基于ADS7846的在線動(dòng)態(tài)簽名認(rèn)證的數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

　　由于觸摸屏輸入方便，輕薄便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在越來越多的電子產(chǎn)品用觸摸屏作為人機(jī)界面的輸入設(shè)備。在動(dòng)態(tài)簽名認(rèn)證中，亦采用觸摸屏作為輸入設(shè)備對(duì)筆跡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本文主要從觸摸屏工作原理、ADS7846的工作方式以及單片機(jī)89S51對(duì)ADS7846的控制等方面來分析如何實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的采集。

　　系統(tǒng)主要由四線電阻式觸摸屏，觸摸屏控制器ADS7846,單片機(jī)89S51以及相應(yīng)軟件程序組成。系統(tǒng)框圖如圖所示：　　

圖1. 系統(tǒng)電路框圖

　　一、四線電阻式觸摸屏

　　電阻觸摸屏是采用是使用電阻模擬量技術(shù)。它以一層玻璃作為基層，上面涂有一層透明氧化金屬（ITO氧化銦）導(dǎo)電層，上面在蓋有一層玻璃或是外表面硬化處理的光滑的塑料層，它的內(nèi)表面也涂有一層ITO導(dǎo)電層，他們之間有許多細(xì)小的的透明隔離點(diǎn)把兩導(dǎo)電層隔開絕緣，每當(dāng)有筆或是手指按下時(shí)，兩導(dǎo)電層就相互接觸，從而形成了回路。如圖2所示。 　　

圖2.觸摸屏的觸摸示意圖

　　導(dǎo)電層的兩端都涂有一條銀膠，稱為該工作面的一對(duì)電極，上下兩個(gè)導(dǎo)電層一個(gè)是水平方向，一個(gè)是豎直方向，分別用來測量X和Y的坐標(biāo)位置，在水平面上的電極稱為X＋電極和X－電極，在豎直平面的電極稱為Y＋電極和Y－電極。如圖3所示，工作時(shí)，兩個(gè)電極根據(jù)測量需要提供參考電壓或是作為測量端對(duì)接觸點(diǎn)的位置進(jìn)行測量，當(dāng)測量接觸點(diǎn)X坐標(biāo)的時(shí)候，導(dǎo)電層上的X＋電極和X－電極分別接上參考電壓和地，Y電極不加電壓，那么X電極間會(huì)形成均勻的電壓分布，用Y＋電極作為測量點(diǎn)，得到的電壓值通過A/D轉(zhuǎn)換，就可對(duì)應(yīng)的判斷出接觸點(diǎn)的X坐標(biāo)。Y坐標(biāo)亦是類似，只需改成對(duì)Y電極加電壓而X電極不加電壓即可。 　　

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　　圖3.觸摸屏的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的計(jì)算公式為： 　　

　　二、觸摸屏控制芯片ADS7846

　　ADS7846是BURN-BROWN公司生產(chǎn)的專門用于四線電阻觸摸屏數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。內(nèi)部有一個(gè)多通道的模擬開關(guān)組成的測量電路網(wǎng)絡(luò)和12位的A/D轉(zhuǎn)換器。工作時(shí)，7846根據(jù)數(shù)據(jù)輸入口DIN收到不同的命令字打開相應(yīng)的開關(guān)通道，并接受返回的模擬電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換得出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，再通過DOUT傳回單片機(jī)。表1是命令字每一位的具體含義。 　　

　　表1 ADS7846的控制命令字

　　S是開始標(biāo)志位，只有S位為高時(shí)7846才開始接收命令字，A0,A1,A2是通道選擇，根據(jù)測量的需要而改變，具體所對(duì)應(yīng)的選擇見表2。MODE選擇是8位還是12位的A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)實(shí)際要求在此選擇了12位的A/D轉(zhuǎn)換， 是工作方式選擇位， 7846有兩種工作方式，一種是單端輸入，一種是差分輸入，在需要進(jìn)行壓力測量的時(shí)候，必須使用差分輸入的工作模式，PD1和PD0則是用來控制內(nèi)部參考電壓和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)。 　　

　　表2 差分模式下的測量通道選擇 　

　　三　 單片機(jī)AT89S51以及與ADS7846的數(shù)據(jù)通信

　　1．AT89S51 AT89S51是ATMEL公司新推出的89C51的升級(jí)產(chǎn)品，全面兼容89C51，而且與89C51相比，新增加了以下幾個(gè)主要功能：1?？梢酝ㄟ^數(shù)據(jù)下載線進(jìn)行在線編程下載，使程序的寫入更加方便簡潔2。工作晶振可以達(dá)到33M，提高了運(yùn)行速度3。新增了看門狗電路，提高了電路的抗干擾性。

　　2．AT89S51與ADS7846的通信 AT89S51與ADS7846的通信主要通過單片機(jī)的I/O口與7846的CLK、CS、DOUT、DIN、BUSY五個(gè)管腳進(jìn)行，CLK是7846的工作脈沖，CS是7846的片選信號(hào)，DOUT是數(shù)據(jù)輸出，DIN是數(shù)據(jù)輸入，BUSY是轉(zhuǎn)換判斷位。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)首先通過片選信號(hào)選中7846，再通過DIN向7846發(fā)送命令控制字?jǐn)?shù)據(jù)，并通過CLK管腳配以相應(yīng)的時(shí)序脈沖，當(dāng)BUSY位被置位后就通過DOUT數(shù)據(jù)輸出口獲取12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　由于要求系統(tǒng)能采集包括X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和壓力在內(nèi)的三維數(shù)據(jù)，所以，先送打開測量X通道的命令字，返回得到的數(shù)字值即為X坐標(biāo)，再送打開測量Y通道的命令字，得到的值為Y坐標(biāo)。再依次得到Z1，Z2的值，通過轉(zhuǎn)換公式 　　

　圖4 程序流程圖

　　在此值得一提是，Z1、Z2仍然是轉(zhuǎn)換后得12位的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字值，但通過轉(zhuǎn)換公式得到的Z值實(shí)際上是接觸點(diǎn)間兩層ITO氧化膜的電阻值大小。這樣就完成了在某一個(gè)時(shí)刻的三維信息采集。根據(jù)實(shí)際要求，利用定時(shí)器設(shè)定采樣時(shí)間為10ms，既一秒種采樣100個(gè)點(diǎn)。采集的數(shù)據(jù)通過usb接口送到pc機(jī)保存，以供后續(xù)匹配處理。同時(shí)，采集的數(shù)據(jù)可以通過液晶顯示屏顯示，以便我們書寫時(shí)觀察。 　　

　　五、數(shù)據(jù)的預(yù)處理　　

　　在數(shù)據(jù)采集的過程中，有許多因素影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以必須對(duì)數(shù)據(jù)做一些相應(yīng)的預(yù)處理，以保證采集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。主要有以下幾種因素：

　　1．書寫抖動(dòng)造成的漏點(diǎn)

　　在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)在連續(xù)的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)零值點(diǎn)，出現(xiàn)零值點(diǎn)有兩種可能：一種是正常書寫時(shí)筆劃的改變?cè)斐傻?，另一種就是由于觸摸屏不夠平整或是書寫時(shí)的抖動(dòng)造成筆跡的間斷而造成的，區(qū)別的方法主要是看間斷時(shí)間也就是零值連續(xù)出現(xiàn)的個(gè)數(shù)，一般抖動(dòng)造成的間斷時(shí)間小于設(shè)定的采樣時(shí)間10ms，所以，抖動(dòng)產(chǎn)生的零值在兩個(gè)有效數(shù)據(jù)中間只能出現(xiàn)一個(gè)，可以認(rèn)為是無效零值，而出現(xiàn)兩個(gè)以上的連續(xù)零值便可以認(rèn)為是筆劃的改變而生成的有效零值而不作處理，當(dāng)判斷出某個(gè)零值為無效零值后，對(duì)其進(jìn)行線性內(nèi)插來彌補(bǔ)數(shù)據(jù)的丟失，即

　　

　　

　　圖5 處理前的數(shù)據(jù)波形

　　

　　圖6 處理后的數(shù)據(jù)波形

　　由于書寫者書寫時(shí)的停頓，造成在在某一點(diǎn)多次重復(fù)采集，顯然在后續(xù)的匹配中會(huì)與樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大的誤差，所以有必要?jiǎng)h除重復(fù)的數(shù)據(jù)，每當(dāng)判斷出前后兩個(gè)點(diǎn)的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)均相同的時(shí)候，就可以斷定它們?yōu)橹貜?fù)點(diǎn)，則將后一個(gè)點(diǎn)刪除，再用后續(xù)的點(diǎn)依次補(bǔ)上。這樣保證了采集的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)的反映筆跡信息。

　　3．書寫位置的校準(zhǔn)

　　書寫者每次書寫時(shí)起筆的點(diǎn)不一定相同，這樣，每次書寫采樣的結(jié)果都與樣本模板里的采樣值都有一個(gè)恒定的差別，因此有必要進(jìn)行書寫位置的校準(zhǔn)，處理的方法是把采集到的第一個(gè)數(shù)據(jù)的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)與樣本數(shù)據(jù)里第一個(gè)數(shù)據(jù)的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)作比較，公式分別 　　

　　以上是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的幾種方法，預(yù)處理可以為后續(xù)筆跡的匹配提供提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并減輕匹配的運(yùn)算量，因此預(yù)處理是筆跡匹配認(rèn)證前的重要步驟，它的好壞將直接影響認(rèn)證的精度。

　　參考文獻(xiàn)：

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