基于嵌入式处理器指纹识别系统的设计和实现 02 可扩展性, 微处理器, IP协议, 嵌入式, 操作系统

samwalton

分布式指纹识别系统软件设计
　　2．1 μC／OS-Ⅱ系统移植
　　由于系统硬件平台所选用的嵌入式微处理器AT91SAM7X256的RAM、Flash等资源都非常有限，考虑各种因素，选用了μC／OS-Ⅱ作为嵌入式操作系统，TCP／IP协议通过扩展实现。μC／0S-Ⅱ操作系统是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪和占先式的实时多任务操作系统。其最主要的特点就是源码公开，绝大部分源码是用ANSI C写的。虽然μC／0S-Ⅱ只是提供了时间管理、任务问通信同步、任务管理和内存管理等主要服务，但它的可扩展性强。可扩展的上层服务有：设备驱动，文件系统，图形系统和TCP／IP协议系统等，并且由于其性能可以与许多高端商业软件产品相媲美，甚至某些性能比它们还要好，因此，正以其巨大的优势吸引了众多开发者。μC／0S-Ⅱ是专为微控制器系统和软件开发而设计的抢占式实时多任务操作系统内核，是微控制器启动后首先执行的背景程序，作为整个系统的框架贯穿系统运行的始终，对实时性和稳定性要求很高的数据采集系统而言，引入μC／OS-Ⅱ无疑将大大改善其性能。
　　2．2 CAN总线接口通信模块
　　CAN协议是建立在ISO的开放系统互联模型的基础上的，取其中的3层：物理层、数据链路层和应用层。物理层和数据链路层的功能可由CAN接口器件实现，而应用层的功能则要靠应用程序来完成。CAN总线接口通信模块的功能是接收和发送CAN总线数据。主要操作包括CAN控制器初始化和CAN总线上接收和发送数据的操作。信息由CAN控制器发送接收到CAN总线，都由CAN控制器自动完成。
　　2．3 以太网通信模块实现
　　以太网是通信网采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在通信网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问(CSMA／CD)机制，是一种广播网络。数据的发送和接收就必须按以太网IEEE802．3协议来进行。软件的实现主要有模块的初始化、数据的发送和接收3部分。片上移植的μClinux系统包含了TCP-IP协议栈，以太网控制器集成在AT91SAM7X256内部。因此，实际上只要网关系统置开启状态，模块的初始化也随之完成。
　　2．4 指纹识别模块软件实现
　　指纹识别算法是指纹识别系统的核心。本系统中采用的指纹识别算法实现流程为：提取脊线方向，脊线频率，经过GABOR滤波，特征提取，与指纹数据库进行特征匹配。本系统单个节点有两大功能：指纹识别和指纹模板存储。指纹识别软件模块工作流程如图3所示。

　　采集到指纹信息后，需要进行图像增强，其中要解决的核心问题是指纹图像预处理，其目的是为了减弱噪声、改善图像质量，以便于特征提取。指纹纹理由相间的脊线和谷线组成，它们蕴涵了纹理方向、纹理密度等大量信息。这些信息在不同区域显示不同特征。指纹图像增强算法就是利用图像信息的区域性差异来实现的。
　　本系统参考了指纹图像纹理频率信息，以GABOR变换这个能够同时对图像局部结构的方向和空域频率进行解析的最优滤波器作为滤波器的模板，因而极大改善了增强算法的效果。提取脊线方向方法为：
　　1)将指纹图像分割成足够小的子块，以满足块中纹理近似平行的条件；
　　2)对每个子块的每一个点p(s，t)(s，t=O，I…w-1)利用Sobel算子分别计算其x方向梯度gx和y方向梯度gy；
　　3)每个子块方向θ(m，n)的计算公式：

　　式中，。。
　　GABOR变换由于具有最佳时域和频域连接分辨率的特点，能够同时对图像局部结构的方向和空域频率进行解析，可以很好地兼顾指纹图像的脊线方向和脊线频率信息。以与子块纹线方向垂直的方向作为滤波器方向，以脊线频率作为滤波器频率来构建滤波器。本系统中指纹匹配采用基于特征点集合匹配的校准算法，该算法多为简单的比较逻辑和加减运算，不需要用到DSP处理单元。运用本设计中的arm7器件能够较好的工作。由于指纹识别有一定的拒识率，所以如果要使辨识结果拒绝此人的话，要连续3次都是拒绝才成立。
　　3 结束语
　　此分布式指纹识别系统可应用在基于ARM7核心多节点的的大型企业监控、门禁管理的场合。本系统可以实现指纹数据采集的现场总线和以太网互联通信问题，使各分节点能够连接到主干以太网络，方便指纹数据库的管理和更新，可以进行远程的特征匹配查询。该设计的创新点在于：1)采用高集成度高性能的arm7处理器AT91SAM7X256解决方案，充分利用AT91SAM7X256提供的全双工的Ethemet控制器，CAN控制器，结构简单，成本低廉，具有商业价值；2)设计了具体的系统以太网，CAN总线及电源实现硬件电路图；3)移植μC／0S-Ⅱ，给出具体指纹识别算法及处理方案，实现稳定性和低成本的结合。