指纹识别技术在手机中的研究与应用
指纹识别技术在手机中的研究与应用
胡盛祥，胡平，靳晶
（南京工业大学信息科学与工程学院, 南京，210009 ）
摘要：本文介绍了如何将指纹识别技术应用于手机，给手机用户带来安全性及便利性。并利用FPS200模块，较好地实现了指纹的比对。
关键字： FPS200；指纹识别；手机
中图分类号TP391.4，文献标识码A
Research and Application of Fingerprint Identification Technology on
Mobile Phone
Hu Shengxiang, Hu Ping, Jin jing
(College of Information Science and Technology, Nanjing University of Technology, Nanjing,
210009)
Abstract: This paper introduced the fingerprint identification technology on mobile phone. With the new technology the mobile phone user is more safe and convenient. Furthermore, FPS200 module is used to a simple comparison of fingerprint. Keywords: FPS200, Fingerprint Identification, Mobile Phone
1． 引言
指纹识别技术是近年来刚刚发展起来的一项高新技术。每个人(包括指纹在内) 皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，是唯一的，并且终生不变。依靠这种唯一性和稳定性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。因此指纹识别技术非常适合于身份识别。
安全性对于手机用户来说，正显得越来越重要。指纹识别同虹膜、脸形等其它识别技术相比，在技术成熟度、可靠性、物理构造、成本等方面，都非常适合手机应用。
2． 指纹检测原理
人类的指纹由紧密相邻的凹凸纹路构成，通过对每个像素点上利用标准参考放电电流，便可检测到指纹的纹路状况。每个像素先预充电到某一参考电压，然后由参考电流放电。电容阳极上电压的改变率与其上的电容成下面的比例关系：
Iref=C×dv/dt
处于指纹的凸起下的像素(电容量高) 放电较慢，而处于指纹的凹处下的像素(电容量低) 放电较快。这种不同的放电率可通过采样保持(S/H)电路检测并转换成一个8位输出，这种 检测方法对指纹凸起和低凹具有较高的敏感性，并可形成非常好的原始指纹图像。
现在一般使用触摸式CMOS 传感器件进行指纹的提取。当指纹中的凸起部分置于传感电容像素电极上时，电容会有所增加，通过检测增加的电容来进行数据采集。这类传感器基于一种标准的单-多晶硅三层金属CMOS 工艺，并采用0.5微米工艺进行设计。金属互连的第三层构成电容像素层，由氮化钛制成并覆盖着一层氮化硅，厚度仅为7000埃米。这种硬金属电极与抗磨涂敷层组合形成的传感器十分坚实耐用，使用寿命可以达到很多年。
图1 指纹识别流程图
通过图1所示的过程，采用相应的软件算法可以进行指纹识别。这种软件采集原始的指纹图像，将图像信息数字化并提取其中的细节模板，然后进行测试，确定提取的细节模板是否与参考模板吻合。本系统采用的是传统的指纹识别算法。
3． 硬件设计
3.1传感器选择
目前，主要有单触型与划擦型两种指纹识别传感器，都是通过在触摸过程中电容的变化 来进行信息采集。
单次触摸型传感器，要求手指在指纹采集区进行可靠的触摸；划擦型则需要用手指在传感器表面擦过，传感器会采集一套特定的数据，然后进行快速分析和认证。这两类指纹传感器将得到越来越广泛的应用。
在本方案中，选用Veridicom 公司的FPS200作为指纹传感器，FPS200内部结构图如下：
图2 FPS200内部结构图
FPS200的传感区域为1.28cm×1.50cm，256×300传感阵列，500dpi 分辨率，内置有8位模数转换器，可直接输出数字化图像信号，用8位表征一个像素点，且有微处理器总线、SPI 总线和USB 总线三种接口模式可供选择，并可以方便的定义所需传感阵列的区域。 FPS200基于电容充放电原理，传感阵列的每一点是一个金属电极，相当于电容器的一个极，与传感区接触的手指充当电容器的另一个极，而两者之间的传感面形成电容两极之间的介电层，由于指纹的脊和谷导致了传感阵列各电容值的不同，传感器将电容值数字化之后输出。根据以上这些特点，FPS200非常适合于智能手机指纹识别。
3.2系统主要器件选择
一个识别系统是否有效，主要由认假率和拒真率、拒登率、比对时间、存储容量、系统功耗、成本等几个指标决定。综合各方面的因素，采用如下的器件。
(1)微处理器
选用INTEL 公司的XSCALE PXA270作为系统微处理器，运行于416MHz 。
(2)电源管理（PMU ）
电源管理单元采用MAXIM 的MAX8588，它具有3通道DC-DC ，3通道LDO 。是一
款专门针对INTEL XSCALE微处理器设计的PMU ，非常适合于手机应用。
(3) SDRAM
选用2片INFINEON 公司的HYB18L256160BF 作为SDRAM 。
(4)程序存储器
M-SYS 公司的DiskOnChip G4是具有1G bit的FLASH Memory，内建了控制器，可方便作为程序存储器，并可用于大容量文件存储。
(5)传感器接口
SPI 接口具有软硬件简单的特点，本方案中，只需将SCS ，SCK ，MOSI ，MISO 连接至PXA270的GPIO ，FPS200中断脚EXTINT 和PXA270中断连接即可。
3.3系统硬件电路
针对本系统中需要具有对外部I/O信号的处理，如按键、指示灯信号等。因此通过总线扩展了16I/O口，包括读写访问、检测外部信号和控制外部设备。系统硬件结构框图如图3所示。各模块功能在器件选择里已作了介绍，这里就不再赘述了。
图3系统硬件结构框图
4． 软件设计
系统启动部分主要包含：加载异常中断向量表、程序复位（此时应屏蔽中断，检查启动方式、设置相关寄存器）、重定位存储器，确定FLASH 的起始地址、加载各初始化功能模块（包括初始化指纹识别模块InitFsp()；初始化键盘响应InitKeySys （）；初始化串口采像设备InitParrel （）；初始化液晶显示InitDispary （）；将指纹库，密码库装入内存LoadAll （））。
为提高系统的运行效率，增强可扩展性，系统采用多线程设计。系统启动后开始线程ThreadMain （），主线程控制系统的启动和初始化，在线程中进入程序循环，在循环中主要响应按键和采集图像进行指纹比对（接收控制信息) ，并对指令进行分析和执行。如果是硬件控制类指令，就把指令写入“事件队列”中，并通知硬件控制线程执行; 如果是功能类指令，就调用相应的模块来执行。
其中指纹图像采集部分代码如下：
Uint32 Xendsh, Xsed;
Sensor_reset_hi; //芯片的reset 引脚置高
Fun_delay_lus();
Sensor_Address = Sensor_LDS_1;
Fun_delay_lus();
Sensor_Address = Sensor_DCI_1;
Fun_delay_lms(0);
Sensor_Address = Sensor_DCI_0; //设置完所有的寄存器，等待endsh 信号 Xendsh = 0;
Sensor_Address = Sensor_Parallel; //设置并口输出
Xsed = 0;
While(xsed == 0) xsed = Sensor_sed; //等待sed 为1
Sensor_Address = Sensor_PLDS_1; //准备读下次图像
FPS200有两种工作方式：中断和查询，本系统使用的是前者。初始化FPS200各寄存器，向相应的寄存器写入控制字，设置采集指纹的参数，当指纹被FPS200自动采集进入数据寄存器时，就把指纹数据存入到指定的存储空间，产生中断，进入中断服务程序，中断子程序负责进行进行指纹的读取和识别。若匹配则进入工作界面，否则手机将无法正常工作。其流程图如图4所示。
图4中断子程序流程图
结语
本文探讨了指纹识别技术在手机中的应用，并利用FPS200指纹传感器实现了一个手机系统，具有接听电话和指纹识别的功能。目的是当使用者指纹与预设的比对指纹不能匹配时，手机将无法正常工作。通过调整参数改变传感器的灵敏度，提高了所采集指纹的质量，能够进行指纹识别，达到了预定的功能。但本系统在认假率及响应速度方面还存在一些不足，需要在以后的工作中加以改进。
本文作者创新点:
本文探讨了将指纹识别技术运用在手机上的可行性，通过将FPS200指纹传感器运用载手机上，较好的完成了指纹比对的工作，从而保障了手机的安全性。
参考文献
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[3] 陈阳,谭思云. 基于DSP的指纹识别系统设计［J］．计算机测量与控制, 2005,12: 1339-1341
[4] 季昱,林俊超,宋飞. ARM嵌入式应用系统开发典型实例[M]. 中国电力出版社, 2005.7 作者简介
胡盛祥,男，1973年1月生，汉族，江苏南京人，硕士生，计算机应用专业。主要从事计算机应用、嵌入式系统的研究工作。
胡平，男，1962年9月生，汉族，江苏南京人，副教授。主要从事计算机应用、故障诊断、嵌入式系统等方面的研究工作。
Biography
Hu Shengxiang, Male，Han Nationality, borned in Jan, 1971, Jiangsu province,
postgraduate of Information Dept, Nanjing University of technology, majored in computer control and application、embedded system.
Hu Ping，Male，Han Nationality，borned in Sep,1962, Jiangsu province, associate professor. His research interest is computer application, fault diagnose and embedded system.
通讯地址：（210009）南京工业大学信息科学与工程学院 胡盛祥
Email:[email protected]