基于DSP的指纹生物特征识别系统的设计课程设计说明书

1、山东建筑大学信电学院课程设计说明书目 录目 录1摘 要21、任务提出与方案论证31.1任务提出31.2 方案论证32、总体设计42.1 指纹识别系统原理42.2 指纹采集与指纹图像处理方法43、详细设计63.1 硬件设计63.1.1 DSP 处理器与FPS200 指纹检测芯片相连93.1.2 DSP 存储空间扩展103.1.3 扩展串行通信口133.1.4 其他电路设计143.2.软件设计17总结与致谢21参考文献22附 录23摘 要指纹识别技术通过分析指纹的局部特征，从中抽取详尽的特征点，从而可靠地确认个人身份。指纹识别的优点是指纹作为人体独一无二的特征，它的复杂度可以提供用于鉴别的足够特征，具有极高的安全性。相对于其他身份认证技术，指纹识别是一种更为理想的身份认证技术，指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点，更重要的是具有很高的实用性、可行性，已经广泛应用于金融、电子商务以及安全性能要求教高的行业中。针对指纹的唯一性和终身不变性的特点提出了一种基于FPS200固态指纹传感器和TMS320VC5402 DSP芯片的快速指纹识别系统，促使指纹识别设备向小型化、嵌入式、自动化方向发展；对

2、系统的组成原理、指纹采集和指纹图像处理力法进行了分析；结合FPS200和TMS320VC5402芯片的特性，对系统硬件核心和图像采集电路做了详细介绍，并给出系统硬件设计方案、软件设计流程;实验结果表明系统指纹采集效率高，识别速度快，识别结果准确可靠；该系统性能稳定实用性强，应用范围广泛。关键词： TMS320VC5402；DSP；指纹识别；FPS2001、任务提出与方案论证1.1任务提出指纹作为人体的重要特征，具有长期不变性和唯一性已经成为生物识别领域的重要手段。通过指纹特征来鉴别人的身份的技术正在得到越来越广泛的应用。随着指纹检测技术和指纹识别算法的不断改进，指纹识别技术还将在越来越多的部门得到更广泛的应用。在指纹检测与处理过程中有一个非常重要的问题，就是依赖计算机来处理指纹特征还是依赖于嵌入式平台。应该来说计算机速度快，用来进行指纹识别当然不会存在速度问题，但是指纹识别技术正进入一些离线型设备中，如指纹门禁系统含指纹信息的身份证等由于多方面的原因，这些设备不适合利用PC 机进行在线处理，这样就需要采用嵌入式系统使用嵌入式平台进行指纹检测与识别，实际上包含两个问题：(1) 研制能进行

3、指纹处理的开发板它应该成本低，运行速度快，使用方便和独立运行等；(2) 研究一整套能使用在该开发板的指纹识别算法传统算法复杂并且运算量比较大，所以需要一整套算法简单运算速度快的基于嵌入式应用的指纹识别算法。1.2 方案论证本文就是说明基于嵌入式应用的指纹开发板，它具有指纹检测与处理功能,能够离线使用美国Veridicom 公司开发了用于指纹检测与处理的开发板MatchBoard, 该开发板使用NEC Proc 822/823 64 位ASIC 单片机系统扩展了1M的SDRAM 存储器和8M 的Flash存储器,日本BMF 公司也推出了一款类似的开发板。这些开发板的共同的特点就是处理器主频都非常高,都外扩了大量的程序存储器和数据存储器,成本都非常高难于进入嵌入式应用设备中。本文所述的是基于研制一款低成本的用于指纹检测与处理的模块板，在该板上使用TI 公司低成本的DSP 处理器VC5402 板上分别扩展了512kB 的程序存储器和数据存储器，开发板提供了一个异步串口与计算机进行通信。板上提供了2 个JTAG 接口，一个为10 芯的JTAG 接口用于对CPLD 芯片进行编程，另一个为14 芯

4、的JTAG 接口用于对DSP 芯片进行调试该开发板外接+5V 的电压用户可以直接使用也可以进行二次开发。2、总体设计2.1 指纹识别系统原理指纹识别系统的组成原理。如图1-1所示。图中的学习模块负责采集用户指纹数据，对指纹图像进行预处理，提取这些指纹的特征，作为将来的比对模板存人数据库。而识别模块则负责采集和处理指纹图像，在提取特征后与数据库中的指纹模板进行比对，然后判断是否匹配得出结论。整个系统的核心就是图像处理、特征提取以及指纹比对。指纹采集CPLDDSPSRAMUSB接口显示匹配 图2-1 2.2 指纹采集与指纹图像处理方法目前指纹图像的获取主要有四种方法：一种是光学采集器；压电式传感器；一种是用半导体传感器；一种是超声波指纹扫描仪。光学采集器采集指纹是通过把手指沾上油墨后按在白纸上，然后用摄像机把图像转换为电信号。光学采集受外界干扰小、采集精度较高，但是数据量较大，因此处理时问较长。而对于半导体传感器来说，手指的温度、湿度对其测量结果有影响，但是数据量不大，处理比较方便。随着半导体技术的发展，半导体传感器的成本低、体积小、方便集成等优点逐步体现，它已逐步代替光学采集器。取像设备

5、光学取像设备半导体指纹传感器超声波扫描体积大小，比手指略大中耐用性非常耐用好一般成像能力对汗多脏的手指成像模糊手指上有汗渍污垢不能成像非常好功耗高低高成本高低很高指纹鉴定过程的第一个阶段是指纹图像的采集阶段，也就是指纹模板的录A阶段。为了初步确定图像预处理方法，我们必须首先了解指纹传感器获得的图像的尺寸和质量。根据不同的指纹传感器，我们设计不同的方案进行图像采集，并将从各个图中提出特征点储存到数据库中，来产生“活模板”，为后面的指纹鉴定做准备。指纹图像处理是整个指纹识别过程的核心。常见的指纹图像处理包括滤波增强、二值化、细化、提取特征点四个步骤。在采集指纹图像的过程中，受各种因素的影响，采集的图像会不同程度的受到各种噪声的干扰，从而影响了采集图像的质量。所以实际的指纹图像：第一步通过一个滤波增强来改善图像的质量，恢复脊线原来的结构。特征提取算法的性能和其它指纹识别技术的好坏取决于输入指纹图像质量的好坏。本系统采用一种用Gabor滤波与方向滤波结合对图像进行增强的方法该方法结合Gabor滤波器善下分离粘连脊线和方向滤波器善于连接断裂接线的特点，能够对低质量的指纹图像进行有效的增强。完成图

6、像增强后第二步是对图像进行二值化处理。二值化是指把灰度指纹图像根据所选取的值化为01取值的二值目像。第三步，对纹路进行细化，细化能够减少大量的多余信息细化后的指纹图像中的每条纹线都足用单像素来表示点线，更加突出了指纹特征。第四步则是纹路特征点的提取，在特征提取阶段，选择脊线端点和分歧点作为特征点，记录每-特征点的类别、位置和方向信息，从而得到特征点(特征模板)。经过以上几个步骤，系统便完成对指纹图像的处理过程，得到最终模板。依据上述指纹识别预处理算法,通过CCS2.2的模拟功能,实现了指纹识别预处理的DSP处理,达到了DSP处理指纹图像的应用目的。 图2-23、详细设计3.1 硬件设计系统硬件电路主要包括：DSP芯片，TMS320VC5402传感器FPS200、FLASH、SROM以及显示框图如图3-1所示FPS200CPLD7128芯片DSP TMS320VC5402SRAMUSB CH375采集图像图像处理芯片FLASH 图3-1系统的核心处理单元是TI公司推出的高性能数字信号处理器TMS20VC5402片，具有精度高、灵活性太、可靠性高、时分复用等特点。其采用程序空间与数据空间完

7、全独立的哈佛总线结构指令的执行采用流水线结构，内部有一到多个处理内核，带有片上硬件乘法器，指令执行速度最快为几十纳秒，处理能力为100 MIPS。片内有8条总线、片上存储器和片上外围电路等硬件，并且有高度专业化的指令系统.MSC5402直接数据寻址空间为64kB，程序空间寻址能力可达1 MB，但是通过程序空间来扩展数据空间将影响系统处理速度。但是MTS320VC5402在实际使用过程中，程序和数据的一次连续处理一般都不会超过64 KB，所以把核心的程序常驻TMS320VC5402内16kB空间，一般控制在l2kB，再留78kB的空间调用所需的程序，程序在片内的执行速度要比片外的快许多，通过来回到程序，就能实现程序的全速运行。数据空间可以通过CPLD片选来进行扩展。由于DSP外部最多支持扩展32 k数据空间但是我们实际扩展了512 k的SRAM，因此SRAM的A17地址线由DSP通过CPLD中的逻辑电路来控制，由此来选择使用SRAM的高地址段256 k存储空间或者地址段256 k存储空间，这样既符合DSP的外扩空间要求，又使系统增加了更多的数据存储空间。CPI是由一种被IEEE认定的标准

8、硬件描述语言VHDL(VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口)实现的。在系统终端我们选用LCM液晶显示模块，直接显示需要的指纹图像和数据结果。要显示的图像或数据先由DSP存人缓冲器，再由LCM读取，这样可以避免了由于DSP和LCM读写速度不匹配而发生错误。由于该模块板必须具有完全独立运行指纹图像检测、特征提取、特征提取和特征模板存储等程序，综合各个方面因素因此采用了TI 公司的DSP 处理器TMS320VC5402 。该芯片的主要特征有最高频率100MHz ，性价比极高，它含4k 16bits 片内ROM 16k 16bits 、片内DARAM 6 个DMA通道、2 个McBSP、 2 个Timer， 外部程序空间可扩展到1M16bits ，可工作在3 种低功耗方式(IDLE1 IDLE2 IDLE3)。本设计中为该处理器分别扩展了512k 16bits 的Flash和SRAM 各1 片，使用Altera 公司的CPLD 芯片MAX7128为Flash 和SRAM 等产生部分控制信号,为DSP 扩展一个与PC 机通信的异步串口指纹检测芯片采用Veridicom 公司的FP

9、S200 指纹检测芯片整个模块板的系统。图像采集电路是整个系统中极其重要的部分，高质量指纹图像的采集大大的降低了在鉴定指纹时的误识率和拒识率，提高整个系统的性能。系统采用的是美国Veridicom公司的FPS200固态指纹感器作为图像采集电路的核心器件。芯片适用于更复杂的指纹和更恶劣的气候条件。它采用标准COMS工艺制造，获取图像为256300像素，分辨率为5。OPJ。提供二三种接口方式：标准8位微处理器总线、集成高速USB接口、串行外设接口SPI。图像传输速度分别为30帧s、13帧s、10赖/s.FPS200芯片由256列和300行电容阵列组成，芯片内设计有两个采样保持电路用于指纹图像的采集。通过测量每个传指感单元在每次充电后的电压值和放电后的电压值的差来获得每路。系个传感单元的电容值。每次捕捉每行图像后，在该内的每个传感单元内就有待数字化的电容值。因此通过改变放电电流大小和放电时间就可以改变FPS200的灵敏度。整个图像采集流程网如网3-2所示。 图3-23.1.1 DSP 处理器与FPS200 指纹检测芯片相连指纹检测芯片采用了Veridicom 公司的电容式指纹传感器FPS200, 该芯片提供了3 种可供选择的接口分别为USBSPI 和并行接口使用了SPI 接口与DSP 的McBSP1 互联DS

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