单片机指纹识别系统及其算法设计与实现
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题目单片机指纹识别系统及其算法设计与实现
摘
本文介绍了指纹识别系统的基本结构和整体流过程，并且从硬件系统和软件系统两个主要方面探讨了设计指纹识别系统的基本方法。
硬件系统的设计主要是基于MCS-51系列单片机、FPS200指纹传感器、RS232串口芯片的电路连接以及相关的程序设计；软件系统的设计主要是指纹识别系统算法的设计，其中包括图像处理和图像识别两个方面，并且在MATLAB编写平台上实现了图像处理的算法。通过实验显示，该系统采集的指纹图像较清晰、失真较小，处理后的图像轮廓分明、特征突出，利于指纹分类与识别。
第
硬件系统是实现一切系统功能的物质基础，它是系统不可缺少的一个整体，一个工程系统的建立都是在硬件基础上展开的。本次设计任务的硬件设施已经配备，其核心是FPS200固态指纹传感器与80C51MCU，我们的任务是完成两者的主电路连接，实现指纹图像采集的功能。本章将着重介绍基于单片机和指纹传感器的硬件电路的实施方法。
5)指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图，而是由指纹图中提取的关键特征，这样使系统对模板库的存储量较小。另外，对输入的指纹图提取关键特征后，可以大大减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。
近些年来，电子信息技术的飞速发展，特别是传感技术、电子信号处理技术、计算机数据管理技术、计算机网络技术的飞速发展，为指纹识别技术的成型提供了强大的硬件支持。与此同时，图形图像处理学、人工智能学、软件工程学等新兴学科的蓬勃发展也为指纹识别技术的进步提供了强有力的软件支持。指纹识别的发展中，也存在自身的不足，如指纹识别系统性能的测试和评估标准的确立、相关软件的标准化问题都是有待进一步解决的。指纹识别技术作为一项迅猛发展的新技术，有了软硬件等方面的强大保障，同时又有指纹识别自身的诸多优点，相信指纹识别技术一定会有更加美好的发展前景。
离线部分——用指纹采集仪采集指纹，提取出细节点，然后将细节点保存到数据库中，形成指纹模板库。在线部分——用指纹采集仪采集指纹，提取出细节点，然后将这些细节点与保存在数据库中模板细节点进行匹配，判断输入细节点与模板细节点是否来自同一个手指的指纹。一般来说，离线处理允许人工因素介入，可根据需要手动调整系统参数，而在线处理应完全由系统自动完成所有操作。自动指纹识别系统框图如图1.1所示：
MOV TH1,#0FFH
MOV PCON,#80H
SETB TR1
MOV SCON,#050H
MOV R0,#09H
MOV A,R0
MOV DPTR,#8000H
MOVX @DPTR,A
MOV R0,#07H
第
指纹图像是比较复杂的，它有着许多不同于其他图像的特征。与人工处理不同，许多生物识别技术并不直接存储指纹的图像（一是考虑到隐私权，二是由于存储空间）而是记录从指纹图像提取的特征，指纹识别算法最终都归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。
…
…
The full text contents include five chapters: 1. The first Chapter is introduction; 2. The second Chapter is the design of the hardware and the receive program of data. 3. The third Chapter is theImplementAlgorithmof image processing and the image identification ; 4. The fourth Chapter is the implementof mainAlgorithmand analysis of experiment; 5. The fifth Chapter is summary.
图2.1 FPS200指纹采集芯片
在第二个阶段，每列的电极与一个直流电源之间进行放电。没个单元的放电率正比于直流源的电量。经过一个很短的时间（这个时间与放电时间有关），一个内部信号就触发另外一组采样保持电路来储存最后的电极电压。每个传感单元的电容值是通过测量充电后的电压值和放电后的电压值的差而获得的。在得到了电容值之后，电容值就将要被数字化了。
硬件平台大致可以分为5个部分：电源部分、核心部件（CPU）、JTAG调式接口以及外部串行接口单元（SPI）。如图2.3所示：
图2.2系统硬件接口框图
其中Power电源部分负责给系统供电。该系统是一个多电平系统，包括5V电源，3.3V电源以及1.8V电源。电源部分采用常见的LDO电压转换芯片实现5V输入电压到3.3V, 1.8V的转换。
3)指纹样本便于获取，易于开发识别系统，实用性强。目前已有标准的指纹样本库，方便了识别系统的软件开发；另外，识别系统中完成指纹采样功能的硬件部分也较易实现。而对视网膜则难于采样，也无标准的视网膜样本库供系统软件开发使用，这就导致视网膜识别系统难以开发，可行性较低。
4)一个人的十指指纹皆不相同，这样可以方便地利用多个指纹构成多重口令，提高系统的安全性。
我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证：总体特征和局部特征。总体特征是指那些用肉眼直接就可以观察到的特征，包括：
模式区（Pattern Area）：模式区是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一种类型的。
许多算法是基于核心点的，既只能处理和识别具有核心点的指纹。核心点对于指纹识别算法很重要，但没有核心点的指纹它仍然能够处理。三角点（Delta）三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数跟踪的开始之处。纹数（Ridge Count）指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先在连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。局部特征:局部特征是指指纹上的节点的特征，这些具有某种特征的 节点称为细节点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征——细节点，却不可能完全相同。指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就称为“细节点”。就是这些细节点提供了指纹唯一性的确认信息。指纹上的细节点有四种不同特性： 细节点的分类,有以下几种类型，最典型的是终结点和分叉点。终结点（Ending）——一条纹路在此终结。分叉点（Bifurcation）——一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。分歧点（Ridge Divergence）——两条平行的纹路在此分开。孤立点（Dot or Island）——一条特别短的纹路，以至于成为一点。环点（Enclosure）——一条纹路分开成为两条之后，立即有合并成为一条，这样形成的一个小环称为环点。
相对于其它身份认证技术，自动指纹识别是一种更为理想的身份确认技术，用自动指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点，更重要的是还具有很高的实用性、可行性，具体体现在以下几个方面：
1)个人的指纹是独一无二的，两人之间不存在着相同的手指指纹。
2)每个人的指纹是相当固定的，不会随着人的年龄的增长或身体健康程度的变化而变化，但是人的声音等却存在较大变化的可能。
图1.1自动指纹识别系统框图
本系统从结构上分为三层，最低层为物理层，是模块的通信介质，提供可靠的机械、电气功能以及无误码的比特流。中间层包括系统通信协议、任务调度以及接口驱动。在本系统中，除了进行指纹的识别之外，还要实现指纹采集的控制，以及外设的控制如串行口的通信等。为了能够使系统实时响应外面的通信请求，我们通过硬件中断来实现。这种实现方案可以极大提高系统运行的效率，上位机可以实时控制改系统。最上层是核心算法。该算法高效地对采集到的指纹进行处理和匹配。在此只是对该指纹识别系统做一个整体的介绍，具体的硬件和软件系统设计步骤将在后面详细给出。
表2.1给出RTL8019AS兼容芯片中公有的寄存器列表：
表2.1 RTL8019AS寄存器列表
NO(HEX)
PAGE0
PAGE1
PAGE2
[R]
[W]
[R/W]
[R]
00
CR
CR
CR
CR
01
CLDA0
PSTART
PAR0
PSTART
02
CLDA1
PSTOP
PAR1
PSTOP
03
BNRY
BNRY
PAR2
Key words:fingerprint identification; FPS200 fingerprint sensor;theseries of MCS-51 chip; image processing; image identification
第
我们手掌及其手指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凸凹不平产生的纹路会形成各种各样的图案。这些纹路的存在增加了皮肤表面的摩擦力，使得我们能够用手来抓起重物。人们也注意到，包括指纹在内的这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，是唯一的。依靠这种唯一性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。这种依靠人体的身体特征来进行身份验证的技术称为生物识别技术，指纹识别是生物识别技术的一种。
关键词：指纹识别；FPS200指纹传感器；MCS-51系列单片机；图像处理； 图像识别
In this paper, we introduce the basic structure of fingerprint identification system and its mainprogram.We also discuss on how to design a fingerprint identification system in two aspects including hardware system and software system.Hardware system is based on the circuit connection with the series of MCS-51 chip, FPS200 fingerprint sensor and RS232 interface chip, and also including the program design of the chip; software system isincludedtwo main aspects, image processing and image identification, and we give the program of the image processing in computer language(MATLAB). The results show that the images acquired from the system proposed in this paper are more clear and less distorted, and the processing images are more distinguish , the images after transform are wonderful prepare for classification andidentificationof fingerprints.
人们使用指纹进行个人身份鉴定已经有很长的历史考古证实，公元前7000年到6000年以前，古叙利亚和中国，指纹作为身份鉴别己经开始应用。考古发现，在这个时代，一些粘土陶器上留有陶艺匠人的指纹，中国的一些文件上印有起草者的大拇指指纹，在Jercho的古城市的房屋留有砖匠一对大拇指指纹的印记等。在我国，早在公元650年,唐代作家贾公秀在其作品中就着重提到了指纹是确认个人身份的方法。我国将指纹应用于民间契约及断案有悠久的历史，但是由于缺乏专门性研究,未能将指纹识别技术上升为一门科学。虽然指纹的一些特征己经被人们认识和接受但不能证明，但指纹己经广泛应用社会的各个方面。
硬件电路的主要应用到的芯片是，80C51MCU，FPS200指纹传感器和RS232串口芯片。这里就FPS的主要功能，80C51与RS232的串口连接，以及80C51与上位机的连接方式进行重点介绍。
2.2.1
veridicom公司的FPS200固态指纹传感器是一个接触式指纹认证设备。FPS200系列是一款高性能、低功耗、低价格的传感器，它由两个采样保持电路构成用于指纹图像的采集。每个金属电极作为电容的一极，而触摸传感器的手指就作为另外一极。装置表面有一层绝缘材料使得两电极之间绝缘。当手指接触到传感器时，手指纹路的凹凸不平会产生一系列不同的电容值，通过读取这些电容值而获得指纹图像。
通过对指纹识别系统的研究、设计与开发,综合运用了信号采集及接收技术，图像处理及识别技术,基本实现了利用单片机进行指纹识别系统开发的目的。
全文内容分为五章：第一章为绪论；第二章包括系统设计的电路硬件部分的组成和数据采集算法；第三章是指纹图像处理与识别算法的设计；第四章是主要算法的实现以及指纹识别系统实验与结果分析；第五章为总结。
-
04
TSR
TPSR
PAR3
TPSR
05
NCR
TBCR0
PAR4
-ห้องสมุดไป่ตู้
0C
RSR
RCR
MAR4
RCR
0D
CNTR0
TCR
MAR5
TCR
以下是我们根据数据采集流程图写出的汇编程序：
LGMP START
ORG 0000H
LJMP START
ORG 0050H
START: MOV TMOD,#20H
MOV TL1,#0FFH
摘
本文介绍了指纹识别系统的基本结构和整体流过程，并且从硬件系统和软件系统两个主要方面探讨了设计指纹识别系统的基本方法。
硬件系统的设计主要是基于MCS-51系列单片机、FPS200指纹传感器、RS232串口芯片的电路连接以及相关的程序设计；软件系统的设计主要是指纹识别系统算法的设计，其中包括图像处理和图像识别两个方面，并且在MATLAB编写平台上实现了图像处理的算法。通过实验显示，该系统采集的指纹图像较清晰、失真较小，处理后的图像轮廓分明、特征突出，利于指纹分类与识别。
第
硬件系统是实现一切系统功能的物质基础，它是系统不可缺少的一个整体，一个工程系统的建立都是在硬件基础上展开的。本次设计任务的硬件设施已经配备，其核心是FPS200固态指纹传感器与80C51MCU，我们的任务是完成两者的主电路连接，实现指纹图像采集的功能。本章将着重介绍基于单片机和指纹传感器的硬件电路的实施方法。
5)指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图，而是由指纹图中提取的关键特征，这样使系统对模板库的存储量较小。另外，对输入的指纹图提取关键特征后，可以大大减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。
近些年来，电子信息技术的飞速发展，特别是传感技术、电子信号处理技术、计算机数据管理技术、计算机网络技术的飞速发展，为指纹识别技术的成型提供了强大的硬件支持。与此同时，图形图像处理学、人工智能学、软件工程学等新兴学科的蓬勃发展也为指纹识别技术的进步提供了强有力的软件支持。指纹识别的发展中，也存在自身的不足，如指纹识别系统性能的测试和评估标准的确立、相关软件的标准化问题都是有待进一步解决的。指纹识别技术作为一项迅猛发展的新技术，有了软硬件等方面的强大保障，同时又有指纹识别自身的诸多优点，相信指纹识别技术一定会有更加美好的发展前景。
离线部分——用指纹采集仪采集指纹，提取出细节点，然后将细节点保存到数据库中，形成指纹模板库。在线部分——用指纹采集仪采集指纹，提取出细节点，然后将这些细节点与保存在数据库中模板细节点进行匹配，判断输入细节点与模板细节点是否来自同一个手指的指纹。一般来说，离线处理允许人工因素介入，可根据需要手动调整系统参数，而在线处理应完全由系统自动完成所有操作。自动指纹识别系统框图如图1.1所示：
MOV TH1,#0FFH
MOV PCON,#80H
SETB TR1
MOV SCON,#050H
MOV R0,#09H
MOV A,R0
MOV DPTR,#8000H
MOVX @DPTR,A
MOV R0,#07H
第
指纹图像是比较复杂的，它有着许多不同于其他图像的特征。与人工处理不同，许多生物识别技术并不直接存储指纹的图像（一是考虑到隐私权，二是由于存储空间）而是记录从指纹图像提取的特征，指纹识别算法最终都归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。
…
…
The full text contents include five chapters: 1. The first Chapter is introduction; 2. The second Chapter is the design of the hardware and the receive program of data. 3. The third Chapter is theImplementAlgorithmof image processing and the image identification ; 4. The fourth Chapter is the implementof mainAlgorithmand analysis of experiment; 5. The fifth Chapter is summary.
图2.1 FPS200指纹采集芯片
在第二个阶段，每列的电极与一个直流电源之间进行放电。没个单元的放电率正比于直流源的电量。经过一个很短的时间（这个时间与放电时间有关），一个内部信号就触发另外一组采样保持电路来储存最后的电极电压。每个传感单元的电容值是通过测量充电后的电压值和放电后的电压值的差而获得的。在得到了电容值之后，电容值就将要被数字化了。
硬件平台大致可以分为5个部分：电源部分、核心部件（CPU）、JTAG调式接口以及外部串行接口单元（SPI）。如图2.3所示：
图2.2系统硬件接口框图
其中Power电源部分负责给系统供电。该系统是一个多电平系统，包括5V电源，3.3V电源以及1.8V电源。电源部分采用常见的LDO电压转换芯片实现5V输入电压到3.3V, 1.8V的转换。
3)指纹样本便于获取，易于开发识别系统，实用性强。目前已有标准的指纹样本库，方便了识别系统的软件开发；另外，识别系统中完成指纹采样功能的硬件部分也较易实现。而对视网膜则难于采样，也无标准的视网膜样本库供系统软件开发使用，这就导致视网膜识别系统难以开发，可行性较低。
4)一个人的十指指纹皆不相同，这样可以方便地利用多个指纹构成多重口令，提高系统的安全性。
我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证：总体特征和局部特征。总体特征是指那些用肉眼直接就可以观察到的特征，包括：
模式区（Pattern Area）：模式区是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一种类型的。
许多算法是基于核心点的，既只能处理和识别具有核心点的指纹。核心点对于指纹识别算法很重要，但没有核心点的指纹它仍然能够处理。三角点（Delta）三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数跟踪的开始之处。纹数（Ridge Count）指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先在连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。局部特征:局部特征是指指纹上的节点的特征，这些具有某种特征的 节点称为细节点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征——细节点，却不可能完全相同。指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就称为“细节点”。就是这些细节点提供了指纹唯一性的确认信息。指纹上的细节点有四种不同特性： 细节点的分类,有以下几种类型，最典型的是终结点和分叉点。终结点（Ending）——一条纹路在此终结。分叉点（Bifurcation）——一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。分歧点（Ridge Divergence）——两条平行的纹路在此分开。孤立点（Dot or Island）——一条特别短的纹路，以至于成为一点。环点（Enclosure）——一条纹路分开成为两条之后，立即有合并成为一条，这样形成的一个小环称为环点。
相对于其它身份认证技术，自动指纹识别是一种更为理想的身份确认技术，用自动指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点，更重要的是还具有很高的实用性、可行性，具体体现在以下几个方面：
1)个人的指纹是独一无二的，两人之间不存在着相同的手指指纹。
2)每个人的指纹是相当固定的，不会随着人的年龄的增长或身体健康程度的变化而变化，但是人的声音等却存在较大变化的可能。
图1.1自动指纹识别系统框图
本系统从结构上分为三层，最低层为物理层，是模块的通信介质，提供可靠的机械、电气功能以及无误码的比特流。中间层包括系统通信协议、任务调度以及接口驱动。在本系统中，除了进行指纹的识别之外，还要实现指纹采集的控制，以及外设的控制如串行口的通信等。为了能够使系统实时响应外面的通信请求，我们通过硬件中断来实现。这种实现方案可以极大提高系统运行的效率，上位机可以实时控制改系统。最上层是核心算法。该算法高效地对采集到的指纹进行处理和匹配。在此只是对该指纹识别系统做一个整体的介绍，具体的硬件和软件系统设计步骤将在后面详细给出。
表2.1给出RTL8019AS兼容芯片中公有的寄存器列表：
表2.1 RTL8019AS寄存器列表
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[R/W]
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CLDA0
PSTART
PAR0
PSTART
02
CLDA1
PSTOP
PAR1
PSTOP
03
BNRY
BNRY
PAR2
Key words:fingerprint identification; FPS200 fingerprint sensor;theseries of MCS-51 chip; image processing; image identification
第
我们手掌及其手指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凸凹不平产生的纹路会形成各种各样的图案。这些纹路的存在增加了皮肤表面的摩擦力，使得我们能够用手来抓起重物。人们也注意到，包括指纹在内的这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，是唯一的。依靠这种唯一性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。这种依靠人体的身体特征来进行身份验证的技术称为生物识别技术，指纹识别是生物识别技术的一种。
关键词：指纹识别；FPS200指纹传感器；MCS-51系列单片机；图像处理； 图像识别
In this paper, we introduce the basic structure of fingerprint identification system and its mainprogram.We also discuss on how to design a fingerprint identification system in two aspects including hardware system and software system.Hardware system is based on the circuit connection with the series of MCS-51 chip, FPS200 fingerprint sensor and RS232 interface chip, and also including the program design of the chip; software system isincludedtwo main aspects, image processing and image identification, and we give the program of the image processing in computer language(MATLAB). The results show that the images acquired from the system proposed in this paper are more clear and less distorted, and the processing images are more distinguish , the images after transform are wonderful prepare for classification andidentificationof fingerprints.
人们使用指纹进行个人身份鉴定已经有很长的历史考古证实，公元前7000年到6000年以前，古叙利亚和中国，指纹作为身份鉴别己经开始应用。考古发现，在这个时代，一些粘土陶器上留有陶艺匠人的指纹，中国的一些文件上印有起草者的大拇指指纹，在Jercho的古城市的房屋留有砖匠一对大拇指指纹的印记等。在我国，早在公元650年,唐代作家贾公秀在其作品中就着重提到了指纹是确认个人身份的方法。我国将指纹应用于民间契约及断案有悠久的历史，但是由于缺乏专门性研究,未能将指纹识别技术上升为一门科学。虽然指纹的一些特征己经被人们认识和接受但不能证明，但指纹己经广泛应用社会的各个方面。
硬件电路的主要应用到的芯片是，80C51MCU，FPS200指纹传感器和RS232串口芯片。这里就FPS的主要功能，80C51与RS232的串口连接，以及80C51与上位机的连接方式进行重点介绍。
2.2.1
veridicom公司的FPS200固态指纹传感器是一个接触式指纹认证设备。FPS200系列是一款高性能、低功耗、低价格的传感器，它由两个采样保持电路构成用于指纹图像的采集。每个金属电极作为电容的一极，而触摸传感器的手指就作为另外一极。装置表面有一层绝缘材料使得两电极之间绝缘。当手指接触到传感器时，手指纹路的凹凸不平会产生一系列不同的电容值，通过读取这些电容值而获得指纹图像。
通过对指纹识别系统的研究、设计与开发,综合运用了信号采集及接收技术，图像处理及识别技术,基本实现了利用单片机进行指纹识别系统开发的目的。
全文内容分为五章：第一章为绪论；第二章包括系统设计的电路硬件部分的组成和数据采集算法；第三章是指纹图像处理与识别算法的设计；第四章是主要算法的实现以及指纹识别系统实验与结果分析；第五章为总结。
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04
TSR
TPSR
PAR3
TPSR
05
NCR
TBCR0
PAR4
-ห้องสมุดไป่ตู้
0C
RSR
RCR
MAR4
RCR
0D
CNTR0
TCR
MAR5
TCR
以下是我们根据数据采集流程图写出的汇编程序：
LGMP START
ORG 0000H
LJMP START
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START: MOV TMOD,#20H
MOV TL1,#0FFH