基于单片机的指纹识别系统设计

. -

-

. 可修编- 摘要

随着科学技术的发展，人们的安全意识也越来越强，因为指纹具有唯一性和终生不变性，所以指纹识别成为代替传统身份识别最安全、可靠的方法之一。

本设计基于飞思卡尔Kinetis K60N512系列单片机，指纹识别模块选择的是城章科技的R305F模块，该模块带有高性能的DSP芯片，该DSP芯片嵌完整的指纹识别算法和协议，具有指纹采集，指纹比对，指纹搜索和存储等功能。模块与单片机通过串口进行通讯。指纹识别系统通过CH340G芯片实现TTL电平向RS-232电平的转换，进而实现与PC机的交互，PC机端经上位机显示指纹识别的结果。论文中介绍了基本算法的实现流程，同时介绍了K60N512芯片看门狗模块的基本原理以及启动流程等。

结果表明，该套指纹识别系统算法性能可靠，指纹识别率高，可以实现预先制定的目标，完成指纹识别的功能。

关键词：指纹识别；飞思卡尔单片机；串口

Abstract

With the development of science and technology, people's safety consciousness is being

more and more strong, the fingerprint has the uniqueness and invariance for life, so the

fingerprint identification is instead of the traditional identification is one of the most safe and

reliable methods.

This design is based on Freescale Kinetis K60N512 series microcontroller, fingerprint

identification module is the product of Growup pany, the module with high performance DSP

chip, and the DSP chip with plete fingerprint identification algorithm and protocol, fingerprint’s

acquisition, fingerprint’s search and storage, and other functions.Module and microcontroller

municationthrough the serial port.Fingerprint identification system use CH340G chip change

TTL level to RS-232level, and then realize the interaction with a PC, the PC shows the result of

fingerprint identification.The thesis introduces the basic algorithm implementation process, at

the same time, this article introduces the basic principle of the watchdog module inside . -

-

. 可修编- K60N512 chip and the start process.Results show that the algorithm of fingerprint identification

system is reliable, fingerprint recognition rate is high, and can achieve target of fingerprint

identification.

Key Words:Fingerprint identification,Freescale Kinetis,UART

目录

摘要I

AbstractI

1 绪论1

1.1 选题背景和研究意义1

1.2 国外研究现状1

2 指纹识别的基本原理1

2.1 指纹图像的采集1

2.2 指纹图像预处理2 . -

-

. 可修编- 2.3 指纹图像特征点的提取4

2.4 指纹图像伪细节点的处理5

2.5 指纹特征匹配5

2.6 评价指纹识别系统算法性能的指标5

3 课题的容和目标7

3.1 指纹识别系统的硬件设计7

3.2 本设计所使用单片机简介7

3.3 本设计所使用的指纹模块简介8

4 主程序分析8

4.1 Cotex-M4核寄存器简介9

4.2 Cotex-M4中断机制9

4.3 K60N512启动代码分析10

4.4 K60N512看门狗程序分析12

4.5 Flash软件构件简介13

4.6 Kinetis 的FlexBus模块简介13

4.7 K60N512异步接收器/发送器(UART)简介14

4.8 指纹模块指令介绍14

4.8.1 指纹图像获取15

4.8.2 生成特征17

4.8.3 生成模板18

4.8.4 储存模板19

4.8.5 高速搜索19

4.9 补充说明20

结论18

致18

参考文献18

. -

-

. 可修编- 1 绪论

1.1 选题背景和研究意义

随着我国经济的迅速发展，人民的生活水平得到了显著的提高，人们对于自己的隐私也愈发重视。传统的电子密码锁等设备在高速发展的科学技术的冲击下显得力不从心，用户隐私很大程度上存在泄露的风险。由于每个人的遗传基因不同，指纹也不相同，指纹识别技术的作用也因此越来越受到人们的重视。指纹是人身体上的一部分，是人所固有的生理特征，不用记忆，也不存在忘带的风险，而且每个人的指纹形状终身不变。所以指纹作为个人身份的标记是再合适不过的了。

1.2 国外研究现状

早期的指纹识别是以人工的方式进行的，由于指纹结构的复杂性以及对指纹识别要求的严格性，导致人工识别指纹工作难度大、速度慢和识别准确率受到制约，远远不能适应实际工作的需要。计算机技术的诞生与发展，为复杂的科学计算和指纹自动识别提供了可能，20世纪70年代，美、日等发达国家开始先后研究指纹识别系统。我国自动指纹识别系统的研究开发始于20世纪80年代，大学信息中心、清华大学自动化系、邮电大学、中科院以及光机所等都在此领域做了一定的工作，且取得了一定的成果，其中较为突出的是清华大学自动化系和大学信息中心两家[1]。

当然，与国外发达国家相比，我国在自动指纹识别技术的研究上还与之存在很大的差距。指纹录入设备的质量不够高，自动指纹识别算法的性能还不够好。加强这方面的研究还是很有必要的。

2指纹识别的基本原理

2.1指纹图像的采集

人的皮肤由表皮、真皮和皮下组织三部分组成。指纹指的是表皮上突起的纹线，有斗型、弓型和箕型三种基本类型。

获得良好的指纹图像是进行指纹识别的前提，目前光获取指纹图像的方法主要有光学技术、硅技术(CMOS技术)和超声波技术。本设计中使用的指纹传感器基于硅技术，. -

-

. 可修编- 硅技术的优点是可以在较小的面积上获得较好的指纹图像（相对于光学技术），缺点是容易受到外部条件的干扰，可靠性相对较差。

2.2指纹图像预处理

图像预处理阶段是指纹识别的第一个阶段，图像预处理阶段比较典型的过程主要有图像质量评估、分割、增强、二值化和细化。指纹图像预处理的流程图如图2.1所示。

原始指纹图像图像质量评估分割增强二值化细化开始结束

图2.1 指纹图像预处理的流程图 . -

-

. 可修编-

图像质量评估的目的主要是完成对传感器采集到的指纹图像的总体质量评价，对于

低质量的指纹图像直接拒绝。对于质量达到要求的指纹图像才送给之后的处理环节，从

而避免了不必要的运算。

分割的目的是将前景与背景分割开来。分割操作中应该尽可能去除无效区域，保留有效区域。有了分割操作，指纹图像预处理的时间可以大大缩短。

增强的目的主要是为了消除噪声的干扰，提高指纹图像纹线结构的清晰度。Gabor滤波的方法是一种比较理想的指纹图像增强算法，Gabor滤波器可以同时在空间域和频率域上获得最佳的分辨率，具有良好的方向选择性和带通性。

二值化是将原来的灰度图变换为黑白两种灰阶的图像，二值化阶段阈值的选择相当重要，阈值的选择有双峰法、P参数法、大津法(Otsu法或最大类间方差法)、最大熵阈值法和迭代法（最佳阈值法）等。

细化阶段主要是将二值化之后指纹图像的脊线宽度降低为单个像素宽度，从而得到细化了的指纹图像。细化算法按迭代方式的不同可以分为串行算法和并行算法。

预处理阶段的每个环节是紧密相关的，各个环节相互配合才可能获得高质量的指纹图像，从而方便之后特征点的提取，为之后指纹匹配奠定良好的基础。正常的指纹图像如图2.2所示，二值化之后的指纹图像如图2.3所示，细化之后的指纹图像如图2.4所示。