存。COMS板的核心器件為OV7120和指紋采集儀。OV7120為黑白單片COMS VGA采像器件。指紋采集儀為光學采像頭,型號為ZYZ202A。該型號采像頭為長春方圓定型產品,主要技術參數:手指接觸面: 光學玻璃;采像有效面積:22mm×22mm;成像方式:棱鏡折射式;圖像分辨率:450dpi。
(3)并口板主要功能為:通過I2C總線對COMS板中采像芯片OV7120設置有關參數;從COMS板提取指紋采像數據并暫存于存儲器中;每存取一幀圖像數據即通過并口(EPP模式)向工控主板發出請求信號;根據工控主板發出的數據提取信號將指紋圖像數據輸入系統進行有關處理;實時檢測整機內部環境溫度并控制相關排風扇的工作。并口板的核心器件為EPM7032、AT89C2051、IS61C1024L。EPM7032為FPGA,其主要作用是完成COMS板指紋圖像數據到工控主板的數據傳遞。AT89C2051是通用8位單片機。IS61C1024L為128K×8bit高速COMS靜態存儲器，與并口板之間采用IDC-20P雙排針接口。
(4)控制板主要功能為:接受外部命令并將對應鍵值輸入工控主板以完成相關操作，通過串口從工控主板獲取顯示內容并轉化為液晶屏顯示所需格式。控制板含有15個按鍵,為導電膠方式。按鍵包括:Menu、Cancel、OK、0～9、<、>共15個鍵。控制板的核心器件為鍵盤掃描芯片EM83050和標準8位單片機AT89C2051。與工控主板之間采用TJC3-3P插座;與液晶屏之間采用TJC3-9P插座。
(5)液晶屏主要用來顯示系統所處狀態。液晶屏型號為WGM12232H,點陣大小122×32。
串口LED顯示采用RS232/485接口與計算機通信,通信方式:RS232接口、波特率115200bps、異步8位、1位起始位、8位數據位、1位停止位。
發送數據格式如下:
55H AAH XX顯示數據
????其中， 55H AAH為數據頭標志，XX為背光控制字:48H點亮背光,其余不點亮背光。
通信說明:通信主動方為PC,被動方為LCD。首先PC發送數據頭命令55H、AAH,LCD接收到數據頭后,判斷是否正確。若正確則開始接收背光控制字并顯示數據;否則退出接收狀態。傳輸數據中,當LCD端檢測到傳輸中斷超時,即退出接收狀態。LCD值守狀態時處于背光熄滅狀態,當檢測有鍵按下或有指紋時,上位機發送背光控制字(48H)使背光點亮。
完成硬件設計,通過編寫測試軟件在PC平臺上進行測試,基本可滿足系統要求。
3 軟件及驅動編寫
3.1 嵌入式NT系統定制
硬件測試完成后，根據硬件的中斷號、插槽及系統要求的性能,需要對嵌入式NT進行定制。在NT系統裁減器中,主要選擇如下:
????(1)選擇 Minimal With Network Copy至 Minimal With Network;
(2)System中Devices選擇Display-NullVga,Serial Ports-com1/com2(中斷號:5/6),Parallel Ports-LPT1；
(3)Networks:Network adapters-Novel NE2000 Compatile Adapts,Network Protocol-TCP/IP,Network Services-LAN Manage Workstations、Simple TCP Service、DHCP client、Winsock;
(4)Share System Component中選擇Display Common、Keyboard driver common、Network Common、Virtual memory mamage;
(5)Applications中選擇Shell-command Shell,Utilities-Windows NT Command Prompt。
??? 生成操作系統后,做一張嵌入式NT啟動盤,用啟動盤格式化DOM,鍵入NTBoot>后將操作系統拷貝至DOM,NT操作系統即可運行。
3.2 軟件編寫
系統流程圖見圖3。
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??? 系統啟動部分主要功能:初始化指紋識別模塊InitFp();初始化串口和刷新液晶LCDInit(int(hWnd));初始化字庫IniFontLib();初始化鍵盤響應InitKeySys();初始化并口采像設備InitParrel();初始化液晶顯示 InitDispay();將指紋庫,密碼庫裝入內存LoadAll()。系統啟動完成后開始線程ThreadMain(),在線程中進入程序死循環,在循環中主要響應按鍵和采集圖像進行指紋比對。其中按鍵響應分三部分:
(1)當輸入的按鍵個數等于設定個數(人員代碼長度+密碼長度)時,進行密碼考勤;
(2)指紋考勤分為分組考勤(即輸入按鍵的數字鍵數目為1時進行)、1：1考勤(即輸入按鍵數目等于人員代碼長度時進行);
????(3)值守狀態下,按MENU鍵,輸入正確系統密碼進入管理狀態。?
系統菜單包括:值守，指紋建檔，1：1建檔，密碼建檔，指紋刪除，密碼刪除，指紋查詢，指紋分組查詢，密碼查詢，系統日期，系統時間，默認組設置，修改IP地址，語言設置，代碼長度設置，系統密碼。
采集圖像進行指紋比對:在大循環中,先讀圖像:ReadImg(Img，50);如果讀圖像成功,進行比對:SysMatch(Img);比對成功后,顯示人員代碼、姓名。
3.3 數據傳輸部分
定義流水帳結構為:考勤時間:_SYSTEMTIME T;人員代碼:char Code[16];出入標志:Byte Inout。網絡傳輸采用標準TFTP和UDP協議進行通信,詳細通信協議如下:
上傳下載采用TFTP協議,主要完成的功能包括:上載人員名單、備份、下傳流水帳、備份數據至主機。UDP主要負責打開、關閉TFTP服務。網絡通信模塊采用標準
TFTP協議:
報頭==0x81?? 下載
報頭==0x82?? 上載
傳遞文件只能為流水賬、配置表、指紋數據、密碼數據。
4 實驗及測試結果
系統設計完成后,可脫機值守工作。122×32點陣LCD實時顯示時鐘、操作狀態,并具有15鍵操作鍵盤,可獨立完成建檔及查詢等功能。系統核查指紋1:N、1:1兩種方式兼容,體積小巧,支持桌面及壁掛放置(外形尺寸:255mm×176mm×100mm),提供RS232/R485、RJ45接口,支持局域網連接。提供識別記錄的標準數據格式,可用于二次開發或與人事工資等管理軟件掛接。指紋登記個數≥3000枚,數據存儲容量≥50萬條記錄。
為驗證系統性能,選取1000枚指紋作實驗,其中每300枚指紋為一組,實驗結果如下:
(1)指紋核查通過時間:<2s;
(2)誤識率(FAR):<0.001%;
(3)拒識率(FRR):<1%;
(4)功耗:<60W;
(5)分辨率:450dpi。
上述指紋管理系統已初步通過實驗檢測,運行正常,并通過了有關部門初步驗證。本系統將指紋識別與嵌入式技術結合在一起,降低了系統成本,可廣泛用于生活小區物業管理，學校的考場管理，軍事、政府部門的身份鑒別。應用前景廣闊。
但是,該系統還存在兩個問題:(1)對指紋質量比較差的指紋存在建檔較難的問題(FFR過高);(2)算法過于復雜,影響系統性能。還應對算法和操作系統性能進一步優化。
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參考文獻
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