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[摘 要]论述基于ARM处理器指纹识别技术现状研究，指纹识别系统的硬工作模式，基于ARM处理器指纹图像采集模块设计等。分析了指纹识别系统的组成、各模块的功能，指出了指纹的处理、识别和匹配等功能的硬件实现的步骤和方法以及指纹处理的实现。
[关键词]指纹识别、ARM处理器、图像采集
中图分类号：H53 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0257-01
引言
本文立足于ARM7TDMI内核的32位处理器S3C44B0作为主控制器，半导体电容传感器FPS200作为指纹数据采集设备，构建了自动指纹识别系统。通过对其硬软件设计、图像采集、研究现状等方面进行研究。
一、指纹识别技术的历史及研究现状
1.研究价值
指纹识别技术是生物识别技术的一种，以指纹的纹路及特征为识别信息，作为互联网信息安全的一道防护屏障，也成为时代高新技术设备的一项流行且必然的趋势。如今，随着指纹识别技术的日臻成熟，人们也对该技术系统的可靠性、灵活性、性价比等方面提出了更高的要求。基于ARM处理器的指纹识别技术将采集和处理两种技术与功能融为一体，缩小了整体体积，对于功能性、可靠性都有整体的提高。
2.国内外研究现状
现代指纹技术起源于1684年英国植物形态学家Grew发表的第一篇研究指纹的科学论文，也是最古老的一种防伪技术，自1788年德国解刨学家约翰？迈耶提出指纹对于人物个体的识别具有有效性后，指纹识别技术变逐渐广泛运用于确定罪犯、信息安全、掌上设备、指纹锁等领域。1891年Galton提出著名的高尔顿分类系统。到了20世纪60年代，计算机技术在图形处理方面的发展已然成形，利用计算机处理指纹的研究也开始逐步进行。且由于指纹识别的技术及用途的实用性及存在价值，使其也成为很多产品生产厂家所关注的技术手段，如指纹打卡机、三星Galaxy系列及苹果IPhone、IPad系列等。
关于指纹识别的研究国内外学者已有颇多收获，目前研究者对于这一课题的研究正在往纵深方向发展，研究的方向不断细分化、研究的领域不断扩大化、研究的方法不断多样化。以单片机为处理器的指纹识别已经满足不了日益扩增的运算数据库。因此，基于ARM处理器的指纹识别技术现状研究并探究出其指纹算法设计与实现的方法十分必要。
3.指纹识别技术优势
1997年，比尔盖茨曾预言：“生物识别技术即利用人的生理特征，如指纹、虹膜等来识别个人身份，将成为IT产业未来几年的重要革新。”指纹识别诞生的原因是基于安全，在原始的数字密码容易被复制、监听、盗取等等的情况下，指纹识别以其生物特性安全级别更高。基于ARM处理器的指纹识别技术相对于之前的单片机处理有更快的识别速度以及更高的识别准确率。因此有着广泛的研究前景。
二、指纹识别的一般工作模式
指纹识别的原理包括指纹采集原理、指纹特征提取原理和指纹特征匹配原理三大部分。一般工作模式则包括：指纹特征录入、指纹特征提取、样本数据库、指纹特征匹配、输出匹配结果。指纹采集原理主要是根据指纹的几何特性或生理特性，通过各种传感技术把指纹表现出来，形成数字化表示的指纹图像。指纹采集技术有两种采集模式，一种是在被采集人知道的情况下实施的主动采集；另一种是在被采集人未知的情况下，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，一般称为现场指纹采集。
三、基于ARM处理器的指纹图像采集模块设计
1.工作原理
当指纹传感器收到指纹信息，将通过串口给ARM处理器发送命令，处理器同意并接收相应的信息，指纹传感器采集的指纹转换成RGB格式，并且数据传输到ARM处理器，处理器通过存储在EEPROM中的固化程序执行大量的模式识别和图像处理相关计算，当用户的指纹被确认，处理器将命令传输到PC端，则开关开。
2.硬件设计
研究使用基于ARM7TDMI内核的32位处理器STM32F205作为主控制器，半导体电容传感器FT232模块作为指纹数据采集设备，CP2102作为单芯片USB转UART数据转换器从而构建了自动指纹识别系统。首先串口模塊的VCC连接到3.3V，指纹模块的VCC和GND分别连接到串口模块的VCC和GND，此时相当于给指纹模块的VCC提供了3.3V的工作电压。指纹模块的TXD和RXD分别连接到串口模块的RXD和TXD，这两个串口要交叉相连。再将串口模块连接到计算机的USB插口即可。数据的上传都是由中断过程完成的，所以，整个系统的主程序流程比较简洁。
3.图像采集模块的选择
图像传感器是数字摄像头的重要组成部分，根据组件的不同，可分为 CCD 和 CMOS 两种类型：CCD是主要应用数字摄像的高端产品，效果好，但成本高；CMOS 效果不如CCD ，但成本要低一些。鉴于指纹识别器中对质量和成本的考虑，设计采用现代公司的指纹传感器HB7121B，它是使用0.15μmCMOS工艺开发的高度集成的单片CMOS黑白图像传感器。该传感器的有效像素为400×300个。传感器上有三个8位的ADC和414个比较器来数字化像素的输出。三个片上独立的增益控制，只需要很少的几个控制信号就可从片内得到数据，因此很方便设计成指纹识别器。
4.软件设计
系统上电后，对整个采集系统进行初始化操作，包括ARM处理器系统的初始化以及目标板上外设的初始化，以对它们的参数进行配置。初始化完成后，就可以开始检测传感器上是否有手指，如果有，则进行指纹图像的采集，采集完成后，再对这枚指纹图像进行预处理。若这枚指纹图像采集的质量比较好，则将数据上传；如果采集的图像质量很差，则重新采集指纹数据。指纹图像的采集是在中断程序中开始的，当指纹传感器上没有手指时，系统将进入省电模式。通过指纹传感器的手指自动检测中断可唤醒系统，并进行一次指纹图像的采集、预处理和数据上传。完成后再将进入省电模式，并等待下一次的手指中断采集。ARM中的主程序很简洁，因为主要的操作都由中断完成。
5.操作系统的嵌入
Linux作为操作系统嵌入，其内核由内存管理、进程调度、进程间通信、虚拟文件系统及网络接口五大部分组成，嵌入系统开发应用程序提供了一个强大的软件平台。构建该平台的主要步骤如：1.通过JTAG下载U boot；2.配置Linux Kernel并通过串口下载；3.开发FPS200驱动并进行动态加载。
四、总结
本文采用基于ARM处理器的嵌入式开发平台，根据指纹识别系统具体的设计规范，结合人们实际操作中提出的要求设计了一个完整的嵌入式指纹识别系统，参考ARM+Linux架构，并且提出了包括指纹采集、生产指纹图像、预处理、特征提取、特征匹配等过程。本设计是ARM处理器在指纹识别领域中的一次应用，本系统的主要优点以ARM7TDMI内核的32位处理器STM32F205作为主控制器为硬件平台，非常容易地对外实施扩展。系统操作简单，携带方便，尤其适合不宜使用基于PC构架的指纹采集仪器的场合，且成本低廉，易于推广。
[关键词]指纹识别、ARM处理器、图像采集
中图分类号：H53 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0257-01
引言
本文立足于ARM7TDMI内核的32位处理器S3C44B0作为主控制器，半导体电容传感器FPS200作为指纹数据采集设备，构建了自动指纹识别系统。通过对其硬软件设计、图像采集、研究现状等方面进行研究。
一、指纹识别技术的历史及研究现状
1.研究价值
指纹识别技术是生物识别技术的一种，以指纹的纹路及特征为识别信息，作为互联网信息安全的一道防护屏障，也成为时代高新技术设备的一项流行且必然的趋势。如今，随着指纹识别技术的日臻成熟，人们也对该技术系统的可靠性、灵活性、性价比等方面提出了更高的要求。基于ARM处理器的指纹识别技术将采集和处理两种技术与功能融为一体，缩小了整体体积，对于功能性、可靠性都有整体的提高。
2.国内外研究现状
现代指纹技术起源于1684年英国植物形态学家Grew发表的第一篇研究指纹的科学论文，也是最古老的一种防伪技术，自1788年德国解刨学家约翰？迈耶提出指纹对于人物个体的识别具有有效性后，指纹识别技术变逐渐广泛运用于确定罪犯、信息安全、掌上设备、指纹锁等领域。1891年Galton提出著名的高尔顿分类系统。到了20世纪60年代，计算机技术在图形处理方面的发展已然成形，利用计算机处理指纹的研究也开始逐步进行。且由于指纹识别的技术及用途的实用性及存在价值，使其也成为很多产品生产厂家所关注的技术手段，如指纹打卡机、三星Galaxy系列及苹果IPhone、IPad系列等。
关于指纹识别的研究国内外学者已有颇多收获，目前研究者对于这一课题的研究正在往纵深方向发展，研究的方向不断细分化、研究的领域不断扩大化、研究的方法不断多样化。以单片机为处理器的指纹识别已经满足不了日益扩增的运算数据库。因此，基于ARM处理器的指纹识别技术现状研究并探究出其指纹算法设计与实现的方法十分必要。
3.指纹识别技术优势
1997年，比尔盖茨曾预言：“生物识别技术即利用人的生理特征，如指纹、虹膜等来识别个人身份，将成为IT产业未来几年的重要革新。”指纹识别诞生的原因是基于安全，在原始的数字密码容易被复制、监听、盗取等等的情况下，指纹识别以其生物特性安全级别更高。基于ARM处理器的指纹识别技术相对于之前的单片机处理有更快的识别速度以及更高的识别准确率。因此有着广泛的研究前景。
二、指纹识别的一般工作模式
指纹识别的原理包括指纹采集原理、指纹特征提取原理和指纹特征匹配原理三大部分。一般工作模式则包括：指纹特征录入、指纹特征提取、样本数据库、指纹特征匹配、输出匹配结果。指纹采集原理主要是根据指纹的几何特性或生理特性，通过各种传感技术把指纹表现出来，形成数字化表示的指纹图像。指纹采集技术有两种采集模式，一种是在被采集人知道的情况下实施的主动采集；另一种是在被采集人未知的情况下，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，一般称为现场指纹采集。
三、基于ARM处理器的指纹图像采集模块设计
1.工作原理
当指纹传感器收到指纹信息，将通过串口给ARM处理器发送命令，处理器同意并接收相应的信息，指纹传感器采集的指纹转换成RGB格式，并且数据传输到ARM处理器，处理器通过存储在EEPROM中的固化程序执行大量的模式识别和图像处理相关计算，当用户的指纹被确认，处理器将命令传输到PC端，则开关开。
2.硬件设计
研究使用基于ARM7TDMI内核的32位处理器STM32F205作为主控制器，半导体电容传感器FT232模块作为指纹数据采集设备，CP2102作为单芯片USB转UART数据转换器从而构建了自动指纹识别系统。首先串口模塊的VCC连接到3.3V，指纹模块的VCC和GND分别连接到串口模块的VCC和GND，此时相当于给指纹模块的VCC提供了3.3V的工作电压。指纹模块的TXD和RXD分别连接到串口模块的RXD和TXD，这两个串口要交叉相连。再将串口模块连接到计算机的USB插口即可。数据的上传都是由中断过程完成的，所以，整个系统的主程序流程比较简洁。
3.图像采集模块的选择
图像传感器是数字摄像头的重要组成部分，根据组件的不同，可分为 CCD 和 CMOS 两种类型：CCD是主要应用数字摄像的高端产品，效果好，但成本高；CMOS 效果不如CCD ，但成本要低一些。鉴于指纹识别器中对质量和成本的考虑，设计采用现代公司的指纹传感器HB7121B，它是使用0.15μmCMOS工艺开发的高度集成的单片CMOS黑白图像传感器。该传感器的有效像素为400×300个。传感器上有三个8位的ADC和414个比较器来数字化像素的输出。三个片上独立的增益控制，只需要很少的几个控制信号就可从片内得到数据，因此很方便设计成指纹识别器。
4.软件设计
系统上电后，对整个采集系统进行初始化操作，包括ARM处理器系统的初始化以及目标板上外设的初始化，以对它们的参数进行配置。初始化完成后，就可以开始检测传感器上是否有手指，如果有，则进行指纹图像的采集，采集完成后，再对这枚指纹图像进行预处理。若这枚指纹图像采集的质量比较好，则将数据上传；如果采集的图像质量很差，则重新采集指纹数据。指纹图像的采集是在中断程序中开始的，当指纹传感器上没有手指时，系统将进入省电模式。通过指纹传感器的手指自动检测中断可唤醒系统，并进行一次指纹图像的采集、预处理和数据上传。完成后再将进入省电模式，并等待下一次的手指中断采集。ARM中的主程序很简洁，因为主要的操作都由中断完成。
5.操作系统的嵌入
Linux作为操作系统嵌入，其内核由内存管理、进程调度、进程间通信、虚拟文件系统及网络接口五大部分组成，嵌入系统开发应用程序提供了一个强大的软件平台。构建该平台的主要步骤如：1.通过JTAG下载U boot；2.配置Linux Kernel并通过串口下载；3.开发FPS200驱动并进行动态加载。
四、总结
本文采用基于ARM处理器的嵌入式开发平台，根据指纹识别系统具体的设计规范，结合人们实际操作中提出的要求设计了一个完整的嵌入式指纹识别系统，参考ARM+Linux架构，并且提出了包括指纹采集、生产指纹图像、预处理、特征提取、特征匹配等过程。本设计是ARM处理器在指纹识别领域中的一次应用，本系统的主要优点以ARM7TDMI内核的32位处理器STM32F205作为主控制器为硬件平台，非常容易地对外实施扩展。系统操作简单，携带方便，尤其适合不宜使用基于PC构架的指纹采集仪器的场合，且成本低廉，易于推广。