摘? 要: 介紹了指紋識(shí)別技術(shù)" title="識(shí)別技術(shù)">識(shí)別技術(shù)的基本原理,嵌入式操作系統(tǒng)" title="嵌入式操作系統(tǒng)">嵌入式操作系統(tǒng)的選擇及定制。計(jì)算機(jī)控制單元的軟件及硬件設(shè)計(jì)包括:指紋并口采集板設(shè)計(jì)及初始化程序,前臺(tái)指紋建檔、比對(duì)程序，局域網(wǎng)通訊程序，數(shù)據(jù)處理程序等。

　　關(guān)鍵詞: 指紋識(shí)別? 嵌入式? 通訊? 操作系統(tǒng)

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　　生物測(cè)定技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。目前,有很多技術(shù)等生物測(cè)定技術(shù)可用于身份認(rèn)證，包括:虹膜識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、面部識(shí)別、簽名識(shí)別、聲音識(shí)別技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)等。其中指紋因具有終生不變性及穩(wěn)定性,是目前應(yīng)用前景較好的生物識(shí)別系統(tǒng)。但指紋識(shí)別目前在國(guó)內(nèi)乃至世界仍未普及的主要原因是：(1)速度慢：目前一般系統(tǒng)辨別需要數(shù)秒鐘甚至更長(zhǎng)；(2)性能差：錯(cuò)誤拒識(shí)率(FRR)和錯(cuò)誤接受率(FAR)過(guò)高,目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的系統(tǒng)一般FRR<3%，F(xiàn)AR<1/106;(3)價(jià)格高：由于目前國(guó)內(nèi)主要引用國(guó)外成熟的指紋識(shí)別技術(shù)，并且比對(duì)系統(tǒng)采用PC機(jī)處理,體積龐大,不便移動(dòng)。本系統(tǒng)在對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,與嵌入式技術(shù)相結(jié)合,可較好地解決上述問(wèn)題。

1 指紋識(shí)別原理

　　指紋識(shí)別的基本原理為:采用細(xì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型來(lái)做細(xì)節(jié)匹配,即對(duì)指紋的脊線末梢和指紋的脊線分支點(diǎn)提取特征點(diǎn)來(lái)鑒定指紋。具體的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

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　　指紋圖像" title="指紋圖像">指紋圖像的預(yù)處理:目的是去除指紋圖像中的噪音,將其轉(zhuǎn)化為一幅清晰的點(diǎn)線圖,便于提取正確的指紋特征。預(yù)處理影響指紋識(shí)別的效果,具有重要的意義。它分四步進(jìn)行,即灰度濾波、二值化、二值去噪、細(xì)化。

　　對(duì)圖像細(xì)化后,采用細(xì)節(jié)點(diǎn)模板提取出指紋圖像的脊線末梢和脊線分支點(diǎn)的位置,將指紋認(rèn)證問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為點(diǎn)模式匹配問(wèn)題。建檔時(shí)將特征位置點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)后存入數(shù)據(jù)庫(kù),作為建檔模板。指紋比對(duì)時(shí),采用同樣的方法,得到比對(duì)模板。由于要考慮指紋的平移和旋轉(zhuǎn)(對(duì)極坐標(biāo)只考慮旋轉(zhuǎn)),對(duì)每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)A,在指紋圖像上尋找兩個(gè)與其最近的關(guān)鍵點(diǎn)R、S，把A、R、S點(diǎn)的類(lèi)型(末梢或分支點(diǎn))分別紀(jì)錄為nType1、nType2、nType3;把連接點(diǎn)A與點(diǎn)R、點(diǎn)A與點(diǎn)S、點(diǎn)R與點(diǎn)S的3條虛擬線段所跨越的脊線數(shù)分別記為nCrossNum1、nCrossNum2、nCrossNum3。如果這兩點(diǎn)滿足一定匹配條件,則認(rèn)為點(diǎn)A與點(diǎn)B初匹配成功,如此可選擇出最好的3組對(duì)應(yīng)點(diǎn),計(jì)算出比對(duì)模板相對(duì)建檔模板的旋轉(zhuǎn)角度,將比對(duì)模板矯正后,再進(jìn)行細(xì)節(jié)點(diǎn)的精細(xì)匹配,根據(jù)隸屬函數(shù)可計(jì)算兩個(gè)指紋的相似度。如大于某個(gè)閾值,則認(rèn)為是同一指紋。

2 系統(tǒng)的定制

2.1 選擇嵌入式操作系統(tǒng)

　　隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步,芯片的制造成本和銷(xiāo)售價(jià)格都大大降低了,而功能和內(nèi)部支持的端口卻大大擴(kuò)展了,16位和32位嵌入式處理器逐漸成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流。為了縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和運(yùn)行時(shí)間,使工作更穩(wěn)定、更可靠和更高效并實(shí)現(xiàn)需要的復(fù)雜功能,需要運(yùn)行于嵌入式處理器上的嵌入式操作系統(tǒng),才能形成完整的系統(tǒng)平臺(tái)。當(dāng)前嵌入式操作系統(tǒng)包括Microsoft Embedded NT 4.0、Microsoft Windows CE、Nucleus PLUS、pSOSystem等。由于指紋識(shí)別對(duì)系統(tǒng)計(jì)算能力要求較高,需要具有強(qiáng)大的管理功能,并不需要硬實(shí)時(shí)功能,在實(shí)際開(kāi)發(fā)中選用Microsoft Embedded NT 4.0嵌入式操作系統(tǒng),它具有操作系統(tǒng)的完善功能和強(qiáng)大的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)功能;開(kāi)發(fā)環(huán)境可選用Visual C++ 6.0并支持組件對(duì)象模型、MFC、ATL等。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 系統(tǒng)硬件選擇及開(kāi)發(fā)

　　系統(tǒng)硬件框圖見(jiàn)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(nèi)存(168線 64MB)、PC 104以太網(wǎng)卡、32MB DOM。該部分采用5V供電,靜態(tài)耗電50μA,峰值耗電量50mA。體積為50mm×80mm×20mm。工控主板在系統(tǒng)中所起作用:搭載系統(tǒng)應(yīng)用軟件;使用EPP1.9模式,通過(guò)并口從并口板讀取指紋圖像數(shù)據(jù);將指紋圖像數(shù)據(jù)通過(guò)指紋建檔算法轉(zhuǎn)化為指紋特征值存入DOM中;實(shí)時(shí)采集指紋與DOM中指紋特征值進(jìn)行比對(duì);接收鍵盤(pán)輸入鍵值并根據(jù)按鍵功能定義進(jìn)行相應(yīng)操作;系統(tǒng)狀態(tài)信息通過(guò)串口" title="串口">串口輸出到控制板中,完成人機(jī)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(shí)時(shí)通過(guò)光學(xué)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(shù)字量的轉(zhuǎn)換,并送往并口板存儲(chǔ)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(xué)采像頭,型號(hào)為ZYZ202A。該型號(hào)采像頭為長(zhǎng)春方圓定型產(chǎn)品,主要技術(shù)參數(shù):手指接觸面: 光學(xué)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(guò)I2C總線對(duì)COMS板中采像芯片OV7120設(shè)置有關(guān)參數(shù);從COMS板提取指紋采像數(shù)據(jù)并暫存于存儲(chǔ)器中;每存取一幀圖像數(shù)據(jù)即通過(guò)并口(EPP模式)向工控主板發(fā)出請(qǐng)求信號(hào);根據(jù)工控主板發(fā)出的數(shù)據(jù)提取信號(hào)將指紋圖像數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)處理;實(shí)時(shí)檢測(cè)整機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度并控制相關(guān)排風(fēng)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(shù)據(jù)到工控主板的數(shù)據(jù)傳遞。AT89C2051是通用8位單片機(jī)。IS61C1024L為128K×8bit高速COMS靜態(tài)存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)鍵值輸入工控主板以完成相關(guān)操作，通過(guò)串口從工控主板獲取顯示內(nèi)容并轉(zhuǎn)化為液晶屏顯示所需格式?？刂瓢搴?5個(gè)按鍵,為導(dǎo)電膠方式。按鍵包括:Menu、Cancel、OK、0～9、<、>共15個(gè)鍵。控制板的核心器件為鍵盤(pán)掃描芯片EM83050和標(biāo)準(zhǔn)8位單片機(jī)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(lái)顯示系統(tǒng)所處狀態(tài)。液晶屏型號(hào)為WGM12232H,點(diǎn)陣大小122×32。

　　串口LED顯示采用RS232/485接口與計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)位、1位停止位。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)格式如下:

　　55H AAH XX顯示數(shù)據(jù)

????其中， 55H AAH為數(shù)據(jù)頭標(biāo)志，XX為背光控制字:48H點(diǎn)亮背光,其余不點(diǎn)亮背光。

　　通信說(shuō)明:通信主動(dòng)方為PC,被動(dòng)方為L(zhǎng)CD。首先PC發(fā)送數(shù)據(jù)頭命令55H、AAH,LCD接收到數(shù)據(jù)頭后,判斷是否正確。若正確則開(kāi)始接收背光控制字并顯示數(shù)據(jù);否則退出接收狀態(tài)。傳輸數(shù)據(jù)中,當(dāng)LCD端檢測(cè)到傳輸中斷超時(shí),即退出接收狀態(tài)。LCD值守狀態(tài)時(shí)處于背光熄滅狀態(tài),當(dāng)檢測(cè)有鍵按下或有指紋時(shí),上位機(jī)發(fā)送背光控制字(48H)使背光點(diǎn)亮。

　　完成硬件設(shè)計(jì),通過(guò)編寫(xiě)測(cè)試軟件在PC平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試,基本可滿足系統(tǒng)要求。

3 軟件及驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)

3.1 嵌入式NT系統(tǒng)定制

　　硬件測(cè)試完成后，根據(jù)硬件的中斷號(hào)、插槽及系統(tǒng)要求的性能,需要對(duì)嵌入式NT進(jìn)行定制。在NT系統(tǒng)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(hào):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(tǒng)后,做一張嵌入式NT啟動(dòng)盤(pán),用啟動(dòng)盤(pán)格式化DOM,鍵入NTBoot>后將操作系統(tǒng)拷貝至DOM,NT操作系統(tǒng)即可運(yùn)行。

3.2 軟件編寫(xiě)

　　系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖3。

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??? 系統(tǒng)啟動(dòng)部分主要功能:初始化指紋識(shí)別模塊InitFp();初始化串口和刷新液晶LCDInit(int(hWnd));初始化字庫(kù)IniFontLib();初始化鍵盤(pán)響應(yīng)InitKeySys();初始化并口采像設(shè)備InitParrel();初始化液晶顯示 InitDispay();將指紋庫(kù),密碼庫(kù)裝入內(nèi)存LoadAll()。系統(tǒng)啟動(dòng)完成后開(kāi)始線程ThreadMain(),在線程中進(jìn)入程序死循環(huán),在循環(huán)中主要響應(yīng)按鍵和采集圖像進(jìn)行指紋比對(duì)。其中按鍵響應(yīng)分三部分:

　　(1)當(dāng)輸入的按鍵個(gè)數(shù)等于設(shè)定個(gè)數(shù)(人員代碼長(zhǎng)度+密碼長(zhǎng)度)時(shí),進(jìn)行密碼考勤;

　　(2)指紋考勤分為分組考勤(即輸入按鍵的數(shù)字鍵數(shù)目為1時(shí)進(jìn)行)、1：1考勤(即輸入按鍵數(shù)目等于人員代碼長(zhǎng)度時(shí)進(jìn)行);

????(3)值守狀態(tài)下,按MENU鍵,輸入正確系統(tǒng)密碼進(jìn)入管理狀態(tài)。?

　　系統(tǒng)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(xún)，指紋分組查詢(xún)，密碼查詢(xún)，系統(tǒng)日期，系統(tǒng)時(shí)間，默認(rèn)組設(shè)置，修改IP地址，語(yǔ)言設(shè)置，代碼長(zhǎng)度設(shè)置，系統(tǒng)密碼。

　　采集圖像進(jìn)行指紋比對(duì):在大循環(huán)中,先讀圖像:ReadImg(Img，50);如果讀圖像成功,進(jìn)行比對(duì):SysMatch(Img);比對(duì)成功后,顯示人員代碼、姓名。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸部分

　　定義流水帳結(jié)構(gòu)為:考勤時(shí)間:_SYSTEMTIME T;人員代碼:char Code[16];出入標(biāo)志:Byte Inout。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)TFTP和UDP協(xié)議進(jìn)行通信,詳細(xì)通信協(xié)議如下:

　　上傳下載采用TFTP協(xié)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(shù)據(jù)至主機(jī)。UDP主要負(fù)責(zé)打開(kāi)、關(guān)閉TFTP服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用標(biāo)準(zhǔn)

　　TFTP協(xié)議:

　　報(bào)頭==0x81?? 下載

　　報(bào)頭==0x82?? 上載

　　傳遞文件只能為流水賬、配置表、指紋數(shù)據(jù)、密碼數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,可脫機(jī)值守工作。122×32點(diǎn)陣LCD實(shí)時(shí)顯示時(shí)鐘、操作狀態(tài),并具有15鍵操作鍵盤(pán),可獨(dú)立完成建檔及查詢(xún)等功能。系統(tǒng)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(wǎng)連接。提供識(shí)別記錄的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式,可用于二次開(kāi)發(fā)或與人事工資等管理軟件掛接。指紋登記個(gè)數(shù)≥3000枚,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量≥50萬(wàn)條記錄。

　　為驗(yàn)證系統(tǒng)性能,選取1000枚指紋作實(shí)驗(yàn),其中每300枚指紋為一組,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

　　(1)指紋核查通過(guò)時(shí)間:<2s;

　　(2)誤識(shí)率(FAR):<0.001%;

　　(3)拒識(shí)率(FRR):<1%;

　　(4)功耗:<60W;

　　(5)分辨率:450dpi。

　　上述指紋管理系統(tǒng)已初步通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè),運(yùn)行正常,并通過(guò)了有關(guān)部門(mén)初步驗(yàn)證。本系統(tǒng)將指紋識(shí)別與嵌入式技術(shù)結(jié)合在一起,降低了系統(tǒng)成本,可廣泛用于生活小區(qū)物業(yè)管理，學(xué)校的考場(chǎng)管理，軍事、政府部門(mén)的身份鑒別。應(yīng)用前景廣闊。

　　但是,該系統(tǒng)還存在兩個(gè)問(wèn)題:(1)對(duì)指紋質(zhì)量比較差的指紋存在建檔較難的問(wèn)題(FFR過(guò)高);(2)算法過(guò)于復(fù)雜,影響系統(tǒng)性能。還應(yīng)對(duì)算法和操作系統(tǒng)性能進(jìn)一步優(yōu)化。

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