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摘 要：随着现代科学技术的发展，指纹识别系统越来越多的被运用到门禁以及众多支付系统中。众所周知，指纹识别系统是基于人体的不同手指纹路来进行设计的，正如世界上没有两片完全相同的树叶一样，每个人的指纹的细节特征也不尽相同。目前，指纹识别技术可以说是适用范围最为广泛的一种生物监测方式，但是伴随着人们对于安全系统的需求逐渐增多，对指纹识别技术的要求也越来越高，再加上可能存在指纹会受到破坏，此时，就迫切需要设计出一款安全性能更高的嵌入式指纹识别系统。本文设计的就是一款更为安全便捷的基于嵌入式系统的指纹识别系统。
关键词：嵌入式系统;指纹识别;硬件设计
一、引言
在信心技术高速发展的当下，指纹识别技术并不是非常高端的识别技术，但是它还是在众多生物识别技术中脱颖而出，原因并不在于它的技术含量有多高，而是在于个体的指纹具有永恒性的特征，在没有受到外力的强行改变的情况下，基本上不会伴随着个体的成长和发育发生一定的变化。而人脸识别和气味识别等方式并没有指纹识别实用，他们更容易受到外界的影响。但是并不意味着指纹识别系统就没有任何的缺点，现在还是有很多高校和居民楼使用的是单片机指纹识别系统，相对来说，单片机指纹识别系统并没有嵌入式指纹识别系统高效、便捷。因此，本文设计了一款基于嵌入式系统的指纹识别系统，并在此基础上对嵌入式指纹系统的硬件条件进行分析，以及其相关的软件系统的设计。
二、指纹识别技术的主要原理
就目前来说，指纹识别系统是首先通过互联网计算机生物识别鉴定的，属于当下使用范围最广的一种生物识别技术之一，指纹识别技术主要涉及到的技术主要有：图像获取、图像增强、指纹特征获取、指纹信息分类以及全局指纹的匹配。在指纹识别过程中主要分为四个部分，主要包括指纹信息收集、指纹预处理、指纹核查以及模板采集，在这四个主要的过程中还穿插着次要的步骤，其中较为重要的一环就是指纹的比对过程，而主要部分的前两个部分也包含在指纹对比的环节中，另外还包括指纹总体特征的比对和匹配。
首先，指纹识别系统通过系统中的指纹摄像装置对正在进行识别的指纹数字图像进行读取，并利用一定的技术对于所获取到的图像进行清晰化处理。其次，指纹识别算法在指纹识别系统初步处理的基础上进行指纹图像的建立，之后将使用数据表示的指纹的数字输出。简单来说，指纹识别系统的识别原理就是简单的个体指纹图像的采集、甄别、对比以及匹配的过程，它在实质上还是属于对于指纹图像的识别。
三、指纹识别系统硬件设计
在整个指纹识别系统中，主要有三个层次结构，其中指纹识别系统的硬件平台使整个系统运行的物理基础，通常情况下，系统的硬件平台是基于DSP的微处理结构，微系统提供相应的操作系统和通信接口。而操作系统作为指纹识别系统的第二层，能够为系统的运行提供接口驱动程序，一旦硬件中断，操作系统就能够实时响应指纹识别系统的通信要求，不至于耽误整个系统的运行速率。第三层就是整个系统的主要结构—指纹识别算法，实现系统的指纹采集、对比和匹配。嵌入式指纹识别系统的系统的硬件设计与普通的指纹识别系统还存在一定的差异，它的硬件系统主要包含了指纹传感器、DSP图像处理器以及FLASH接口等。
（一）指纹系统的硬件组成
1.指纹传感器
在系统中，指纹传感器的主要任务是采集指纹。在嵌入式指纹识别系统中，主要是与指纹传感器MBF200中的硅半导体直接触碰。之后指纹图像采集的指纹图像由DSP进行控制，并利用256进行灰度数字量化，在通过传感器传递到存储器存储。
2、DSP图像处理器
DSP作为整个系统的核心，主要任务是对其周围的仪器进行准确的控制，并在此基础上进行数字模拟和通信功能。简单来说，DSP首先需要做的是对所采集的图像进行简单的处理，其次就是进行指纹的识别，并控制其外围的相关仪器设备，最后完成与以太网的连接，实现指纹的匹配。
3、FLASH、SDRAM接口
FLASH接口属于一种能够进行电擦写，并且在断电后不会出现信息丢失的存储器，能耗低、容量大，并且能通过内部嵌入的算法独自完成对于芯片的一系列操作，正是因为FLASH的操作性强、存储方便等特点使得它在嵌入式系统中得到很大程度的使用。SDRAM接口主要作用在于运行系統中的操作程序、文件系统以及其他的数据，相对来说，SDRAM的存取速度以及存储量优于FLASH。
4、以太网接口
以太网接口是与DSP相连的，主要设计的是没有网络数据环境下的指纹识别系统，以实现未来的数据网络。
5、人机界面
系统的显示结果主要是由键盘输入和界面显示的人机界面来实现的，在键盘输入之后再进行个体指纹的输入和识别，界面显示器对于所收集的指纹图像进行展示，识别结果就出现了。
（二）个体指纹采集模块
本设计中的指纹传感器为MBF200，该传感器具有三种灵活的接口，其中采用的高速图像传输技术能够使得其快速在众多图像中选择最为清晰的一张，并且对于环境的要求没那么高，就算是在高温、高湿的环境中也不会对其成像造成太大的影响。MBF200拥有微控制、USB以及SPI三种接口，其中SPI接口的存在目的是为了方便MBF能够轻松与任意带有同样接口的微处理器匹配，从而提高图像的传输速度。USB接口的作用在于在该指纹识别系统中形成USB内核，当该系统不需要USB时，使得传感器本身成为一个USB设备，此时的图像传送速度会更高，能达到每秒13帧的速度。而该传感器的微控制接口属于8位的接口，在此模式下的传送速度是最快的，速度高达每秒30帧。因此，这种不易磨损，对于环境没有太大要求，并且图像传递速度快的传感器更适合嵌入式系统。MBF传感器采集指纹的过程主要分为两个阶段，第一阶段是数据采样，第二阶段是放电电压的存储，而最终指纹图像的采集就是通过测量充电电压与放电电压之间的差值，并利用模拟信号进行转换得到的。
（三）指纹采集设备装置
本设计的指纹采集设备还是MBF型指纹采集设备，该设备的工作原理是当将要进行数据采集的手指与该设备发生接触时，手指的指纹会与传感器中的电极电容产生交换，从而使得二维阵列上的电压值产生变化，此时就形成了指纹的图像信息。
四、总结
本文的设计是基于当前的人脸识别以及单机片的识别无法满足人们日益增长的识别需求，再利用个体指纹的个性特点，对于原有的指纹识别系统进行再次的升级，不仅充分利用了指纹的独特性，还加强了指纹识别系统在经济社会发展中的关键性地位。但是碍于笔者本身的能力有限，无法设计出更为准确的是纹识别系统，因此，更为方便快捷的指纹识别系统依旧是当前技术研究需要攻克的一大难题。
参考文献：
[1]易鲜红.嵌入式指纹识别系统设计[J].数字技术与应用，2019，37（04）：135+137.
[2]易鲜红.ARM嵌入式系统设计与应用技术[J].电子技术与软件工程，2019（07）：191.
[3]汤正刚.自动指纹识别系统中的关键技术研究[D].杭州电子科技大学，2019.
[4]翟伟.DSP嵌入式指纹识别系统关键问题的研究[D].吉林大学，2018.
[5]黄培贤.嵌入式指纹识别系统的设计及试验分析[J].数码世界，2017（08）：27.
（湖南工业大学 湖南 株洲 412007）
关键词：嵌入式系统;指纹识别;硬件设计
一、引言
在信心技术高速发展的当下，指纹识别技术并不是非常高端的识别技术，但是它还是在众多生物识别技术中脱颖而出，原因并不在于它的技术含量有多高，而是在于个体的指纹具有永恒性的特征，在没有受到外力的强行改变的情况下，基本上不会伴随着个体的成长和发育发生一定的变化。而人脸识别和气味识别等方式并没有指纹识别实用，他们更容易受到外界的影响。但是并不意味着指纹识别系统就没有任何的缺点，现在还是有很多高校和居民楼使用的是单片机指纹识别系统，相对来说，单片机指纹识别系统并没有嵌入式指纹识别系统高效、便捷。因此，本文设计了一款基于嵌入式系统的指纹识别系统，并在此基础上对嵌入式指纹系统的硬件条件进行分析，以及其相关的软件系统的设计。
二、指纹识别技术的主要原理
就目前来说，指纹识别系统是首先通过互联网计算机生物识别鉴定的，属于当下使用范围最广的一种生物识别技术之一，指纹识别技术主要涉及到的技术主要有：图像获取、图像增强、指纹特征获取、指纹信息分类以及全局指纹的匹配。在指纹识别过程中主要分为四个部分，主要包括指纹信息收集、指纹预处理、指纹核查以及模板采集，在这四个主要的过程中还穿插着次要的步骤，其中较为重要的一环就是指纹的比对过程，而主要部分的前两个部分也包含在指纹对比的环节中，另外还包括指纹总体特征的比对和匹配。
首先，指纹识别系统通过系统中的指纹摄像装置对正在进行识别的指纹数字图像进行读取，并利用一定的技术对于所获取到的图像进行清晰化处理。其次，指纹识别算法在指纹识别系统初步处理的基础上进行指纹图像的建立，之后将使用数据表示的指纹的数字输出。简单来说，指纹识别系统的识别原理就是简单的个体指纹图像的采集、甄别、对比以及匹配的过程，它在实质上还是属于对于指纹图像的识别。
三、指纹识别系统硬件设计
在整个指纹识别系统中，主要有三个层次结构，其中指纹识别系统的硬件平台使整个系统运行的物理基础，通常情况下，系统的硬件平台是基于DSP的微处理结构，微系统提供相应的操作系统和通信接口。而操作系统作为指纹识别系统的第二层，能够为系统的运行提供接口驱动程序，一旦硬件中断，操作系统就能够实时响应指纹识别系统的通信要求，不至于耽误整个系统的运行速率。第三层就是整个系统的主要结构—指纹识别算法，实现系统的指纹采集、对比和匹配。嵌入式指纹识别系统的系统的硬件设计与普通的指纹识别系统还存在一定的差异，它的硬件系统主要包含了指纹传感器、DSP图像处理器以及FLASH接口等。
（一）指纹系统的硬件组成
1.指纹传感器
在系统中，指纹传感器的主要任务是采集指纹。在嵌入式指纹识别系统中，主要是与指纹传感器MBF200中的硅半导体直接触碰。之后指纹图像采集的指纹图像由DSP进行控制，并利用256进行灰度数字量化，在通过传感器传递到存储器存储。
2、DSP图像处理器
DSP作为整个系统的核心，主要任务是对其周围的仪器进行准确的控制，并在此基础上进行数字模拟和通信功能。简单来说，DSP首先需要做的是对所采集的图像进行简单的处理，其次就是进行指纹的识别，并控制其外围的相关仪器设备，最后完成与以太网的连接，实现指纹的匹配。
3、FLASH、SDRAM接口
FLASH接口属于一种能够进行电擦写，并且在断电后不会出现信息丢失的存储器，能耗低、容量大，并且能通过内部嵌入的算法独自完成对于芯片的一系列操作，正是因为FLASH的操作性强、存储方便等特点使得它在嵌入式系统中得到很大程度的使用。SDRAM接口主要作用在于运行系統中的操作程序、文件系统以及其他的数据，相对来说，SDRAM的存取速度以及存储量优于FLASH。
4、以太网接口
以太网接口是与DSP相连的，主要设计的是没有网络数据环境下的指纹识别系统，以实现未来的数据网络。
5、人机界面
系统的显示结果主要是由键盘输入和界面显示的人机界面来实现的，在键盘输入之后再进行个体指纹的输入和识别，界面显示器对于所收集的指纹图像进行展示，识别结果就出现了。
（二）个体指纹采集模块
本设计中的指纹传感器为MBF200，该传感器具有三种灵活的接口，其中采用的高速图像传输技术能够使得其快速在众多图像中选择最为清晰的一张，并且对于环境的要求没那么高，就算是在高温、高湿的环境中也不会对其成像造成太大的影响。MBF200拥有微控制、USB以及SPI三种接口，其中SPI接口的存在目的是为了方便MBF能够轻松与任意带有同样接口的微处理器匹配，从而提高图像的传输速度。USB接口的作用在于在该指纹识别系统中形成USB内核，当该系统不需要USB时，使得传感器本身成为一个USB设备，此时的图像传送速度会更高，能达到每秒13帧的速度。而该传感器的微控制接口属于8位的接口，在此模式下的传送速度是最快的，速度高达每秒30帧。因此，这种不易磨损，对于环境没有太大要求，并且图像传递速度快的传感器更适合嵌入式系统。MBF传感器采集指纹的过程主要分为两个阶段，第一阶段是数据采样，第二阶段是放电电压的存储，而最终指纹图像的采集就是通过测量充电电压与放电电压之间的差值，并利用模拟信号进行转换得到的。
（三）指纹采集设备装置
本设计的指纹采集设备还是MBF型指纹采集设备，该设备的工作原理是当将要进行数据采集的手指与该设备发生接触时，手指的指纹会与传感器中的电极电容产生交换，从而使得二维阵列上的电压值产生变化，此时就形成了指纹的图像信息。
四、总结
本文的设计是基于当前的人脸识别以及单机片的识别无法满足人们日益增长的识别需求，再利用个体指纹的个性特点，对于原有的指纹识别系统进行再次的升级，不仅充分利用了指纹的独特性，还加强了指纹识别系统在经济社会发展中的关键性地位。但是碍于笔者本身的能力有限，无法设计出更为准确的是纹识别系统，因此，更为方便快捷的指纹识别系统依旧是当前技术研究需要攻克的一大难题。
参考文献：
[1]易鲜红.嵌入式指纹识别系统设计[J].数字技术与应用，2019，37（04）：135+137.
[2]易鲜红.ARM嵌入式系统设计与应用技术[J].电子技术与软件工程，2019（07）：191.
[3]汤正刚.自动指纹识别系统中的关键技术研究[D].杭州电子科技大学，2019.
[4]翟伟.DSP嵌入式指纹识别系统关键问题的研究[D].吉林大学，2018.
[5]黄培贤.嵌入式指纹识别系统的设计及试验分析[J].数码世界，2017（08）：27.
（湖南工业大学 湖南 株洲 412007）