基于ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

指紋識(shí)別技術(shù)近年來(lái)因其唯一性、終生不變性和難于偽造等特點(diǎn)，在身份識(shí)別領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?；贏RM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案結(jié)合了高性能的ARM處理器和光學(xué)指紋傳感器，實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的指紋識(shí)別功能。以下是對(duì)該設(shè)計(jì)方案的詳細(xì)闡述，包括主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用。

一、系統(tǒng)概述

基于ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)主要由光學(xué)指紋傳感器、ARM處理器及相關(guān)外圍電路組成。該系統(tǒng)通過(guò)光學(xué)指紋傳感器采集指紋圖像，利用ARM處理器實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別算法，從而實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證和比對(duì)。

二、主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用

1. ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F205RE

型號(hào)： STM32F205RE

作用：

STM32F205RE是意法半導(dǎo)體公司推出的一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位高性能單片機(jī)，具有低功耗、高性能和豐富的外設(shè)資源等特點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，STM32F205RE作為控制核心，主要承擔(dān)以下任務(wù)：

• 指紋圖像采集與處理：STM32F205RE通過(guò)GPIO接口與光學(xué)指紋傳感器連接，實(shí)現(xiàn)指紋圖像的采集。其GPIO口工作頻率可達(dá)120 MHz，能夠非常準(zhǔn)確高效地模擬時(shí)序，確保640×480的原始圖像能以10幀/s的速度采集到主處理器中進(jìn)行處理。

• 圖像處理算法實(shí)現(xiàn)：STM32F205RE具有強(qiáng)大的處理能力，能夠運(yùn)行Sobel邊緣檢測(cè)算子、Gabor濾波、圖像二值化等圖像采集與處理算法，對(duì)指紋圖像進(jìn)行識(shí)別。

• 系統(tǒng)控制與管理：STM32F205RE還負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制與管理，包括通信、人機(jī)接口、指紋數(shù)據(jù)庫(kù)管理等。其豐富的外設(shè)資源（如中斷控制器和外設(shè)數(shù)據(jù)控制器）使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活和可靠。

2. AT75C220

型號(hào)： AT75C220

作用：

AT75C220是Atmel公司推出的一款集成了ARM內(nèi)核、DSP協(xié)處理器以及以太網(wǎng)MAC接口的智能互聯(lián)網(wǎng)芯片。該芯片在指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中同樣具有重要的作用：

• 高性能計(jì)算：AT75C220采用ARM7TDMI微處理器核和16b定點(diǎn)DSP核，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。這使得AT75C220能夠?qū)崟r(shí)處理指紋圖像，實(shí)現(xiàn)高效的指紋識(shí)別算法。

• 網(wǎng)絡(luò)通信能力：AT75C220集成了雙以太網(wǎng)10/100Mb/s MAC接口，支持TCP/IP協(xié)議棧。這使得指紋識(shí)別系統(tǒng)不僅具有本地識(shí)別能力，還能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和身份認(rèn)證。

• 豐富的外設(shè)資源：AT75C220還具有豐富的外設(shè)資源，如多媒體數(shù)字信號(hào)編解碼器（CODEC接口）、集成SDRAM控制器等。這些外設(shè)資源使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活和多樣化。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1. 光學(xué)指紋傳感器

光學(xué)指紋傳感器是系統(tǒng)的核心部件之一，用于采集指紋圖像。本系統(tǒng)采用內(nèi)建格科微電子有限公司的光學(xué)GC0307 CMOS圖像采集芯片的光學(xué)指紋傳感器。該傳感器具有高精度、低功耗、微體積等特點(diǎn)，能夠?qū)?shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)VGA影像的CMOS影像傳感器與高度集成的影像處理器、嵌入式電源和高質(zhì)量的透鏡組結(jié)合在一起，輸出JPEG圖像或圖像視頻流。

2. 主控芯片與外圍電路

• STM32F205RE主控芯片：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制與管理，通過(guò)GPIO接口與光學(xué)指紋傳感器連接，實(shí)現(xiàn)指紋圖像的采集與處理。

• 電源電路：為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，確保各部件正常工作。

• 通信電路：包括串口通信電路和以太網(wǎng)通信電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信和身份認(rèn)證。

• 存儲(chǔ)電路：包括Flash存儲(chǔ)器和SDRAM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)指紋特征和系統(tǒng)程序。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1. 圖像處理算法

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分針對(duì)畸變糾正采用了四點(diǎn)轉(zhuǎn)正算法，通過(guò)公式變換得到從（x,y）到（u,v）的變換，從而解決圖像畸變問(wèn)題。在圖像增強(qiáng)方面，利用均方差區(qū)分前后景，并根據(jù)對(duì)比度的差異分別增強(qiáng)圖像。此外，還采用了基于原Sobel算子改進(jìn)后的Sobel算子進(jìn)行圖像方向場(chǎng)的求取，提高了方向場(chǎng)的準(zhǔn)確性。

2. 指紋識(shí)別算法

指紋識(shí)別算法主要包括灰度濾波、二值化、二值濾波、細(xì)化、細(xì)化后的去噪等步驟。最后進(jìn)行特征提取和匹配。本系統(tǒng)采用Gabor濾波器對(duì)指紋圖像進(jìn)行濾波，利用每一點(diǎn)的點(diǎn)方向沿方向指向增強(qiáng)，沿方向的法線方向減弱。然后將Gabor濾波后的圖像進(jìn)行雙窗口均值門限二值化，提取圖像特征點(diǎn)。特征點(diǎn)描述了特征點(diǎn)的位置、方向等信息，最終形成一個(gè)大小不超過(guò)512字節(jié)的特征模板。指紋的比對(duì)就是在特征模板的基礎(chǔ)上，構(gòu)建兩個(gè)點(diǎn)形成的桿對(duì)集，通過(guò)比較桿對(duì)的長(zhǎng)度、夾角等信息進(jìn)行匹配。

3. 系統(tǒng)控制與管理軟件

系統(tǒng)控制與管理軟件包括人機(jī)接口、指紋數(shù)據(jù)庫(kù)管理、通信協(xié)議棧等模塊。人機(jī)接口用于與用戶進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)指紋錄入、比對(duì)等操作。指紋數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊用于存儲(chǔ)和管理用戶的指紋特征信息。通信協(xié)議棧模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能，支持TCP/IP協(xié)議棧，使得系統(tǒng)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和身份認(rèn)證。

五、系統(tǒng)性能與測(cè)試

經(jīng)過(guò)實(shí)物測(cè)試，該基于ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)具有以下性能：

• 錄入時(shí)間：模塊錄入用戶指紋圖像時(shí)間為500~800 ms。

• 拒真率：小于等于1%。

• 比對(duì)時(shí)間：平均4.2 ms即可比對(duì)一枚指紋。

• 功能支持：支持1:1指紋驗(yàn)證和1:N指紋搜索。

• 通信能力：系統(tǒng)支持3.3V TTL串口通信，可以通過(guò)串口對(duì)模塊進(jìn)行用戶注冊(cè)、刪除特定用戶、刪除所有用戶、復(fù)位模塊、獲取用戶總數(shù)、獲取用戶權(quán)限、1:1比對(duì)、1:N比對(duì)、設(shè)置串口波特率、讀取圖像并提取特征值、獲取圖像等30個(gè)常規(guī)或擴(kuò)展功能命令。

六、結(jié)論與展望

基于ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案結(jié)合了高性能的ARM處理器和光學(xué)指紋傳感器，實(shí)現(xiàn)了高效、準(zhǔn)確的指紋識(shí)別功能。該系統(tǒng)具有高性價(jià)比、交互簡(jiǎn)易、識(shí)別率高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、安全認(rèn)證系統(tǒng)等場(chǎng)合。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，指紋識(shí)別技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。未來(lái)，可以進(jìn)一步優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，提高識(shí)別速度和準(zhǔn)確性；同時(shí)，加強(qiáng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力，實(shí)現(xiàn)更加智能化的身份認(rèn)證和安全管理。