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嵌入式指纹识别系统的一种低功耗实现方法与应用

作　者: 张金刚
导　师: 林喜荣
学　校: 清华大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 生物特征识别 指纹识别 低功耗 嵌入式系统
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


自动指纹识别系统基于对指纹的数字化采集，利用数字图像处理技术，提取指纹的特征信息，根据一定的识别算法完成特征匹配，从而实现利用指纹完成身份识别的功能。由于指纹识别算法中的数字图像处理技术需要大量的乘加运算，因此传统的嵌入式自动指纹识别系统在硬件上一般选用具有高速数据运算能力的DSP或者高性能的ARM系列处理器，高性能芯片的使用不可避免的将系统的整体功耗限制在了一定水平之上，影响了系统在众多需要电池供电系统中的使用寿命。本文提出了一种基于双核架构的嵌入式系统来解决指纹识别系统的高性能和低功耗之间的矛盾，以基于ARM核的具有指纹算法硬件加速电路的ML67Q5250处理器作为主控制器组成指纹识别模块，完成指纹的注册、删除和认证的实现方案；以具有超低功耗的16位单片机MSP430F159控制按键、显示、电机驱动等外围设备组成外设控制模块，保证系统具有较低的待机功耗，并能控制高耗能的指纹识别模块仅在需要的时候上电启动，减小高耗能模块的工作时间，从而降低了系统的运行功耗。本文的主要工作包括：设计可以独立工作的嵌入式指纹识别模块。该模块具备实现自动指纹识别系统所需要的完整软硬件功能，可以完成指纹的注册、删除和认证识别等功能，认证通过可驱动电机工作，并能根据不同的状态做出相应的声光提示。另外，针对传统的嵌入式指纹识别系统一般只能使用一种指纹传感器，难以更新和升级指纹传感器的问题，本文设计了一种集成接口，可以兼容划擦式和面接触式两类指纹传感器，针对不同的应用场合可以更换使用三种指纹传感器。设计以MSP430F149为核心的外设控制模块，包括键盘输入模块、液晶显示交互式菜单系统、数据存储模块、日历功能模块、电机驱动模块等，并可以作为电子密码功能单独功能，从而可以达到系统的最低功耗。实验测试表明，系统的待机电流可以达到5~6μA，一节普通5号干电池的电量可以使系统连续使用3年以上的时间，达到了预期目的。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 引言  8-24
  1.1 指纹识别技术概述  8-10
    1.1.1 皮肤结构与指纹形成  8-9
    1.1.2 自动指纹识别系统  9-10
  1.2 指纹图像采集技术  10-15
    1.2.1 光学采集技术  11-12
    1.2.2 半导体硅采集技术  12-14
    1.2.3 特种材料及特殊方法采集技术  14-15
  1.3 指纹特征识别算法  15-17
    1.3.1 基于细节特征点的识别算法  16
    1.3.2 基于频谱信息的识别算法  16
    1.3.3 基于几何拓扑的识别算法  16-17
    1.3.4 指纹识别算法的比较  17
  1.4 指纹识别主控芯片  17-23
    1.4.1 ARM 系列微处理器  18-19
    1.4.2 DSP 数字信号处理器  19-21
    1.4.3 高性能 FPGA 处理器  21-23
  1.5 课题背景及意义  23-24
第2章 系统结构方案设计  24-27
  2.1 指纹处理与认证芯片 ML67Q5250  24-25
    2.1.1 ML67Q5250 性能简介  24
    2.1.2 ML67Q5250 的相对优势  24-25
  2.2 外围设备主控芯片 MSP430F149  25
    2.2.1 MSP430F149 性能简介  25
    2.2.2 MSP430F149 的相对优势  25
  2.3 系统结构设计总结与概述  25-27
第3章 指纹识别模块设计  27-44
  3.1 系统硬件电路实现方案  27-30
    3.1.1 电源电路方案  27-28
    3.1.2 时钟电路方案  28
    3.1.3 外扩存储电路  28-29
    3.1.4 其它必要管脚  29-30
  3.2 系统软件结构实现方案  30-32
    3.2.1 系统软件层次结构设计  30-31
    3.2.2 系统状态响应与循环  31-32
  3.3 传感器集成接口实现方案  32-43
    3.3.1 指纹传感器选型  32-38
    3.3.2 硬件连接实现  38-42
    3.3.3 驱动接口设计  42-43
  3.4 本章小结  43-44
第4章 外设控制模块设计  44-60
  4.1 主控芯片最小系统设计  44-46
    4.1.1 电源电路设计  44
    4.1.2 时钟电路设计  44-45
    4.1.3 程序下载接口  45-46
  4.2 键盘输入模块设计  46-49
    4.2.1 键盘输入功能要求  46-47
    4.2.2 硬件设计与软件实现  47-49
  4.3 液晶显示模块设计  49-54
    4.3.1 液晶选型与接口设计  49-51
    4.3.2 液晶显示驱动架构  51-53
    4.3.3 交互式菜单界面设计  53-54
  4.4 数据存储模块设计  54-58
    4.4.1 器件选型与接口设计  54-55
    4.4.2 数据格式及存储结构  55-58
  4.5 日历功能模块设计  58
  4.6 电机控制模块设计  58-59
  4.7 本章小结  59-60
第5章 系统功耗测试与分析  60-66
  5.1 测试环境简介  60
  5.2 测试项目及结果  60-64
    5.2.1 测试项目概述  60-61
    5.2.2 指纹模块单独运行功耗  61-62
    5.2.3 双核架构系统运行功耗  62-63
    5.2.4 单独电子密码功能时的功耗  63-64
  5.3 数据分析与总结  64-66
第6章 总结与展望  66-68
  6.1 论文总结  66-67
  6.2 课题展望  67-68
参考文献  68-70
致谢  70-71
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  71

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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