本科生毕业论文
基于DSP的指纹识别系统设计
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教研室（或答辩小组）及教学系意见
摘要
指纹识别技术是数字图像处理技术的基础上,逐步发展。相对于古代的身份认证技巧,如暗码、种种文凭和其余生物认证技术,如语音、虹膜、指纹识别是一种更合理的身份认证技巧。利用指纹识别有许多好处如:每个人的指纹都是有差异的,极难复制或被盗,指纹是确定的,不随岁数的变化或康健程度改变;最重要的是最重要的是指纹图像是很容易的，容易的识别系统，实用和较高的可行性。当代电子集成建设技巧许可咱们做出一个十分小的指纹图象读取装配，同时飞速发展的个人计算机运算速率供应了在微机乃至DSP上能够运行两个指纹的比对运算。指纹识别算法是非常成熟的，可用于安全检测设备和控制各种各样的东西。现在,指纹识别应用领域的考勤,门禁,安全内阁,相信随着指纹识别技术的提高,也广泛应用于身份证、车辆、家庭等领域。
本设计主要利用MBF200指纹传感器和TMS320C5402组成指纹识别模块，实现指纹识别的算法，并把成果经过串口送出来。控制部分的核心是TMS320C5402，它完成与指纹识别模块、PC机的通信，并控制各种外围电路的工作。已经完成的设计是访问控制的功能，访问控制功能，适用于公共场所和私人住宅，并能记录收盘纪录。
【关键字】MBF200 TMS320C5402 步进电机串口通信
Abstract
Fingerprint identification technology is digital image processing technology, on the basis of gradual development. Relative to the ancient identity authentication techniques, such as combination, the diploma and the rest of the biometric technologies, such as speech, iris, fingerprint recognition is a more reasonable identity authentication techniques. By using fingerprint identification has many advantages, such as: there are differences in each person's fingerprints are, very difficult to copy or stolen, the fingerprint is certain, do not change with the change of the age or fitness level; Is the most important is the most important fingerprint like easy, easy identification system, practical and high feasibility. Modern electronic integration construction skills permission let's make a very small fingerprint image read assembly, at the same time, the rapid development of personal computing rate to supply on the microcomputer and DSP can run two fingerprint matching computation. Fingerprint identification algorithm is very mature and can be used for safety inspection equipment and control all kinds of things. Now, fingerprint identification application in the field of attendance, access control, security cabinet, believe that with the improvement of the fingerprint identification technology, also widely used in the identification card, vehicle, household and other fields.
This design mainly use MBF200 fingerprint sensor and TMS320C5402 fingerprint identification module, realizes the fingerprint identification algorithm, and through a serial port to send out the results. Control part is the core of TMS320C5402, it complete with fingerprint identification module and PC communications, and controls the work of various kinds of peripheral circuit. Has completed the design of the is a function of access control, access control function, apply to the public and private house, and can record record closes.
【keyword】MBF200 TMS320C5402 step electromotor the serial communication
目录
摘要 (2)
ABSTRACT (3)
一引言 (1)
1.1DSP指纹识别系统研究的背景与问题概述 (1)
1.1.1DSP指纹识别系统的研究背景 (1)
1.1.2DSP指纹识别系统的研究概述 (2)
1.2DSP指纹识别系统研究的意义和重要性 (2)
1.2.1研究的意义 (2)
1.2.2研究的重要性 (3)
1.3研究的内容和主要工作 (3)
1.3.1研究的内容 (3)
1.3.2本人研究的主要工作和结构安排 (4)
二相关技术简介 (4)
2.1嵌入式系统简介 (4)
2.1.1嵌入式系统简介 (4)
2.1,2数字信号处理器 (5)
三设计目标及设计方案论证 (5)
3.1系统的功能要求及目标 (5)
3.2系统的整体框架及设计方案 (8)
四系统原理与设计 (8)
4.1TMS320C5402结构及其主要特点 (9)
4.2基于DSP指纹识别系统原理 (10)
4.3硬件设计 (11)
4.3.1电源、复位电路设计 (11)
4.3.2JTAG仿真接口电路 (13)
4.3.3指纹传感器的性能特点 (14)
4.3.4MBF200和C5402的SPI接口 (14)
4.4系统软件设计 (15)
4.4.1指纹图像读取 (15)
4.4.2系统初始化 (16)
4.4.3MCBSP和DMA系统设定初始值 (18)
4.4.416位字的指纹数据通过M C BSP1接收 (22)
4.4.5设计中断扩展 (23)
五总结与展望 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
附图 (29)
一引言
1.1 DSP指纹识别系统研究的背景与问题概述
由于当代经济和社会的不断发展,越来越多的场所需求确认身份。传统的识别技术已经远远没有满足这个需求。人类特征的克隆不能根据物理特性，人们开始作为生物特征识别技术的关键。
指纹识别以其独特的特性,因为许多生物识别技术支持。指纹识别技巧是当前国内外重要行使的指纹识别技术特征,从钻研的角度来看,海内和国际的差异并不显明然而，对于国内的指纹识别技术的研究主要集中在研究的角度来看，很长时间没有参加训练，在实际应用中，它是在这些技术与市场的实际需求，有很大的区别。而实际上从事指纹技术的应用企业并不拥有绝大多数使用的是外国的指纹识别算法。和大多数指纹识别产品的制造商都采用了假冒的外国产品的模式,核心组件“指纹识别模块”通常依赖国外进口。因此，知识产权的指纹识别算法和指纹识别模块的发展将会有一个很好的市场前景。
1.1.1 DSP指纹识别系统的研究背景
相关数据显示,华夏是最先的国度在世界上指纹识别技术的利用。中国长期以来一直在六千年前出土半坡陶器指纹的痕迹。指纹记录显示的第一个应用程序出现在中国古代先秦时期，如《春秋》南郑商城遗址中出土的春秋战国时期指纹处理等唐代以通过这本书《指纹》是广泛应用于民事案件文档、合同。著名学者德尔《指纹》的权威著作总结说:“根据中国周礼貌稀疏记录,中国第一个提到的指纹识别个人是唐代作家贾庆林。他的著作写于公元650年,他指出指纹是肯定小我识别的方法是世界上最先的作者之一。自宋以来，指纹作为刑事诉讼中的证据。指纹在古代中国的贷款协议,销售证书,结婚证、离婚监狱忏悔的各个方面得到广泛应用。我国在普遍利用指、掌纹的持久史籍性，跟着对外文明的交换，应用指纹的古代风俗流传到了世界上很多国度。中国也是世界公认的指纹发源地。
随着个人计算机的普及，人们在办公室和个人数据的处理，越来越多的计算
机上，因此在信息的计算机，如程序，文件和数据的安全性变得越来越重要。由于密码容易遗忘或被盗的缺陷，因此，出现类似的指纹，指纹认证，指纹文件锁，指纹磁盘，指纹鼠标有大量的硬件产品的指纹和指纹PDA手机应用软件。
1.1.2 DSP指纹识别系统的研究概述
指纹识别可以用许多方法，如人脸，指纹，虹膜，声音，和指纹识别广泛的，持续的，独特的，并具有较强的安全性等多方面的优势和采集，它已成为最广泛的生物特征识别技术。唯一的方面，相对于脸，语音识别技术，进行了大量的特征指纹图谱，定位精度更高，所以才好；在稳定性方面,由于一个指纹出身时已基本肯定,跟着岁数的增加指纹永久性的,是以不变性优异的脸,音色等;在便利方面,虹膜和视网膜取样困难是高于指纹样本方便进入成本较低的抽样,识别系统硬件部分很容易实现,所以方便是相对良好
1.2 DSP指纹识别系统研究的意义和重要性
1.2.1研究的意义
指纹识别技巧是使用人体固有的身理特性经过计算机与光学，声学和作为特征通过计算机与光学，声学，生物传感和生物统计学道理等高科技技术紧密连接，进行身份认证的一种技术。指纹识别技巧是当前最为便利与可靠的识别技术，它无需要记着繁杂的暗码，也没必要随身携带钥匙，智能卡之类的物品。由于每个人的指纹特点具备与别人差异的惟一性和在一段时期内不变的稳定性，不容易伪造和冒充，是以使用指纹识别技巧完成身份鉴定，确实，无误。指纹识别技术能够按照人体指纹的纹路，细节特点等信息对操作者或被操作者完成身份判定判别是至今为止发现的一种最为容易，确切与可靠的鉴定技术。
DSP指纹识别系统的性能是远远高于基于微处理器的设计，这是因为，在数字信号和图像处理应用程序，各种处理算法比较复杂，普通处理器的总体结构是无法完成操作时间。DSP芯片选用流程和数据隔开的布局，具备专一的硬件运算器，利用流水线掌握供给的DSP口令，能够迅速的完成数字信号办理算法。基于
DSP的指纹识别具有低功耗，确定性大、功能性强、机能价格比强、实时性大、掌握多任务、霸占存储空间小、效能高、面向特定性大、能依据需求灵动拟定的长处，而这些优点正是实现指纹识别技术所需要的。随着计算机时代的到来和嵌入式系统，在时间的指纹识别技术具有相同的没有传统安全技术的先天优势，芯片的集成度，在先进的识别技术，结合图像处理和模式识别技术得到了很大的发展空间。
1.2.2 研究的重要性
指纹识别理论的发展,世界各国争相发展使用自动指纹识别系统。已经出现在1970年代末一些实用的系统,如加拿大警方指纹应用激光第一次测试。日本汽车公司采用了指纹检查石机在80年代,美国人福勒电子指纹测试系统设计是在80年代,80年日本的NEC首先向警方AFIS。如今有30多家世界领先的大学、咨询机构、公司从事自动指纹识别系统的研究。指纹主动识别技术研究在中国,经历了一个长期发展的过程。直到最近,自动指纹识别技术的应用已经从一个单一的系统,网络的综合应用发展。
在1990年代末,价格较低的指纹读者,快速发展,为指纹匹配算法技术个人识别提供了一个广阔的市场空间。指纹识别技术广泛应用意味着它可以影响一亿人的不同部分的日常生活。通过更换密码和密码,指纹识别技术可以防止未经授权的;可以防止盗窃ATM,手机智能卡,台式电脑,工作站和计算机网络,进行金融交易时通过电话,互联网可以使身份认证,在建筑或场所可以替代钥匙,证书,海报等。指纹识别技术的快速发展及其广泛的应用打开了一个个人识别的新时代。
1.3研究的内容和主要工作
1.3.1研究的内容
本设计主要研究的是基于DSP的指纹识别系统，指纹的局部特征分析，特征点的提取和利用MBF200指纹传感器和TMS320C5402的指纹识别模块，完成识别的算法,达到详细和可靠的确认身份主要内容如下：
1、指纹图像的预处理研究；
2、指纹图像的特征提取研究；
3、指纹图像的匹配研究；
4、指纹识别系统的硬件设计研究；
指纹识别人体指纹的独特的特性,其复杂性的优点可以用于识别提供足够的功能,具有极高的安全性。与别的鉴定技巧比拟,指纹识别是一种更合理的身份确定技术,指纹识别在消息息安全不但有很多特别的好处,更重要的是具备很高的可用性、可行性、已普遍用于金融、电子商务、可靠性能需求较高的行业。
1.3.2本人研究的主要工作和结构安排
1·广泛收集指纹识别系统的DSP的国内外研究文献的基础上。
集中在图像处理中的应用研究，在国内和国外的指纹识别算法；和指纹识别系统硬件设计的研究，着重对MBF200指纹传感器，指纹数据采集。
2·设计方案，基于上述工作，主要涉及以下几个方面：
①确定指纹图像预处理的基础上的指纹识别算法程序的数学方法；
②依据指纹识别算法流程的需求落实指纹图像特点的索取方法，确定奇特点的法子；
③根据指纹识别算法程序的要求确定经过预处理后的指纹图像匹配模式
④根据指纹识别系统的实现要求的DSP和其它装置的确定。
二相关技术简介
2.1嵌入式系统简介
2.1.1嵌入式系统简介
目前嵌入式系统技术已经成为了最热门的技术之一。但是对于何为嵌入式系统，什么样的技术又可以称之为嵌入式技术，仍在讨论之中。从广义上讲，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。作为系统核心的微处理器又包括三类：微控制器(MCU)、嵌入式微处理器(MPU) 、数字信号处理器(DSP)。从狭义上讲，嵌入式系统是指使用嵌入式微处理器构成独立系统，
具有自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统，这里的微处理器专指32位以上的微处理器[2]。
2.1,2数字信号处理器
数字信号处理器(DSP)对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000 /C5000等属于此范畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列[9]。 TMS320系列处理器包括用于控制的 C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。其特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元[7]。
三设计目标及设计方案论证
3.1系统的功能要求及目标
基于DSP的指纹识别系统是由MBF200指纹传感器和TMS320C5402构成，具有指纹录入，图像处理，指纹对比，搜索和模版储存等功能的智能模块。他通过与之相配套的指纹传感器，可构成一个独立的指纹识别系统，或作为一个完整的
外部设备。模块共实现：指纹保护模式、指纹保护解除模式、指纹注册模式、指纹删除模式、指纹保护旁路模式。模块通过一个红、绿、蓝三色发光LED和一个蜂鸣器作为人机界面，在不同的模式下，以不同的方式提示用户操作。
指纹保护模式：当模块处于该模式，管理员或者使用者的指纹识别通过后，模块进入指纹保护解除模式；指纹识别不通过，则一直处于该模式。指纹识别时，如果指纹识别通过，则会通过LED常亮绿灯、蜂鸣器0.25s鸣0.25s停重复两次来提示，循环直到手指离开传感器；如果指纹识别不通过，则会通过LED常亮红灯、蜂鸣器0.15s鸣0.15s停重复三次来提示，循环直到手指离开传感器。
在保护状态下，模块串口会以0.5秒间隔发送0x0F数据。
指纹注册模式：在该模式下，可以注册指纹。模块默认注册的前10个指纹为管理者指纹，后54个为使用者指纹。管理者指纹被识别后，可以进入指纹保护解除模式、指纹保护旁路模式、指纹注册模式、指纹删除模式；使用者指纹被识别后，只能进入指纹保护解除模式和指纹保护旁路模式。如果指纹总数已经达到64个，仍然允许继续注册指纹，但是新注册的指纹会覆盖第64个，即最后一个指纹。在一个指纹要被注册，需要采集3次该指纹的有效数据，蓝色LED用来表示采集到第几次有效指纹：1s亮1s灭循环表示准备采集第一次有效指纹；0.5s 亮0.5s灭循环表示准备采集第二次有效指纹；0.25s亮0.25s灭循环表示准备采集第三次有效指纹。每次采集时，如果指纹有效，则会通过LED常亮绿灯、蜂鸣器0.25s鸣0.25s停循环2次来提示，直到手指离开传感器；如果指纹无效，则会通过LED常亮红灯、蜂鸣器0.15s鸣0.15s停循环3次来提示，直到手指离开传感器。在有效指纹采集过程中，如果连续采集到无效指纹（指纹受损、脱皮等原因）5次，或者10s内都没有手指按在传感器上，模块将自动回到指纹保护模式；注册成功的指纹被保存在已经注册指纹队列的最后一个。注册成功后模块将自动进入指纹保护解除模式，等待30s没有电门信号输入情况下，将自动进入指纹保护模式。如果想再注册其他指纹，必须通过指纹识别，从指纹保护模式进入指纹保护解除模式；再通过管理员指纹识别后6s～9s间拿开手指，重新进入指纹注册状态。前10个管理员指纹有管理功能，尤其重要。如果是在私人使用时，建议主人从左、右双手的食指、中指中挑选没有划伤、没有脱皮的10枚指纹注册成管理员指纹；如果用在公共场所，建议由1～2名有管理权限的管理者
各用1～2个没有划伤、没有脱皮的指纹注册成管理员指纹。指纹注册成功后，蜂鸣器长鸣1s，绿灯常亮。在注册状态下，模块串口会以0.5秒间隔发送0x55数据，在注册模式下，如果执行特定操作（在特定操作过程中，将无法发送正常的串口数据），会首先发送暂停标志数据：0xA0，特定操作完成后，会自动重新开始发送正常数据(0x55或0x0F)。
指纹删除模式：在该模式下，已经注册的指纹队列的最后一个被删除。如果指纹队列已经删除空，则模块将回到出厂状态；如果指纹队列没有被删除空，则模块自动进入到指纹保护模式。如果想再删除其他指纹，必须通过指纹识别，从指纹保护模式进入指纹保护解除模式；再通过管理员指纹识别后9s～12s间拿开手指，重新进入指纹删除状态，删除成功后，蜂鸣器长鸣1s，绿灯常亮。
在删除状态下，模块串口会以0.5秒间隔发送0x55数据，在删除模式下，如果执行特定操作（在特定操作过程中，将无法发送正常的串口数据），会首先发送暂停标志数据：0xA0，特定操作完成后，会自动重新开始发送正常数据(0x55或0x0F)。
指纹保护旁路模式：在某些情况下，希望把指纹识别功能屏蔽掉，这个时候可以进入指纹保护旁路模式。进入该模式后，除非管理员或者使用者通过指纹识别解除指纹保护旁路模式，否则模块不会退出该模式。在该模式下，如果指纹识别通过，则会通过LED常亮绿灯、蜂鸣器0.25s鸣0.25s停循环2次来提示，直到手指离开传感器，模块自动进入指纹保护解除模式；如果指纹识别不通过，则会通过LED常亮红灯、蜂鸣器0.15s鸣0.15s停循环3次来提示，直到手指离开传感器，模块将继续处于指纹保护旁路模式。在旁路状态下，模块串口会以0.5秒间隔发送数据0x55。
3.2系统的整体框架及设计方案
本文的系统主要有三个部分构成：存储器扩展电路、指纹采集电路和外围、接口电路三部分。系统整体结构如下图：
图3.2系统的整体框架
四系统原理与设计
指纹识别技术是利用指纹采集设备——指纹传感器采集的指纹图像，其中指
纹传感器可以分为固体指纹传感器、超声波指纹传感器和光学指纹传感器，本设计采用的是由富士通公司生产的MBF200固体式指纹传感器，根据图像识别算法编写的软件程序在处理中提取指纹图像的特征点，并转化成可处理的图像数据，然后与系统数据库中的指纹模板数据进行匹配，判断是否来自同一枚指纹。
4.1 TMS320C5402 结构及其主要特点
当前行业是最广泛应用于TI的TMS320系列。TMS320C5402是TI创办于1999年10月的定点数字信号处理器性价比高。其主要特点如下:
(1)144年销BGA、操作100 MIPS的速度[9];
(2)传统的哈佛结构冯诺依曼(冯诺依曼)结构
由于数据和指令与一个公共总线,因此在高速操作中,经常会出现瓶颈的传输通道。哈佛大学(哈佛)常用的DSP芯片内部结构,三个16位数据内存总线和内存总线的程序。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获得指令字(来自内存)和操作数(来自数据存储器),从而提高执行速度。
(3)组装线技术
哈佛结构的DSP芯片生产线技术提供了方便。因为管道技术、DSP芯片可以单周期完成乘法积累,大大提高了算法的计算速度。和DSP指令本质上是一个周期,所以单周期指令执行时间可以作为关键指标来衡量DSP芯片的性能。
(3)硬件乘法器
数字信号处理中的一种最重要的基本操作是乘法积累,也是最主要和最耗时的操作,所以硬件乘法器单周期的保证DSP芯片实现快速操作。TMS320C5402是17 * 17乘数,允许16有/无符号乘法,提高操作速度。
(4)各种外围设备和接口
为了加强通用DSP芯片DSP芯片增加大量的外围设备。外面可能包括有:多个DMA通道,外部主机接口,外部存储器接口,高速芯片口之间的联系,外部中断,串行通信,计时器,可编程锁相环,A / D转换器,通过JTAG接口等。
(5)通过JTAG接口
因为复杂的DSP芯片的结构,提高工作速度和增加外部别针,封装导致针排列密集的面积的减少等原因,传统的并行仿真方式不适合DSP芯片的开发和应用