基于ARM的嵌入式系统的研究.docx

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基于ARM的嵌入式系统的研究

目录

摘要3

Abstract4

第一章概述5

第二章指纹识别系统的总体设计10

2.1主要功能11

2.2器件的选择11

2.9内存控制单元24

第三章时钟单元26

3.1I/O端口28

3．2UART29

3.3

接口30

3．4指纹采集模块31

3．5卡模块33

3．6电源管理模块34

3．7存储模块35

3．8USB接口模块36

3．9语音模块36

3.10加密模块37

第四章系统软件设计38

4．1总体框架38

4．2各模块流程40

4．2．1指纹采集程序40

4．2．2RF读卡程序42

4.2.3FLASH读写程序44

4.3移植介绍46

4.4数据上传48

第五章系统调试与结果48

5．1调试环境49

5．2调试方法和过程49

5．2．1PCB制作49

5.2.2调试过程51

5．3运行结果53

第六章总结54

参考文献55

摘要

指纹识别技术由于其唯一性和稳定性得到了广泛关注，成为目前最为成熟的生物识别技术之一。

随着嵌入式系统的进一步成熟与发展，嵌入式指纹识别系统的应用也越来越广泛。

本文重点讨论了嵌入式指纹识别系统的硬件设计，完成了基于ARM7处（S3C44BOX）的指纹识别设备的硬件设计和底层软件设计，实现了指纹识别和RFID（RadioFrequencyIdentification）技术相结合的身份认证系统。

该系统具有指纹采集、RFID信息采集、数据存储、语音提示、信息加密等功能。

另外本系统还具备低成本和低功耗的设计特点，使得其无论在性能和价格上都具有很大的优势。

本文首先介绍了指纹识别系统和嵌入式系统的发展状况，并针对目前主流的嵌入式指纹识别系统的硬件平台做了简单介绍，详述了包括处理器、传感器和其它相关器件的功能特点。

然后根据系统的功能和性能要求，提出了系统设计的思想。

文章详细介绍了系统的软硬件设计过程，并完成了指纹识别算法的移植，实现了单机的指纹注册和匹配功能。

根据PCB设计经验，本文还对高速PCB设计中的抗干扰方法和调试过程进行了研究。

论文最后总结了嵌入式指纹识别系统的设计开发过程，并对指纹识别的发展方向做出了进一步探讨。

关键词：

指纹识别；ARM7；S3C44BOX；嵌入式系统；RFID

Abstract

Fingerprintidentificationtechnologyhasbeenuniversallynoticedduetoitsfeatureofuniquenessandstability,andhasfullydevelopedamongallthebiometricidentificationtechnology．Alongwiththedevelopmentembeddedtechnology,embeddedfingerprintrecognitionsystemhasbeenwidelyused．

Thispaperfocusesonhardwaredesignofembeddedfingerprintrecognitionsystem,andrealizestheidentificationsystemoffingerprintandRFID（RadioFrequencyIdentification）basedonSamsungARM7processor（S3C44BOX）．Itprovidesthefunctionsoffingerprintacquisition,RFIDinformationcollection,datastorage，voiceprompt，informationencryptionandetc．Besides,lowpowerandlowcostarealsoitsfeatures，whichmakethisproductmorecompetitivebothinperformanceandprice．

Thispaperfirstintroducesthedevelopmentoffingerprintrecognitionandembeddedsystem,andgivesanoutlineofcurrentmainstreamhardwareplatform，includingprocessorsandsensorsrelated．Thenitgivestheprocessofthehardwareandsoftwaredesign，andtheexplanationofthealgorithmbasedonminutiae．AccordingtotheexperienceofPCBdesign,italsomakesabriefintroductionofhighspeedPCBdesignanddebugmethod．Atlast,weconcludethewholeworkofthispaperanddescribetheprospectoffingerprintrecognitionforfurtherexploration．

KEYWORDS：

FingerprintRecognition；ARM7S3CA4BOX；Embeddedsystem；RFID

第一章概述

随着越来越多的电子设备不断进入我们的日常生活中，如电脑、ATM提款机、蜂窝电话、门禁控制系统等等，人们对于身份鉴别的安全性和可靠性的要求越来越高。

传统的身份鉴别方法如钥匙、证件、用户名、密码等存在着易丢失、易遗忘、易被他人伪造或盗用的缺点，已经不能满足当今社会发展的需要，因此人们逐渐把目光转向了生物特征识别技术（BiometricIdentificationTechnology）。

生物识别技术是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。

生物特征是唯一的、可以测量或可自动识别和验证的生理特性或行为特征。

人体的生理特征与生俱来，包括有掌纹、指纹、脸形、虹膜、视网膜、DNA等，行为特征有签字、声音、步态等。

基于这些特征，目前己经发展出了掌纹识别、指纹识别、面部识别、发音识别、虹膜识别、签名识别等多种生物识别技术。

与传统的身份鉴别手

段相比，基于生物特征的身份鉴别技术具有：

（1）稳定性，长期不变；

（2）唯一性，不同的个体互不相同；

（3）普遍性，人人都有，但是与识别的个体有本质的联系。

由于生物识别的这些特征，使得它具有不易伪造和假冒的特点，因此成为目前最为安全的识别技术。

在这些的生物特征中，面部特征具有很多优点，如主动性、非侵犯性和用户友好等，但面部会随年龄变化，而且容易被伪装。

语音特征具有与面相特征相似的优点，但也会随年龄、健康状况及环境等因素而变化，而且语音识别系统也比较容易被录音所欺骗、伪造。

虹膜特征识别解决了上述问题，同时还具有上述其他生物特征所具有的一些优点，不过目前技术还不成熟，而且造价较高人体的指纹特征相对稳定，并且指纹识别是起步最早、最为实用的技术，它具有终身不变、不可丢失、唯一性的特点，所以不存在损坏、丢失或替代等问题，相对而言，利用指纹识别技术来进行身份认证是一种较好的解决方案。

1.1项目背景

早期的指纹识别方法采用的是人工比对，效率低、速度慢，不能满足实际应用的需要。

20世纪60年代末，美国有人提出利用计算机图像处理和模式识别的方法进行指纹分析来代替人工比对，这就是自动指纹识别系统AFIS（AutomaticFingerprintIdentificationSystem）。

当时由于成本限制以及对运行环境的特殊要求，AFIS主要应用于刑事侦查领域。

随着计算机图像处理和模式识别理论以及大规模集成电路技术的不断发展与成熟，自动指纹识别系统的体积不断缩小，价格也不断减低，因而已广泛应用到民用领域。

这其中嵌入式系统的飞速发展功不可没。

嵌入式系统具有低功耗、可靠性高、功能强大、性价比高、实时性强、支持多任务、占用空间小、效率高、面向特定应用、可根据需要灵活定制等优点。

嵌入式指纹识别系统是将指纹的采集和处理集于一身的单机系统，可以做的很小，因此可以作为客户端应用于任何场合，是适应当代身份认证要求的一种识别系统。

可以说嵌入式术的发展使得指纹识别技术进一步走向实用化和大众化…。

鉴于二者的广阔的应用前景，本课题将针对基于ARM7的嵌入式指纹识别系统进行研究。

本文所介绍的嵌入式指纹识别系统是北京伊丽美科技有限公司的指纹巡更系统项目的重要组成部分之一。

这款产品是基于Samsung公司的S3C44BOX处理器设计的，诣在设计出一款价格低廉、性能良好、功能齐备的手持式指纹考勤设备，

以方便用户的使用。

1.2指纹识别系统的发展概况

指纹识别技术是目前最安全、最可靠、最经济的身份识别和鉴定办法之一。

科学研究发现了至今然承认的两个重要特征：

一是两个不同手指的指纹纹脊的样式（ridgepattern）不同，另外一个是指纹纹脊的样式终生不变。

在考虑局部指纹特征的情况下，英国学者E.R..Henry认为，只要比对13个特征点重合，就可以确定是同一枚指纹。

比较其他生物特征而言，指纹有如下两个突出的优点：

（1）唯一性

每个入的指纹独一无二，人与人之间不存在相同的指纹。

据指纹学理论，两枚指纹匹配上12个特征的机率为

。

至今仍找不出两个指纹完全相同的人。

由于皮肤表皮上的纹路是在胎儿六个月时形成的，所以即使是同卵双胞胎的指纹也是不同的。

不仅是人与人之间，就是同一个人的十指指纹也有明显的区别。

指纹的这一特点，为其用于身份的认证与识别奠定了基础。

（2）稳定性

指纹具有很强的相对稳定性。

从胎儿六个月指纹形成到尸体腐烂，指纹纹线的类型、结构、统计特征的总体分布始终没有明显变化。

尽管随着年龄的增大，指纹在外型大小、纹线粗细上会产生一些变化，局部纹线上也可能出现新的特征，但从总体看，指纹是相对稳定的。

即使手指皮肤受伤，只要不伤及真皮层，伤愈后纹线仍能恢复原状。

指纹的这两个特点，为指纹用于身份鉴定提供了客观的依据。

实际上，指纹作为身份鉴定手段早已有着悠久的历史。

考古证实，公元前7000年到6000年以前，古叙利亚和中国，指纹作为身份鉴别已经开始应用。

现代指纹技术出现在十六世纪的晚蝌”。

1648年，英国警察部门的指纹形态学家N．Grew发表了一篇论文，阐述了他对指纹中的脊、谷和孔的系统研究结果，这是关于指纹的最早的一篇科学论文。

随着计算机技术的发展，相应地出现了自动指纹识别系统AFIS。

20世纪80年代，个人电脑，光学扫描这两项技术的革新，使得它们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别技术开始代替Ic卡在其他领域中得以应用。

不过，早期的指纹识别系统的研究都是在高性能的计算机上完成的，主要针对脱机的指纹图像进行研究，随着技术的发展，低价位取像设备和可靠的比对算法的开发与研究为个人身份识别应用的增长提供了舞台，开始进行联机活体指纹识别算法的研究。

90年代后期，由于半导体指纹传感器的出现，使得指纹识别的应用领域迅速扩大，在个人电脑、PDA、掌上电脑、门禁系统、考勤系统、保险系统等领域都开始使用AFIS技术。

指纹识别系统包括指纹识别的算法和指纹识别模块两个部分。

指纹识别的算法主要分为两类：

一类是基于细节特征点（Minutiae-based）的指纹识别算法，另一类是基于滤波（Filter-Based）的指纹识别算法。

基于细节特征点的指纹识别算法是在采集到指纹图像后，经过灰度滤波、二值化、二值滤波、细线化、去噪声等方法对图像进行预处理，然后提取特征点，将其和模板特征点进行比对。

这种方法对于图像质量的要求比较高，当输入图像与样本图像有足够多的对应细节点时能够很好的匹配，否则性能就会下降。

基于滤波的方法是利用Gabor滤波器，既能充分利用指纹图像纹理结构信息，抓住图像的全局特征，又能体现细节特征，弥补了上述的不足。

指纹识别模块主要涉及到基于硬件的指纹采集技术。

指纹采集的过程本质上是指纹成像的过程。

其原理是根据指纹纹线中谷和脊的几何特性、物理特征和生物特性的不同，以得到不同的反馈信号，根据反馈信号的量值来绘成指纹图像。

指纹的几何特性是指在空间上脊是突起的，谷是凹下的。

脊与脊相交、相连、分开会表现为一些几何图案：

指纹的生物特性是指脊和谷的导电性不同，与空气之间形成的介电常数不同、温度不同等；指纹的物理特性是指脊和谷着力在水平面上时，对接触面形成的压力不同、对波的阻抗不同等。

指纹采集技术的发展经过了较长的历史时期，其过程也受传感器技术发展的影响和推动。

第一代指纹采集技术采用“按压留痕’’的方式来采集指纹，利用的是指纹“触物留痕”的特性。

这一时期主要通过“油墨一指纹卡”的方式，用手指蘸上墨水或印油在纸上按压，然后用扫描仪摄取采集。

第二代指纹采集技术采用自动化、数字化的采集方式，指纹数据以数字信息表示和存储。

另一种是在被采集人未知的状况下，如刑侦现场，通过各种化学的、物理的方式

显影指纹并采集的过程。

这种方式一般称为现场指纹提取，并涉及指纹分离的过程。

指纹采集的方法也有两种，一种是由指纹采集器件主动向手指发出探测信号，然后分析反馈信号，以形成指纹脊与谷的图案。

如光学采集和射频（RF）采集属于主动式采集。

另一种是指纹采集器件是被动感应的方式。

当手指放置到指纹采集设备上时，因为指纹脊和谷的物理特性或生物特性的不同，会形成不同的感应信号，然后分析感应信号的量值来形成指纹图案。

如热敏采集、半导体电容采集和半导体压感采集属于第二种。

对生物识别技术来说，被广泛接受意味着在影响千万人的日常生活的各个地方使用。

通过取代个人识别码和口令，生物识别技术可以阻止非授权的访问，可以防止盗用ATM、蜂窝电话、智能卡、桌面PC、工作站及计算机网络。

在通过电话、网络进行的金融交易时进行身份认证。

在建筑物或工作场所，生物识别技术可以取代钥匙、证件、图章和卡阅读器，因此具有十分广阔的应用前景。

1.3嵌入式系统的发展概况

嵌入式系统（EmbeddedSystem）是近几年才风靡起来的，从20世纪70年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。

所谓的嵌入式系统，IEEE（国际电气和电子工程师协会）标准定义为：

嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备。

微机学会的的定义为：

嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级（各种类型的工控机）、板级（各种类型的带CPU的主板以及OEM产品）和芯片级（各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品）。

用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标严格要求的专用计算机系统。

整个嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，其中硬件部分包括嵌入式处理器、存储器和输入，输出设备，软件部分包括板级支持包BSP（BoardSupportPackage）、嵌入式操作系统和应用程序，对于不是很复杂的嵌入式应用，嵌入式操作系统为可选项。

嵌入式系统的发展大致也经历了四个阶段：

第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统，同时具有检测、伺服、指示设备相配合的功能。

这一类型的系统大部分用于专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统支持，通过汇编语言对系统进行直接控制。

这一阶段系统的主要特点是：

系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。

由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。

第二阶段是以嵌入式中央处理器（CPU）为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。

这一阶段系统的主要特点是：

CPU种类繁多、通用性较弱、系统开销小、操作系统只具有低度的兼容性和扩展性、应用软件较为专业、用户界面不够友好。

这种嵌入式系统的主要任务是用来控制系统负载，以及监控应用程序的运行。

第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。

主要特点是：

嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口API，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。

然而，在通用性、兼容性和扩展性方面仍不理想。

第四阶段是以基于Intm'net网络操作为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。

随着网络在人们生活中的地位日益重要，越来越多的应用需要采用支持网络功能的嵌入式系统。

后PC时代更多的产品使用嵌入式操作系统，它们对实时性要求高，如手持设备等，微软公司的WinCE，PalmOS等产品就是顺应这些应用而开发出来的。

各类通用机上使用的新技术、新观念正逐步移植到嵌入式系统中，如动态数据库、移动代理等，嵌入式操作系统也出现了基于面向对象的分布式技术。

目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，在不久的将来，嵌入式系统的应用会越来越多样化，并为用户提供更多的选择方案。

它不仅仅局限于传统的控制领域，在信息家电、工业、农业、商业、服务业等各行业都会得到广泛应用。

嵌入式设备与Intent的结合将代表嵌入式系统的未来。

1.4本文的主要内容及文章结构

本文所做的主要工作是根据项目的实际要求，完成了基于Samsung公司的ARM7处理器S3C4480X的指纹识别设备的硬件和底层软件设计，实现了指纹识别和RFID（RadioFrequencyIdentification）技术相结合的身份认证系统。

系统具备的功能包括指纹采集，RFID信息采集，数据存储，语音提示，信息加密，数据上传等功能，并完成了指纹识别算法的移植。

设计中面临的关键问题有：

（1）采集头模块和处理器的连接方式。

解析采集头的接口标准，使处理器通过DMA方式直接读取一帧的指纹图像信息，快速方便，解决了采集头传感器接口和ARM处理器的连接和采集时序问题。

（2）刷卡模块的卡号数据解析，使之通过串口与处理器进行通信。

（3）记录的存储。

通过规划存储器的存储方式，将系统程序和每次身份认证的结果存储记录，方便数据的统计管理。

（4）指纹识别算法的移植。

将基于特征点的指纹识别算法移植入系统，配合设备提供的其他功能，实现单机的指纹注册和匹配。

（5）通过模拟USB接口实现数据的上传管理，方便用户使用。

为了便于阅读和理解本文，下面介绍一下文章各个章节的内容安捧。

第一章概述介绍了项目的研究背景，回顾了指纹识别系统和嵌入式系统的发展概况，并介绍了本文所作的主要工作和文章的结构安捧。

第二章介绍了指纹识别系统的总体方案设计。

首先介绍了设备的主要功能，围绕着这些功能给出了具体的设计思想，然后制定了各个模块的选择方案和主要设计指标。

第三章是指纹识别模块的硬件设计。

包括总体的硬件设计框架和各单元模块的设计与实现方式。

根据功能本文的硬件模块涉及CPU、指纹采集、刷卡采集、电源管理、存储、USB接口、语音和加密等几大模块。

分别对其原理和硬件的实现过程进行了阐述。

并详细介绍了系统中CPU单元所用到的各模块的功能和使用方法，以方便对后续的软硬件设计过程的理解。

第四章介绍了指纹识别模块的软件设计。

包括总体软件设计框架和各功能模块的软件实现过程，主要包括指纹模块、刷卡采集模块和数据存储的具体实现方法。

并简要介绍了基于特征点的指纹识别算法的移植和数据上传方式。

第五章介绍了指纹识别系统的调试环境，软硬件的调试过程和最终的结果。

第六章为结论和技术展望。

包括对全文的总结，并对指纹识别的发展趋势做出了分析，以后的设计提供了一个参考方向。

第二章指纹识别系统的总体设计

总体设计应该是全面考虑系统的功能和目标，进行硬件的初步选型，然后确定一个系统的草案，同时考虑软硬件实现的可行性。

作为指纹识别系统的手持设备终端，其一要能提供使指纹识别算法得到最好发挥的硬件平台，其二要具备强大且优良的性能，其三要方便数据的上传管理，其四，作为手持设备要尽量降低功耗和成本，这样才更具有核心竞争力和市场潜力。

本文紧紧围绕这些设计思想，硬件和软件设计也都是以上述目标为前提展开，下面介绍下面分别给出产品的主要功能和技术指标以及项目的设计和方案选取。

2.1主要功能

（1）指纹采集

指纹采集是本产品的主要功能，通过控制采集头内置的光学传感器采集指纹的一幅图像至内存，并与存储器内存储的指纹库进行比对，如果匹配成功则通过认证，再与卡号的比对结果和数据采集的时问一起存入存储器，以保存每次查勤记录。

并可通过12c接口设置传感器，以对采集图像的大小等功能进行调节．

（2）刷卡采集

本产品的身份认证系统包括指纹识别和RFID（RadioFrequencyIdentification）射频识别两种，通过RF接收模块采集RF卡内唯一的卡号数据，配合指纹识别一起构建完整的身份认证信息。

RF接收模块通过串口方式与CPU进行通信。

（3）实时时钟

用于记录每次刷卡和指纹认证的时间，并连同认证结果一起存储，以方便数据的统计管理。

通过预置的纽扣电池和CPU提供的实时时钟模块进行时问管理，实际使用时可以通过按键操作灵活设置调节时间。

（4）记录存储记录的存储主要用于保存每次身份认证的比对结果，以方便对记录的管理和上传。

系选定16Mb的FLASH存储空间，用于存储用户程序和身份认证记录。

（5）语音提示

用于提示用户每一步的操作，提供友好的用户界面，方便使用。

（6）USB充电

系统配备的1150mAh的锂电池可通过连接USB接口进行充电。

（7）加密

提供硬件加密方式，对程序流程进行加密，保护数据。

（8）数据上传

本产品提供模拟USB接口，以串口速率上传数据，并通过相应软件分析处理，对认证记录进行统计考核。

可热插拔的USB接口方便了用户的使用。

2.2器件的选择

系统方案的选择直接决定了系统的性能。

本文根据项目的实际要求，在参考了各种方案资料和开发扳的前提下，进行了硬件平台的方案设计，这其中主要包括：

处理器的选择，存储器的选择，指纹采集头的选择，RF接收模块的选择，电源模块的选择，接口的选择和其它辅助模块的选择。

重要思想是能够保证算法的性能，能够用于手持终端的特点（包括体积功耗成本等方面），能够提供友好的用

户界面。

在介绍方案的选取之前首先简单介绍一下有关低功耗设计的方法。

通常系统的耗电状态如图2-1所示：

图2-1系统耗电状态

如图2．1所示，整个系统的平均耗电可表示为：

这里Ib代表待机状态时系统消耗的电流，即各功能模块均不工作时保持系统最低运转所需的电流。

Is代表所有模块均工作时系统运转时所消耗的电流，Ts为系统持续运转时间，Ta为待机状态保持的时间。

由公式

（1）可以看出要减小系统的功耗可以采取降低Is，Ts、Tb、Ts和增大Ta的方式实现，具体措施如下：

（1）选用低功耗元器件，使其在工作状态下具体较小的电流消耗以减小Is，并且在体眠模式下具有较小的静态电流以减小Ib。

（2）软件设计上应在保持系统功能的前提下尽量降低各模块的工作时间，以减小Ts，并且在使用某一功能时尽量关掉不需要工作的其它模块，使其处于休眠状态，以增大Ta。

指纹识别模块在方案选择上主要分为两点，一是处理器根据上述系统的总体设计思想和目标，下面介绍一下各模块的选取。

2.3处理器的选择

嵌入式的处理器是嵌入式系统的核心，据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种已达1000多种，流行的体系结构多达3