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基于C5409的指纹鉴定系统的设计实现(可编辑)

2017-11-14 39页 doc 70KB 18阅读

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基于C5409的指纹鉴定系统的设计实现(可编辑)基于C5409的指纹鉴定系统的设计实现(可编辑) 华北电力大学(保定) 硕士学位论文 基于C5409的指纹鉴定系统的设计实现 姓名:陈倩 申请学位级别:硕士 专业:电工理论与新技术 指导教师:彭启琮 20031230 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘 要 是 公司的一款数字信号处理器 该芯片具有 良好的性能价格比 运算速度达 片内有 双访问 支持 的数据空间 的 空间和 的程序空间 片上外设 资源丰富 笔者以此款 芯片为核心处理器 设计实现了一种基于 芯片的指纹鉴定系统 该系统是 年 杯全国 大赛入围 作...
基于C5409的指纹鉴定系统的设计实现(可编辑)
基于C5409的指纹鉴定系统的实现(可编辑) 华北电力大学(保定) 硕士学位 基于C5409的指纹鉴定系统的设计实现 姓名:陈倩 申请学位级别:硕士 专业:电工理论与新技术 指导教师:彭启琮 20031230 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘 要 是 公司的一款数字信号处理器 该芯片具有 良好的性能价格比 运算速度达 片内有 双访问 支持 的数据空间 的 空间和 的程序空间 片上外设 资源丰富 笔者以此款 芯片为核心处理器 设计实现了一种基于 芯片的指纹鉴定系统 该系统是 年 杯全国 大赛入围 作品 指纹取像设备采用了 公司的 触摸电容式 指纹传感器 该传感器采集的指纹图像质量可靠 内置 且有 多种工作模式可供选择 开发灵活 此指纹鉴定系统外观小巧 工 作性能稳定 本论文主要讲述了该指纹鉴定系统的硬件结构和硬件平 台的具体开发实现 并介绍了指纹鉴定算法的设计思路 同时对 硬 件调试工作中需要注意的事项 结合笔者在此硬件平台开发中遇 到 的一些情况也做了说明 关键词 指纹图像 DSP 特征提取 特征匹配I 华北电力大学硕 士学位论文摘要 ABSTRACT TMS320VC5409 DSP chip is the product of the Texas Instruments, with 10-ns single-cycle fixed -point instruction execution time100 MIPS,32K 16-bit dual-access on-chip RAM.It provides 64K 16-bit data space, 64K 16-bit IO space and 8M program space and rich On-chip peripheralsA fingerprint identification system based on the C5409 DSP has been developed. This project is for the TI DSP competition in 2003.Fingerprint sensor FPS200 produdced by Veridicom is applied to the system. The sensor has better fingerprint image capture, A/D inside, and multi-mode to chooseThis fingerprint identification platform looks compact and works well This thesis focuses on the main hardware board structure and introduces the algorithm of the fingerprint identification. Additionately, the fingerprint’s feature and some application note are also offered in this thesis Key words: fingerprint image, DSP, feature extraction , feature matching II 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪 论 课背景指纹是指人类手指上出现的条状纹路 他们的形成依赖 于胚胎 发育时的环境 没有两个完全相同的指纹 这一观点已经得到公 认 由于指纹具有稳定性 唯一性以及易于采集的特性 一直以来 被认为是最可靠的利用生物特征进行身份鉴定的依据之一 随着计算机技术的进步 图像处理与模式识别方法的发展 指 纹处理技术日臻成熟 经历了人工处理 半自动化处理和自动化 处 理等三个发展阶段 美国于 年首先开展关于指纹识别软件的 研究 随后日本 也开始这方面的工作 我国开展得较慢 约 于 年开始 年美国推出第一个商用系统 而日本的 于 年才投入使用 近年来 国内也相继推 出了自己的指纹识别系统 指纹的取像设备技术日益成熟 这使采集到的指纹数据更真 实 图像更清晰 处理结果也就越加可靠 鉴定结果的可信度也越 强 目前有利用光学全反射技术 硅晶体电容传感技术 超声波扫 描技术等获得指纹图像的方法 通过指纹进行用户身份鉴定的方法 成为可行 而且在众多领域得到了认可随着现代社会的发展 安全性成为许多系统首要考虑的问题 而指纹因其不可复制 不可替代的特性成为鉴定身份的可靠手段 近年来有关指纹自动识别及认证研究已成为模式识别 图像处理及 计算机视觉领域的热点 而且指纹识别已广泛的应用于银行 保险 公安 门禁 考勤等方面 有着良好的应用前景 本课题的意义 本指纹鉴定系统是 2003年 TI全国 DSP大赛决赛入围作品 主 要目的就是在通用的 DSP 手机平台上 通过指纹识别技术实现用 1 华北电力大学硕士学位论文 户身份的安全性鉴定 手机系列产品有着向多功能发展的趋势 如无线上网 个人信 息管理 图像拍摄 影音资料播放等 相当于个人电子笔记本 这 样保密性就成为使用者和制造者非常关注的问题 再加上这类产 品 惊人的市场覆盖率 使此研究课题有着一定的市场应用效益 本文的主要内容 本文的主要内容安排如下 : 第一章介绍指纹鉴定技术的历史 应用及现状 并讨论了本课 题的意义 第二章对各种类型的指纹取像设备进行了比较 研究了 Veridicom公司的 FPS200指纹传感器的工作原理 性能特点 结 合 本系统性能要求对它进行开发工作 第三章具体系统硬件结构的设计实现 对系统采用的 DSP LCD 74HC574 CPLD 等芯片的功能特性进行研究开发 根据系 统的时序要求 利用 CPLD 进行逻辑设计并编写汇编程序予以实 现 第四章研究方向图滤波理论在指纹图像预处理中的应用 第五章分析制定指纹鉴定算法 并分别就指纹图像预处理 特 征点提取等方法展开讨论 第六章是本文的结论 指出本课题使用的调试工具 给出了系 统的调试结果 提出了笔者在调试开发过程中遇到的问题及解决 这 些问题的方法 并讨论了系统需要改进的地方和有待开发的方面 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章 指纹传感器的选择及介绍 指纹取像设备的介绍 指纹取像设备可分成两类 光学 硅晶体传感器和其它 光学取像 设备有悠久的历史 可以追溯到 世纪 年代 依据的是光的全反射 原理 晶体传感器是近几年在市场上出现的 电容传感器通过电 子度量设计来捕捉指纹 而超声波扫描被认为是指纹取像技术中非常好 的一类 超声波扫描指纹的表面 随后接收设备获取其反射信号 测量 它的范围就得到脊的深度 各种技术既有它们各自的优势 也有各自的 缺点 我们在下面 表 2.1.1 给出三种主要技术的比较 比较项目 光学全反射技 硅晶体电容传感技 超声波扫描 术 术 体积 大 小 中 耐用性 非常耐用 易受静电影响 一般干手指差 汗多 干手指好 汗多的 成像能力 的和稍脏的手 和稍脏的手指成像 非常好 指成像模糊 易失真 耗电 较多 较少 较多 成本 低 高 很高 表 2.1.1 指纹取像设备技术比较综合上述指纹取像方法的比较 结合本系统的实际需要 我们选择 了 Veridicom公司的硅晶体电容传感器 FPS200 它体积小 成像质量好 [1] 且能够承受比较恶劣的工作环境 该指纹传感器的开发是本系统的重要设计任务之一 指纹采集成功 与否 质量如何将直接影响整个系统的工作性能 但是关于这款传感器 的开发资料不完整 笔者在传感器开发使用上做了很多工作 有很多关 3 华北电力大学硕士学位论文 于传感器的功能特性等是通过多次反复实验总结摸索出来的 所以下面 对该传感器的开发情况做详细的分析 工作原理及其性能特点 主要特性 l 标准的 CMOS 工艺技术 基于电容的触摸式指纹传感器 500-DPI的高分辨率可兼容绝大多数指纹应用标准 l 1.28cm 1.50cm传感区域 l 极小的封装尺寸 24mm 24mm 2.5mm 1.28cm 1.50cm传感区域l 256 300传感阵列l 专利性的表面处理工艺可防止芯片划伤 抗腐蚀 抗磨损 l 内置 位 可直接输出数字化图像信号 l 三种总线接口 8-bit 微处理器总线接口 集成 USB高速接口 集成串行外围接口 可方便集成到各种应用中去 l 低功耗 工作电压 5V下小于 70mW l 带有自动手指检测功能 工作原理 FPS200是直接触摸式的电容原理指纹获取设备 传感阵列是由许多 金属电极组成的 每个金属电极相当于电容的一个极 而接触的手指作 为电容的另外一个极 两者之间的传感面形成电容两极之间的介电层 指纹的脊和谷导致传感阵列各电容值不同 读取这些电容放电前后的电 压差值就获取了指纹信息 传感器的传感阵列有 列 行 每列传感器阵列有两个采样保 持 电路 每次传感器只能捕获一行指纹信息 这包括两个阶段 第一个阶段 选定一行后 对此行所有的电容充电至 充电结束时 第一组采样保持电路保存其电压值 第二阶段 该行电容被电流源放电 放电率与放电电流是成比例的 经过一定的放电时间 另一组采样保持 电路保存剩余电压值 显然 两组 电路电压值之差正比于电容值 数字化之后即可表示该行的指纹图像 放电电流和放电时间影响着传感 4 华北电力大学硕士学位论文 器的灵敏度 它们可以通过传感器的 和 寄存器进行设定 框图结构见图图 2.2.1 FPS200 结构框图 工作模式 Microprocessor Bus Interface 这种工作模式用到的传感器资源有 D[0:7] A0 地址线 INTR WAIT这两个表征状态的引脚以及中断 片选 读写等控制 引脚 可用传感器内置的时钟电路也可以外接晶振电路 传感器通 过地址寄存器访问相应的功能寄存器 A0 是低电平表示访问地址 寄存器 A0是高电平表示访问地址寄存器选定的功能寄存器 引脚用来表征有中断源向传感器发出中断请求 引 脚用低电平状态表征内部正在 转换或者正在读取 结果 当 完成时为高阻状态 这两个引脚在没有表征状态的时候都是高 阻 所以可以在系统中和其它器件的中断信号引脚线与连接 本系 统就采用了这种连接方式 的工作电路图见图5 华北电力大学硕士学位论文 指纹传 感器图 工作电路接线图 Serial Peripheral InterfaceSPI Slave 这种模式用到 SCLK,SCS,MOSI,MISO和 EXTINT引脚 寄存器读 指令包括命令字节和地址字节 主设备先将 SCS 引脚拉成低电平再向 MOSI送读命令字节 编码为 0x03 然后发送地址字节来确定要读取 的寄存器 指纹传感器在这种模式开发中是从设备 它接收到主设备发 送的地址最低有效位后 把主设备选定的寄存器中的值通过 MISO脚输 出 主设备采样到传感器输出的数据最低有效位后把 SCS拉成高电平 为下次的读操作准备 为了读取 A/D转换结果 主设备要把 SCS拉成 低电平然后将该行像素值连续读完 要读取另外一行像素点的值 需要对 寄存器进行新的读操作 开始新命令之前要将 SCS拉高 寄存器写指令包括命令字节 地址字节和其后要写的数据 主设备 要先将 SCS拉成低电平并发送写命令指令 编码 0x02 然后发送要写 入的寄存器地址 最后向传感器输出数据 之后把 SCS拉成高电平 USB Interface Mode, Using Internal ROM 这种 USB 模式用到以下传感器资源 DP,DM,EXTINT,XTAL1 和 XTAL2 必须使用 12M 外接晶振电路 且其它几种工作模式禁止 通 过 USB GET_DESCRIPTOR 命令访问内部 ROM 用到下面三个终端 Endpoint 0 设备配置控制终端 传感器功能寄存器的读写就是通过命令这个终 端的控制传递6 华北电力大学硕士学位论文 Endpoint 1 专门读取 CTRLA寄存器的终端 是 A/D转换器的一个输出缓冲 以 64-byte 数据包的形式输送 但是如果只选择一行图像捕获时 这个 数据包的大小就和该行的像素长度相同 Endpoint 2 中断终端 当有中断发生时 ISR 中断状态寄存器 的值会传递 到此终端 USB Interface Mode,Using External ROM这种模式用到的传感器资源有 DP DM SCLK SCS MOSI MISO EXTINT XTAL1和 XTAL2 也要使用外部的晶振电路 不过 SPI接口要使用 且为主设备模式 通过 USB GET_DESCRIPTOR 命令 访问外部 SPI 串口的 ROM 主要寄存器介绍 RAH RAL 分别是要捕获的起始行的最高位和低八位的数值 REH REL 分别是要捕获的终止行的最高位和低八位的数值 CAL CEL 分别是要捕获的起始列和终止列的数值 DTR DCR 分别是放电时间和放电电流的数值 CTRLA 这是一个重要的寄存器 设定该寄存器将决定是行捕获 矩形 区域捕获还是全部区域捕获 一旦写入该寄存器传感器立刻就开始指纹 图像的捕获操作 而接下来连续读取这个寄存器的值就是我们需要的数 字化之后的图像数值 从写入该寄存器开始图像捕获到行捕获完毕需要 一定的时间 所以初次读取此寄存器时要留有 28+DTR[6:0] 个时钟 周期以等待行捕获完毕 以后每两个连续读取该寄存器的操作之间最少 要留有 6个时钟周期以等待 A/D结束 工作流程 这部分很多内容是笔者通过理解 DATASHEET并通过调试总结出来 的 图 2.2.3是对传感器的初始化 下面分别介绍各个工作模式下的工 作流程7 华北电力大学硕士学位论文 调节设置参数 初始传感器 写 写 如果使用也 写 将和置 将置 写 其他的寄存器初始化 等待 也可在此时间内进行 传感器使能 参数设置完毕图 2.2.3 FPS200的初始化 Microprocessor Bus Interface 工作模式流程 因为本系统采用了 Microprocessor Bus Interface工作模式 笔 者在该模式的读写时序上倾注了很多精力 最后验证了对传感器正 确的读写时序 见图 2.2.4传感器对寄存器操作的顺序必须要考虑到它的工作流程 比 如 一旦写入 CTRLA寄存器那么传感器就开始捕获指纹的操作了 所以需要设定的寄存器必须在这之前就配置好 否则传感器就无法 正常工作 或者获得虚假的指纹信息 以下是行捕获 矩形区域捕 获和全部区域捕获三种情况下的操作流程8 华北电力大学硕士学位论文 读时序 写时序 图 2.2.4 FPS200读写时序 MCU 行捕获就是只设置传感器捕获一行指纹信息 流程见图 2.2.5 全部区域捕获就是使用传感器全部的传感阵列来获取 256 300 指 纹像素矩阵 流程见图 2.2.6 矩形区域图像捕获是由用户设定需要的传感器传感阵列的区域 就 是在 256 300的传感阵列中选取一个矩形范围来采集相应的指 纹信息 流程见图 2.2.7 首先 向行列寄存器设定需要的起始行列值和终止行列 值 一旦设定完毕 选定的传感阵列就开始对电容预充电 然后写入 CTRLA寄存器启动矩形区域图像捕获操作 等待行捕获和 A/D时间结 束后读取 CTRLA寄存器的值就获得了指纹图像的数值 本系统就选用 此种捕获区域 舍弃了周边的指纹图像 因为边缘部分指纹图像质量可 信度较低 且中心部分指纹提取的特征点已经足够作为指纹判定的依 9 华北电力大学硕士学位论文 据 Serial Peripheral Interface 模式工作流程这种模式下行列寄存器的功能和 Microprocessor Bus Interface工作 模式下的相同 只是命令由 MOSI引脚写入 数据从 MISO引脚读出 且读取每行像素值前必须使用新的寄存器读命令 只使用一个寄存器读 命令不能自动获得全部的指纹图像或者矩形区域的指纹图像 工 作流程 见图 2.2.8 USB Interface模式工作流程 这种模式下行列寄存器的功能和 Microprocessor Bus Interface工作 模式下的相同 只是寄存器的读写通过 endpoint0 终端 图像数 据从 endpoint1终端读出 工作流程见图 2.2.9 行捕获 写 等待行捕获时 间 读 设置行地址 等待时间 写 行最后的像 素是否读取 写 行选定 行捕获完毕 图 2.2.5 行捕获设置流程图 MCU 10 华北电力大学硕士学位论文 全部图像捕获 写寄存器 等待行图像捕获 时间 读取后的值 等待过程结 束 该行最后一个像素 是否读取 图像最后一个像素 是否读取 图像捕获完毕 图 2.2.6 全部图像捕获流程图 MCU 矩形区域设定 矩形区域捕获 写寄存器 写 等待行图像捕获 写 时间 读取后的值 写 等待过程结 束 写 该行最后一个像素 写 是否读取 写 图像最后一个像素 是否读取 矩形区域设定 图像捕获完毕 完毕 图 2.2.7 矩形区域指纹捕获流程 MCU11 华北电力大学硕士 学位论文图像捕获 拉低送写指令 写地址送数 据拉高 等待行图像捕获 时间 拉低 送读指令 写地址 读数据 图像捕获 该行最后一个像素 通过 是否读取 写 通过读 拉高 数据包 图像最后一个像素 最后一个图像数据 是否读取 包是否读取 图像捕获完毕 图像捕获完毕 图 2.2.8 SPI模式图像捕获流程 图 2.2.9 USB模式图像捕获流程 12 华北电力大学硕士学位论文 第三章 系统结构设计系统功能描述 指纹身份鉴定系统是指确认用户声称的身份是否与其真实身份一 致 即回答 我是某人吗 的问题 只有两种可能的答案 是或不是 系统包含两个主要的功能模块 学习模块和鉴定模块 学习模块负责采 集用户指纹数据 提取代表这些数据的特征 作为以后的比对模板存入 数据库 鉴定模块则采集待鉴定用户的指纹数据 提取特征后与数据库 中的模板进行比对 决定两者是否匹配 然后做出 是或不是 的 判断 整个系统的功能框图如图 所示 学习模块 指纹采集 图像处理 特征提取 数据库 指纹采集 图像处理 特征提取 匹配 鉴定模块 鉴定结果图 指纹鉴定系统功能框图 为了完成上述功能 我们设计的系统硬件结构图如图 所 示 系统核心处理器采用 公司的 芯片 指纹 图像采集设备是前文详细介绍过的 指纹传感器 从指 纹传感器读取指纹图像数据后进行相应的算法处理 然后将感兴 趣 的结果交由液晶显示模块显示 为满足系统要求 为 配置了 和 并选用了 来完成整个系统的逻辑设计 此硬 件平台的主要程序流程框图见图 经过调试运行证明完全可 以满足系统的性能要求 下面对各模块在系统中的功能做进一步 的 说明13华北电力大学硕士学位论文 缓冲器 液晶显示模块 指纹传感器 和 控制键盘图 指纹鉴定系统硬件结构框图 开机 系统初始化 是否有按键 否 按下 是 否 否 是否模板 是否身份 采集按键 鉴定按键 图 是 是 系统主要 读取指纹 读取指纹 程序框图 算法处理并 算法处理并与 保存为模板 模板比对 否 报 是否合法身份 警 是 显示通过 14 华北电力犬学硕士学位论文 . 芯片 处理器是专门设计用来进行高速数字信号处理的微处理器。 是定点,主要特点如下“?: ?运算速度快,达 ?优化的结构。内部有个位的算术逻辑单元,个位的累加器, 个位加法器,个×的乘法器和个位的桶形移位器。采用 改进的哈佛结构,有一组程序总线和三组数据总线,两个地址产 生器,高 度并行的算术逻辑单元专用硬件逻辑。 ?智能外设,扩展方便。两个软件控制通用/引脚:和。是分 支转移控制输入端口,主要用于监控外围设备的运行状态。是外 部标志 输出端口,主要用于程序向外设传输标志信息。片内有双访问, 支持×的数据空间,×一的程序空间和的 空间。/操作是通过外部数据地址总线与/读写控制引脚、、 /配合实现的。除了标准的串行口和时分多通道带缓冲器串口外, 还提供了带缓冲器单通道同步串口? ,并行带缓冲器多通道同步 串口 和与外部处理器通信的 接口。 ?低功耗方式。端口工作电压.,内核工作电压.。有三神低功耗方式 ,和。 有着良好的性价比,其工作性能可以满足本指纹鉴定系 统的要求,它的结构框图如图?一所示。 实际系统中我们为扩展了的 【】,但因最多支持外 部扩展数据空间存储器分配见图??,因此由通过中的逻辑电 路后文介绍时有对该电路的描述来控制的地址线的电平,从而 决定在同一时间是选择的高地址段存储空间还是低地址段存储空间。 这样就在符合的外扩数据空间要求的基础上又增加了宝贵的数据存储空间。 配置 ?以满足 的需要,系统调试期间程序 通过的下载到的片内,调试成功后,将程序和有关数据信息烧入 。系统上电后首先执行程序,将片外中的程序 装载到片内的中高速执行,这样系统就完全脱机工作了,不仅可以降低应 用系统的硬件成本一般的价格随存取速度的增加呈指数增加,而 且可以提 高系统的整体抗干扰性能。华北电力大学硕士学位论文廿 /口 ? 叶 。口 丁? 口 图 结构框图 州。。。。褫。;。,。。 唧。%幕意。嗍 图? 存储器分配图 华电力大学硕士学位论文 的低八位数据线和传感器的八根数据线直接接口,地址线与和 的地址线接口,各按键通过×引脚向发送中断请求,并由 通过中的逻辑电路控制各芯片的读写以及控制引脚,使整个系统 协调一致的 工作。 .液晶显示部分 .. 的开发使用 系统终端选用了液晶显示模块对感兴趣的图像或数据结果进行直观形 象的显示。这是种图形点阵液晶显示器,它主要采用动态驱动原理由行驱动控制 器和列驱动器两部分组成了列×行的全点阵液晶显示“?,原理简图见图 ,引脚特性见表??,其主要特性如下: ?工作电压为?%,可自带驱动所需的负电压。 ?全屏幕点阵,点阵数为列 行,可显示行 行个× 点阵汉字,也可完成图形,字符的显示。 ?.与接口采用位控制总线和位并行数据总线输入输出,适配 系列时序。 ?内部有显示数据锁存器,自带驱动。 ?简单的操作指令 显示开关设置,显示起始行设置,地址指针设置和数 据读/写等指令。 本系统中部分电路接线图见??图,它的八根数据线和缓冲锁存芯片 的八根输出数据线直接接口,功能引脚由通过中的逻辑控制。 发送给的数据先由锁存器锁存,然后再由控制相关读写引脚,按照 的时序要求从锁存器读取数据进行显示。 主要部分详解: 显示数据× 用于存储要显示的数据。 此的每一位数据对应显示面板上一个点的显示数据为或不显示数据为 。 /缓冲器~缓冲器为双向三态数据缓冲器。是内部 总线与总线的结合部。其作用是将两个不同时钟下工作的系统连接起来,实现 通讯。/缓冲器在片选信号有效状态下开放,实现与之间的数据传递。 当片选信号为无效状态时,/缓冲器将中断内部总线与数据总线的联系, 呈高阻状态,从而不影响的其它数据操作功能。.兰皇查奎堂堡主兰垡垒壅?? 原理简图 图? 图 接口电路 华北电力大学硕士学位论文 引脚 引脚名称 级 别 引 脚 功 能 描 号 述 电源地 电源电压~一 驱动负电压,要求/ 寄存器选择信号 / / 读/写操作选择信号/ 使能信号? / 八位三态并行数据总线。 / 片选信号,当时,液晶左半屏 显示 / 片选信号,当时,液晶右半屏 显示/ / 复位信号,低有效一 输出一的负电压单电源供电/ 时,能发光~ 驱动的输入交流信号 表?? 引脚特性 输入寄存器 输入寄存器用于接收在运行速度下传送给的数据 并将其锁存在输入寄存器内,其输出将在内部工作时钟的运作下 将数据写入指 令寄存器或显示存储器内。 输出寄存器 输出寄存器用于暂存从显示存储器读出的数据,在读 操作时,输出寄存器将当前锁存的数据通过/缓冲器送入数据总线上。 指令寄存器 指令寄存器用于接收的指令代码,通过译码将指令代 码置入相关的寄存器或触发器内。 状态字寄存器 状态字寄存器是与通讯时唯一的“握手”信号。 状态字寄存器向表示了当前的工作状态。尤其状态字中的“忙”标志位是华北电力大学硕士学位论文 每次对访问时必须要判别的状态位。当处于“忙”标志位时,/缓冲器 被封锁,此时对的任何操作除读状态字操作外都将是无效的。 地址寄存器 地址寄存器是一个三位页地址寄存器,其输出控制着 中个页面的选择,也是控制着数据传输通道的八选一选择器。地址寄存 器可以由以指令形式设置。地址寄存器没有自动修改功能,所以要想转换页 面需要重新设置地址寄存器的内容。 地址计数器是一个位循环加一计数器。它管理某一页 地址计数器 面上的个单元。地址计数器可以由以指令形式设置,它和页地址指针结合 确定唯一的显示存储器单元,地址计数器具有自动加一功能。在显示存储器读/ 写操作后地址计数将自动加一。当计数器加至后循环归零再继续加一。 地址计数器 地址计数器是一个位地址计数器,用于确定当前显示 行的扫描地址。地址计数器具有自动加一功能。它与行驱动器的行扫描输出同步, 选择相应的列驱动的数据输出。 显示起始行寄存器 显示起始行寄存器是一个位寄存器,它确定了要 在显示屏上显示的第一行的地址。该行的数据将作为显示屏上第一行显示状态的控 制信号。 显示开/关触发器 显示开/关触发器的作用就是控制显示驱动输出的电 平以控制显示屏的开关。在触发器输出为“关”电平时,显示数据锁存器的输入被 封锁并将输出置?’,从而使显示驱动输出全部为非选择波形,显示屏呈不显示状 态。在触发器输出为“开”电平时,显示数据锁存器被控制,显示 驱动输出受显示 驱动数据总线上数据控制,显示屏将呈显示状态。 软件说明: 读状态字 状态字是了解当前状态,或向提供其内部状态的唯一的信息 渠道。 , 表示当前接口控制电路运行状态。表示正在处理发 过来的指令或数据。此时接口电路被封锁,不能进行除了读状态 字以外的任何操作。 表示接口控制电路已处于“准备好”状态,等待的访问。 /表示当前的显示状态。/表示关显示状态,/表示开 。 显示状态。 表示当前的工作状态,即反映/端的电平状态。当/为低电 平状态时,处于复位工作状态,标志位。当/为高电平状态时, 为正常工作状态,标志位。华北电力大学硕士学位论文 在指令设置和数据读写时要注意状态字中的标志。只有在时, 对的操作才能有效。因此每次对操作之前,都要读出状态字判断 是否为“”。若不为“”,则需要等待,直至为止。 显示开关设置 工二工工日 该指令设置显示开/关触发器的状态,由此控制显示数据锁存器的工作方式, 从而控制显示屏上的显示状态。位为显示开/关的控制位。当为开显示设置, 显示数据锁存器正常工作,显示屏上呈现所需的显示效果。此时在状态字中 /。当为关显示设置,显示数据锁存器被置零,显示屏呈不显示状态, 但显示存储器并没有被破坏,在状态字中/。 显示起始行设置 丘互?匹匠匠工正圈 该指令设置了显示起始行寄存器的内容。通过的选择分别具有行显 示的管理能力,该指令中~为显示起始行的地址,取值在~~行 范围内,它规定了显示屏上最顶一行所对应的显示存储器的行地址。如果定时等间 距地修改如加一或减一显示起始行寄存器的内容,则显示屏将呈现显示内容向 上或向下平滑滚动的显示效果。 页面地址设置 该指令设置了页面地址一地址寄存器的内容。将显示存储器分成页, 指令代码中~就是当前所要选择的页面地址,取值范围为~,代表第~ 页。该指令规定了以后的读/写操作将在哪一个页面上进行。 列地址设置 该指令设置了地址计数器的内容,通过的选择分别具有列显示的 管理能力,~ ~~代表某一页面上的某一单元地址,随后的一 次读或写数据将在这个单元上进行。地址计数器具有自动加一功能,在每一次读/ 写数据后它将自动加一,所以在连续进行读/写数据时,地址计数器不必每次都设 置一次。 页面地址的设嚣和列地址的设置将显示存储器单元唯一地确定下来,为后来的 显示数据的读/写确定地址单元。 写显示数据 该操作将位数据写入先前已确定的显示存储器的单元内。操作完成后列地址 计数器自动加一。华北电力大学硕士学位论文 读显示数据 该操作将接口部的输出寄存器内容读出,然后列地址计数器自动加一。 的读写时序如图?所示。 / . ? 写时序图 / . ? 读时序图 图? 读写时序 ..为配置的缓冲锁存器 为了解决和读写速度相差悬殊的问题,选用了缓冲锁存器, 其功能表见表??。将要显示的数据通过进行锁存,然后再由 读取。这是一种边沿触发,的三态缓冲锁存器,是输出有效控制引 脚,低 有效,为时钟引脚,在时钟的上升沿实现数据传输,并锁存状态直 至下次时钟上 升沿到来。华北电力大学硕士学位论文 体 期?醴 硅? 舾 丰 穗 ’丰 ?? ?? “”???? ???? 表 功能表 . 逻辑设计 系统选用了公司的 “完成逻辑设计,它为通用逻辑集成提 供先进的系统编程和测试功能,由四个功能块组成,提供个可用门, 延时.,外围供电电压.,核供电电压。 参考文献?,笔者利用设计了很多系统协调工作所需要的逻辑, 其中利用了很多状态表征信号参与逻辑设计。访问棚时,信号 会有一定时间的低电平表征然后升为高电平,并且数据在此信号电平的上升沿锁 存;访问空间时,相应的也有信号表征低电平后升为高电平,数据 在此信号的上升沿锁存。、、分别是/、程序、数据空间选择信号,低电 平有效。/是读写选择信号,进行读操作时为高电平,写操作时为低电平。 详细的时序见以下??诸图,分别是: 读时序图, 写 时序图, /写时序图, /读时序图,。华北电力大学硕士学位论文 匿贯?二二 存储器读时序图 商哟?岛邯? :.???一’? ’? 引 卜?删 ;??。 , 【:】 ‘ 一 ??一 ?叶卜岫酎? ? ?‘ ????一 苣州 ? 一 一一叶’一 ?”~” 一。?。: 。‘枷钉阻 . 、 , . 、 , 嚣嚣二二 存储器写时序图 ..华北电力大学硕士学位论文 :《 胆:】 荐二二二二 /端:写时序图 【: 口【:。 /端口读时序图 图 时序图华北电力大学硕士学位论文 下面对本系统中使用较多的逻辑做介绍。通过对/端口的操作来 控制某 引脚电平的高低,如图?。连接的引脚,当对端口操作时 为低电平,如果要将引脚拉为高电平,就需要对的 /端口进行写 操作,本逻辑选用的数据线作为控制引脚。逻辑设计选用触发器 和控制 缓冲器,的引脚为低电平时实现两端数据的传输,这样执行写 端口指令时,、/和地址线都为低电平,先变低电平然后再升为高 电平, 这样触发器端口上升沿来到,就将数据线数据送入端口。参考文献 ?, 的汇编程序如下:. , , 当然,如果想要把电平变低,就要向端口输送能使的数据线为低电平的数 据,比如。此外,也可以用的地址线在逻辑中扮演上例中的角色,逻辑 如图,那么现在如果要将引脚拉为高电平,只要保证 地址线为 图?华北电力大学硕士学位论文 高电平就可以了,相应的程序应为: . , 访问的逻辑设计如图?所示。其中?连接到的片选信号, 低电平有效:?连接到数据输出控制引脚。进行读取的时候要求? 为低电平且?为高电平,写入时要求为低电平。由 控制决定是选择还是,如果要选中就要对进行/端口操作, 使为高电平。 访问的逻辑与访问的逻辑大体相同 如图?所示。 , 匝塑重? 州盯髓。州二?小,? ??????????一/ 图?? 逻辑设计 图?? 逻辑设计 缓冲锁存器芯片有两个控制信号和,其功能见前文所述。 中将直接接“地”低电平逻辑,这样,始终设置为输出有效状态, 华北电力大学硕士学位论文 的逻辑见图??,地址端口设计为,对此端访问时,信号的状态就受 , 信号变化的影响,从而产生电平上升沿的跳变,实现对的访问。 的控制大都是用对端口操作韵逻辑完成的,如图?或图??中 所示的逻辑。其中片选有两个信号,由高电平的信号决定了是使 用左半屏还是 右半屏,这样我们的逻辑将他们设计为同一个/端口地址,一个信 号使用数 船 图? 的信号逻辑设计 图?? /端口地址逻辑设计 ?,? 据线做控制,另一个信号使用数据线做控制,见图??。的信号逻辑 设计/端:是,使用数据线控制;的信号逻辑设计/端口是, 华北电力大学硕士学位论文 使用地址线控制:的/信号逻辑设计/端口是,使用数据线控 制。结合前文的开发介绍和访问时序图,现截取部分程序举例如 下,说明结合 逻辑设计对的操作,此程序的目的是让在第一页的第一行显示: ... /第一行/ . /第一页/ . ? /术定义左半屏%/ /选中左半屏女/ 半?, , 胁选中功能寄存器/ %, 肛拉低?信号/ , 序拉低?信号,为写操作准备/ /向功能寄存器写“开显示”控制字%/ , , /拉高?信号,数据在此信号上升沿 写入水/ , , 胁向功能寄存器写“行地址”控制字/ , /拉高?信号,数据在此信号上升沿 , 写入/ , 女, 序向功能寄存器写“页地址”控制字/ , /拉高?信号,数据在此信号上升沿 写入%/ 斗:, /十开始向送入数据/ , /%选中 / , /十向 写要显示的数据 却 , /拉高?信号,数据在此信号上升 沿写入/ 水 ? ? 叫 曲 ? ? /循环输送数据,列地址自动加 半/ 指纹传感器的地址线逻辑设计为/端口,使用数据线 控制;片选逻辑设计为/端口,使用数据线控制;读信号低 华北电力大学硕士学位论文 电平有效,写入的数据在信号的电平上升沿锁存,要想使得或信号中的 一个有效必须同时保证另外一个信号处于无效状态,专为此设计的逻辑图如图 ??。的作用是:为低电平输出信号,为高电平则输出信号,笔 者设计的传感器此逻辑端口是,这样当对传感器进行写操作时,为低电图?? 平,向传感器的输出 信号,而传感器依照中的逻辑在此过 程中始终是高电平,这样数据就在信号上升沿写入传感器;反之,当 读取传感器时,传感器的始终是高电平,而随 的输出变成低电 平,完成读操作。下面列出了和指纹传感器协调工作捕获并读取指纹 数据的示例程序: , /从开始存储指纹数据/ , /确定捕获×个像素点/ . , , /%选定传感器/ /设置功能寄存器术/ , /地址线拉低,选中地址寄存器/华北电力大学硕士学位论文 , 序写寄存器地址/ , 女 /地址线拉高,选中数据寄存器/ , /丰写寄存器的值丰/ /设置放电时间寄存器女/ 女, /地址线拉低, 选中地址寄存器/ /木写寄存器地址/ , , /地址线拉高, 选中数据寄存器/ 胁写寄存器的值/ 女, /设置放电电流寄存器/ , , /写寄存器地址/ , , 胁写寄存器的值/ 丹设置中断寄存器/ , 木, 肛写寄存器地址丰/ , 女, 瓜写寄存器值%/ /设置捕获起始行地址的最高有效位寄存器/ , , /写寄存器地址十/ 术, , /写寄存器值, 依此程序流程设置,,,,寄存器确定捕获矩形区域的起始和 结束行列值 /写写入此寄存器则开始捕获指纹/ 木, , /写寄存器地址/ , 华北电力大学硕士学位论文 木? 七 幻 ? /写寄存器值/朽 印 等待行捕获时间%/ ? 胁读读此寄存器就得到了/后的指纹图像数据/, /术读的值/ 胁等待/转换时间术/ 胁以下程序将两个的图像数据存放在一个的存储空间/‘ 丰 栅叫 詈妒 黼栅盯” , 等待/转换时间/ 木 吨 ” 堋籼 ? 蜘岫一防 毗耋州伸互盯“粗 一 耙 。‰ ? 睁 舻 四删叭娜州呲唧”删州呲唧?训华北电力大学硕士学位论文 第四章系统软件和调试结果 .方向图滤波 在指纹的鉴定过程中,由于受各种因素的影响,得到的指纹图像是一幅含噪音 较多的灰度图像,需要先对此图像进行预处理,目的是去除图像中的噪音,以便于后 续工作中提取正确的指纹特征,所以预处理的好坏直接影响着指纹鉴定的效果。 在获取指纹图像时会产生断裂和叉连两种破坏纹线,为了消除干扰及增强纹线, 针对指纹纹线具有较强方向性的特点,人们提出了采用方向图滤波的方法””对指 纹图像进行增强。 ..方向图的获取算法 ,赳..侈 ’降 砀 图一卜 个方向 方向图是用每一个像素点的方向来表示指纹图像,该系统采用了个方向值,如 图所示。各方向之间的夹角为“/,以~表示。每个像素点上方向 值 的判定是在其邻域窗口中得到的,实验中取。该邻域窗口如图 所示。 分别求沿各个方向的灰度变化,如两式所示。其中,~,’代 表与垂直的方向, 。?厂,.厂, 。,:? ‘? 即’;,是点,的灰度值:是方向上的第点 分别是点与,的灰度值。 ,,,,华北电力大学硕士学位论文 , , , 】, , 】 ? 图? ×邻域窗口 点,的方向应该是取值最小,,取值最大的方向。这不仅考虑了指 纹 纹线的切线方向灰度变化最小,同时也考虑了它的法线方向应该 是灰度变化最大的 方向。当~时,分别求出/’,进一步得到其最小值/,,, 的方向取与对应的。 对指纹图中的每一像素,都按如上算法操作,可得到指纹图的方 向图。 ..方向圈的平滑算法 方向图求出后,还存在一定的噪音,需要对其进行平滑。设是某一像素邻 域中方向为的像索的个数,定义的最大值为 ,次大值为,其对应的 方向值分别是和,,是点,校正后的方向代码,则按下式进行平滑 . 若三.三 . 、。 学蔷黼??;垫??四 且 其他 , 上式中的界值由实验确定。华北电力大学硕士学位论文 ..方向滤波器的设计 方向滤波器是由一组不同方向的多个滤波器模板组成的。先求水平方向的滤波 器,其他方向的滤波器可以通过旋转得到。一般滤波器大小为×,约为一个纹 线周期。取,经实验验证,此时滤波效果最好。滤波器的系数分布如图一卜 所示。 ././.。.. /./ / 句甜 ,口 撕, 吖 / 厶邝力 / ,. 一 句甜打甜对& 打印娩, 以厶厶肛肛厶 厶力力力力肛 门 图?? 水平方向滤波器系数× 各系数之间按?,,且一的关系确定。每一行的系数由 中间向两端快速衰减,其目的是为了避免破坏大曲率的纹线构型。滤波时,指纹图 中每一点的灰度值,由其周围的个点的灰度值共同决定。滤波器应有连接断点 和去除叉连的作用。如果指纹中出现断点,即这一点的灰度值比周围点小得多,那 么经过滤波器的处理后,该点就接近周围点的灰度值了;如果指纹中出现叉连点把 相邻的两条脊线连接起来,则其上下两行的灰度值较大,而其同一行上邻点的灰度 值较小,经过滤波后,叉连点的灰度值会明显降低。因此该滤波器起到了连接断点 和去除叉连的作用。 得到水平方向的滤波器后,其他方向~的滤波器可由水平方向的 滤波器旋 转相应的角度得到。旋转后,滤波器上坐标’,’与水平方向滤波 器上坐标, 之间有如下关系 四 :卜一篇“咽;【;::】 其中,.?/为滤波器旋转的角度,为方向代码~。 ’,’相等于水平滤波器 在新方向的滤波器上,’,’位置的系数 上,位置的系数,。此时点’,’上的系数 ,’需要用其周围点的系数进行内插得到。设水平方向滤波器上,, 周 华北电力大学硕士学位论文 ,,此处 围个坐标的系数分别为:,,,,,, ,,则内插表达式为 日,,扎一,“一, ?。扎,,。 ,一。?。,扎 ,一?。乩,, 由此可得其余个方向滤波器模板的系数,这样个滤波器摸扳就都得到了。 ..滤波 滤波时,根据每一个像素的方向值,选用相应的滤波器模板进行滤波卷积运 算 。. , 厂,??厂,眦, ?卢 为相应的滤波器模板的系数。经过滤波后一些断裂和叉连现象被消除 其中, 了,纹线得到了增强。 .指纹鉴定算法介绍 指纹是比较复杂的,采集指纹要受到手指上的汗液和灰尘以及按压力的大小等 外界因素的影响,这样初期得到的指纹图像就包含大量的噪声,需要对图像先进行 预处理,然后提取特征点数据,并去除伪特征点。再将处理结果与数据库中已有的 模板数据进行匹配判断,最后给出判定结果。模板是系统在学习 功能阶段将用户的 指纹数据经过上述相同的处理后保存下来的。本章参考文献?。 ..指纹图像的预处理 指纹图像的预处理包括方向图滤波、二值化、去噪、细化、去毛刺等步骤,其 目的就是去除图像中的噪声,把它变成一幅清晰的点线图,为后续的指纹特征提取 工作做准备,预处理是指纹鉴定算法的第一步,它的图像处理质量的优劣直接影响 着指纹鉴定系统的准确率。 从读取指纹图像后,首先采用上一章介绍的方向图滤波方法进行图 像去噪增强,接下来将其二值化,前景点指纹脊线取数值,背景点取数值, 这样就把指纹脊线提取出来,便于后续处理。根据指纹图中臂线与谷线宽度大致相
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