許歡慶 金力 錢源 吳靜 孫大勇

摘要：文章利用嵌入式技術(shù)結(jié)合指紋芯片開發(fā)出了一套高性能、低成本、低功耗的指紋識別系統(tǒng)，具有良好的實用性和市場前景。與此同時，該文探究了指紋識別的原理，給出了嵌入式指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件實現(xiàn)方案，旨在為人工智能的普及化起到拋磚引玉的效果。

關(guān)鍵詞：生物特征識別技術(shù)；指紋識別；特征提?。磺度胧郊夹g(shù)

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）28-0086-04

當(dāng)今時代，信息技術(shù)的進(jìn)步極大程度地改變了人們的生活方式，提高了人們的生活質(zhì)量。與此同時，個人信息和隱私安全的保護(hù)也顯得尤為重要。傳統(tǒng)的加密方式和身份識別技術(shù)（例如密碼、口令、手勢等）因易被偽造和盜用，已經(jīng)難以滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全的需求，生物特征識別技術(shù)開始逐步走進(jìn)大眾的視野，受到了前所未有的關(guān)注。

生物特征識別技術(shù)[1]是指通過采集每個人獨(dú)特的生理特性（指紋、虹膜、面相、DNA等）和行為特征（步態(tài)、按鍵習(xí)慣等）來進(jìn)行個人身份的鑒別和確認(rèn)。而其中，指紋識別技術(shù)因為采集方便快捷，傳感器設(shè)備相對價廉，且采集和運(yùn)算技術(shù)相對成熟，存儲和處理的特征模板的數(shù)據(jù)量少，讀取、識別速度快，可靠性和穩(wěn)定性也高，所以被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，圖1給出了生物識別技術(shù)的市場結(jié)構(gòu)圖。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文以STM32F103ZET6嵌入式開發(fā)板作為核心控制器件，指紋傳感器采用AS608光學(xué)指紋模塊，同時外接TFT電容觸摸式彩屏方便顯示和控制。整個識別系統(tǒng)大致可分為錄入、匹配兩大過程。在錄入時，用戶將指頭腹部按壓在光學(xué)采集模塊外置的透明玻璃片上，傳感器利用光學(xué)成像原理，采集到用戶的指紋圖像，獲取圖像后，核心板根據(jù)指紋識別算法提取出指紋紋理中的特征數(shù)據(jù)存入內(nèi)置Flash的特征數(shù)據(jù)庫中作為指紋模板，為后續(xù)的比對做準(zhǔn)備。在錄好指紋信息后，便可以開始匹配的工作。匹配過程同樣是從傳感器采集用戶指紋圖像開始，接著把圖像送入數(shù)據(jù)緩存器中，核心板對圖像進(jìn)行分割、增強(qiáng)、二值化、細(xì)化等預(yù)處理操作后提取出特征數(shù)據(jù)，將所得特征數(shù)據(jù)與之前錄入的特征數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而完成匹配過程，如圖2所示。

2 主要硬件設(shè)計

2.1 硬件整體設(shè)計

本系統(tǒng)的主要模塊包括STM32F103ZET6核心板[2]、AS608指紋傳感器、TFT可觸摸彩色顯示屏、串口通信模塊、蜂鳴器與按鍵模塊、電源模塊、flash模塊。系統(tǒng)的主要工作流程如下：

首先接通電源后，5V電壓通過AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓芯片輸出3.3V，給STM32F103ZET6芯片及AS608模塊供電，上電后AS608模塊開始工作，對按壓到鏡面上的指紋進(jìn)行采集，并將采集到的指紋圖像通過UART異步串口通信協(xié)議傳輸給MCU，MCU對圖像進(jìn)行預(yù)處理、特征提取[3-5]等運(yùn)算，通過SPI總線協(xié)議對Flash進(jìn)行讀寫，完成特征數(shù)據(jù)的錄入或匹配工作，再通過SPI總線協(xié)議將結(jié)果傳輸?shù)絋FT彩屏上顯示出來，同時可以通過手動觸摸TFT彩屏上的虛擬按鍵完成進(jìn)一步的操作，如圖3所示。

2.2 核心板電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用的主控板芯片為STM32F103ZET6，該芯片的配置十分強(qiáng)悍，并且還帶外部總線，用來外擴(kuò)SRAM和連接LCD等，通過FSMC驅(qū)動LCD，可以顯著提高LCD的刷屏速度。除此之外，核心板還接入了Flash模塊、20腳JTAG接口電路、RS232串口下載電路、復(fù)位電路、穩(wěn)壓模塊等[6]。

復(fù)位電路采用低電平復(fù)位方式，電阻R3和電容C12構(gòu)成了上電復(fù)位電路，當(dāng)復(fù)位鍵RESET按下或重新上電時，會輸出一個低電平信號使芯片復(fù)位，如圖4所示。

圖5所示的穩(wěn)壓電路采用AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓芯片輸出3.3V電壓，給核心板供電。

模式設(shè)置端口電路是由STM32通過BOOT0和BOOT1來設(shè)置啟動方式：當(dāng)想用串口下載代碼時，需要將BOOT0置1、BOOT1置0；若想讓核心板一按復(fù)位鍵就執(zhí)行代碼，則需要將BOOT0置0、BOOT1置0或1均可。各啟動模式詳情如表1所示。

圖6所示為一鍵下載電路，BOOT0和RST信號取值由來自串口的DTR和RTS信號自動配置，無須手動切換狀態(tài)，直接串口下載代碼非常便捷。

Flash模塊采用W25Q128芯片，芯片容量為16M字節(jié)。芯片支持電壓 2.7V～3.6V，最大 SPI 時鐘可以到80MHz，具體電路如圖7所示。

3 主要軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用keil5軟件對STM32F103ZET6進(jìn)行編程，使用JTAG進(jìn)行仿真調(diào)試和下載。主要實現(xiàn)的功能包括錄入指紋、驗證指紋、彩屏顯示及觸控操作等，總體執(zhí)行流程如圖8所示[7-8]。

3.2 識別模塊軟件設(shè)計

AS608模塊與MCU采用UART通訊方式收發(fā)數(shù)據(jù)，MCU發(fā)出命令指令，識別模塊反饋應(yīng)答數(shù)據(jù)。在通訊協(xié)議及算法運(yùn)行前，應(yīng)通過指令設(shè)置好參數(shù)表的內(nèi)容，并將其存于Flash的系統(tǒng)參數(shù)存儲區(qū)，以后每次上電時，初始化程序都要首先將參數(shù)表裝載到RAM中，并根據(jù)參數(shù)表內(nèi)容初始化系統(tǒng)寄存器。參數(shù)表長128字節(jié)，各參數(shù)的屬性、用途與設(shè)置內(nèi)容如表2所示。

MCU與指紋模塊間的通信數(shù)據(jù)必須按照一定的格式進(jìn)行交換。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，MCU需要先向指紋芯片發(fā)送相應(yīng)的指令，指令需滿足命令包格式，依次為2字節(jié)的包頭、4字節(jié)的芯片地址、1字節(jié)的包標(biāo)識、2字節(jié)的包長度、1字節(jié)的指令和2字節(jié)的校驗和，包頭內(nèi)容為0xEF01，包標(biāo)識內(nèi)容為0x01。

在接收到指令后，指紋模塊需要按照指令內(nèi)容返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)給MCU，發(fā)送的數(shù)據(jù)需滿足數(shù)據(jù)包格式，依次為2字節(jié)的包頭、4字節(jié)的芯片地址、1字節(jié)的包標(biāo)識、2字節(jié)的包長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容和2字節(jié)的校驗和。其中包頭內(nèi)容與指令包一致，包標(biāo)識為0x02，芯片地址的初始默認(rèn)值為0xFFFFFFFF，可通過指令進(jìn)行修改。完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，模塊將按照結(jié)束包格式發(fā)送結(jié)束信號給MCU，表示數(shù)據(jù)已全部發(fā)送，包標(biāo)識為0x08。

指紋模塊還需要向MCU發(fā)送應(yīng)答包來反饋指令的執(zhí)行情況。應(yīng)答包的內(nèi)容包括2字節(jié)的包頭、4字節(jié)的芯片地址、1字節(jié)的包標(biāo)識、2字節(jié)的包長度、1字節(jié)的確認(rèn)碼、返回參數(shù)和2字節(jié)的校驗和，包標(biāo)識為0x07，確認(rèn)碼是應(yīng)答包的核心內(nèi)容，表達(dá)了指令執(zhí)行的結(jié)果。若指令成功執(zhí)行，則確認(rèn)碼返回值為00H；若讀寫FLASH時出錯，則確認(rèn)碼返回值為18H；若模塊不能接受后續(xù)數(shù)據(jù)包，則確認(rèn)碼返回值為0EH；若端口操作失敗，則確認(rèn)碼返回值為1dH；若指紋庫滿，則確認(rèn)碼返回值為0x1F等。

在進(jìn)行指紋錄入時，首先讀取AS608模塊觸摸感應(yīng)狀態(tài)引腳，由于感應(yīng)到觸摸時引腳輸出為高電平，所以將狀態(tài)感應(yīng)引腳配置為下拉輸出模式。

在完成狀態(tài)感應(yīng)的初始化后，開始按照指令包格式配置串口發(fā)送指令的包頭、指令碼、校驗和等數(shù)據(jù)，以便于指令的發(fā)送。

接著判斷串口中斷接收的數(shù)據(jù)包中是否包含規(guī)定格式的應(yīng)答包，如果包含，則返回數(shù)據(jù)的首地址，以便讀取包頭、指令碼、確認(rèn)碼等信息，否則返回 NULL。

最后，通過圖像獲取函數(shù)PS_GetImage發(fā)送錄入圖像指令，指令碼為0x01，根據(jù)探測手指的結(jié)果返回相應(yīng)的確認(rèn)碼：若成功完成指紋圖像錄入，則確認(rèn)碼的返回值為00H；若接收數(shù)據(jù)包時出錯，則確認(rèn)碼的返回值為01H；若并未檢測到手指，則確認(rèn)碼的返回值為02H；若錄入指紋圖像失敗，則確認(rèn)碼的返回值為03H。當(dāng)成功完成錄入時，所獲取的圖像將存放于圖像緩沖區(qū)ImageBuffer中。

圖像的特征生成通過PS_GenChar函數(shù)進(jìn)行，發(fā)送指令碼0x02對圖像緩沖區(qū)ImageBuffer中的原始圖像進(jìn)行分析，并生成指紋特征文件存放于特征緩沖區(qū)CharBuffer1或CharBuffer2中，BufferID為特征緩沖區(qū)號，用來選定使用哪個緩沖區(qū)。然后接收片上系統(tǒng)反饋的應(yīng)答包并根據(jù)應(yīng)答包中所包含的確認(rèn)碼判斷圖像的特征提取情況：若成功生成特征，則確認(rèn)碼的返回值為00H；若接收數(shù)據(jù)包時出錯，則確認(rèn)碼的返回值為01H；若指紋圖像較為混亂而無法生成特征，則確認(rèn)碼的返回值為06H；若指紋圖像正常，但因特征點(diǎn)太少而無法生成特征，則確認(rèn)碼的返回值為07H；若圖像緩沖區(qū)內(nèi)沒有找到有效的原始圖像而無法進(jìn)行分析，則確認(rèn)碼的返回值為15H。

當(dāng)成功生成指紋圖像特征后，通過執(zhí)行PS_Match函數(shù)來精確比對兩個特征緩沖區(qū)CharBuffer1與CharBuffer2中兩枚指紋的特征文件是否能夠匹配。在完成包頭和芯片地址的發(fā)送后，指令包發(fā)送指令碼03H，命令SOC進(jìn)行特征比對；接著根據(jù)對比結(jié)束后所反饋的應(yīng)答包提取確認(rèn)碼來判斷比對結(jié)果：若兩個緩沖區(qū)的特征文件能成功完成匹配則返回00H，若接收數(shù)據(jù)包出錯則返回01H，若兩個緩沖區(qū)中的特征文件差異較大，不能成功完成匹配則返回08H。

4 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，人們越來越重視個人隱私的保護(hù)，對信息安全的要求逐步提升。生物特征識別技術(shù)很好地滿足了人們的需求，成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。本文在探究指紋識別原理的基礎(chǔ)上，給出了指紋識別中圖像預(yù)處理的四個關(guān)鍵步驟：圖像分割、圖像增強(qiáng)、二值化、細(xì)化的運(yùn)算過程及指紋圖像特征提取與匹配的主要方案。利用上述研究成果，安徽中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)生參加了全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽并獲得省級一等獎，隨著本研究繼續(xù)深入地開展，旨在為人工智能的普及化做出力所能及的貢獻(xiàn)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】