在线签名识别系统的数据采集和USB通信

在当今的信息化社会，计算机及其网络技术正不断地改变着我们的生活。互联网技术虽然使信息的发布和传递更加方便，但在信息技术带来好处的背后也存在着一些问题，其中信息安全就是一个方面，而身份鉴别技术是信息安全技术研究领域中的一个重要方向，传统的身份鉴别如证件、口令等都不能适应目前信息化的需要，这时，在线签名识别技术就孕育而生了。过去的签名识别技术采用的是离线静态识别方式，即只是对笔迹的形态特征进行识别，而在线签名识别系统除了可对笔迹的形态进行识别外，还能利用更多的签名信息(如在线书写时的压力信息，角度信息等)来进一步增加识别的准确度。

目前国内对于在线签名识别系统的研究还处于起步阶段，现在仅仅只对签名波形的各种匹配算法进行了一定的研究，而对于在线签名识别系统的设计还没有一个比较完善的方案。签名采集系统的关键是采集数据的精确性和采集设备与PC机之间的通信，只有把这两部分做好了，才可能保证数据传输的准确性和实时性。本文介绍的系统在采集方面使用12位ADS7846芯片来实现高精度、高速的12位数据采集和AD转换；在通信方面则采用USB接口。由于USB协议本身的健壮性可保证签名数据的无差错高速传输，所以本系统的解决方案具有很大的现实意义。

1 系统总体设计方案

本系统包括手写输入设备、显示没备、信息处理设备、信息传输设备以及与之相配套的软件。在整个系统中，手写输入设备有四线电阻式触摸屏和触摸屏控制器，其中触摸屏控制器应能够采集所书写的横纵坐标和压力坐标的模拟量，并通过AD将其转化为12位数字信息，然后把这些信息通过触摸屏控制器的串行口传送给处理设备。本系统采用Atmel公司比较经济实用的AT89S52单片机。通过单片机将采集到的信息处理后送给显示系统显示，然后将信息通过USB接口实时发送给计算机，以使签名信息能够在计算机上实时显示。本系统的结构框图如图1所示。


2 数据采集模块

2.1 触摸屏及其控制器

签名信息主要是通过触摸屏来获得的，触摸屏的种类大致可分为红外式触摸屏、电容式触摸屏、声表面波式触摸屏和电阻式触摸屏。其中电阻式触摸屏比较适合用来进行数据采集。电阻式触摸屏以一层玻璃作为基层，上面涂有一层透明氧化金属(ITO氧化铟)导电层，再盖有一层玻璃或是外表面经过硬化处理的光滑塑料层，它的内表面则涂有一层ITO导电层，塑料层与导电层之间有许多细小的透明隔离点对两导电层进行隔离绝缘。每当有笔或是手指按下时，两个导电层就相互接触，从而形成回路。

ADS7846是美国Burr-Brown公司推出的新一代电阻式触摸屏专用控制器。ADS7846是典型的逐步逼近寄存器型A／D变换器，其结构以电容再分布为基础。芯片包含有取样／保持功能。ADS7846的引脚与以前的ADS7843的引脚完全兼容，只是增加了片内温度测量、触摸压力测量和电池电压测量三个功能。ADS7846工作时，有时可能需要一个外部参考(VREF引脚)，其中外部参考电压范围为1V～+VCC，通过它可以直接设定A／D输入通道的输入范围，而其平均基准输入电流则取决于变换速率。

2.2 MCU与ADS7846的接口

设计时应将ADS7846的X+，Y+，X-，Y-分别与触摸屏的X+，Y+。X-，Y-一一对应，而将ADS7846的CS，DCLK，DIN，DOUT，BUSY分别对应AT89S52的P2.1～P2.5脚。系统工作时，单片机先将P2.1置成低电平以选中ADS7846。然后再向ADS7846发送测量X坐标的命令控制字。图2所示是本系统中MCU与ADS7846的接口电路。


3 USB通信及应用程序

3.1 USB接口通信的实现

USB是一种快速、双向、低价且可进行热拔插的新型串行接口技术。能支持各种PC与外设之间的连接。目前USB有三种协议标准：USB1.1、USB2.0和USB OTG。本系统使用USB接口的原因不光是它的速度快，而且还在于USB协议的健壮性，以及传送数据的准确性。一个USB通信系统包括USB硬件和固件、USB驱动程序、USB应用软件。本系统采用的是USB接口芯片(philips公司的PDIUSBDl2)加8051系列单片机的实现方法。

USB接口芯片PDIUSBD12符合通用串行总线USB 1.1版规范，器件中集成了SIE、FIFO存储器收发器以及电压调整器，PDIUSBD12符合大多数器件的分类规格，可与任何外部微控制器／微处理器实现高速并行接口(2 MB／s)，可进行完全自治的直接内存存取DMA操作。器件中集成了320字节的多结构FIFO存储器，主端点的双缓冲配置可增加数据的吞吐量，并可轻松实现实时数据传输，在批量模式和同步模式下，该器件均可实现1 MB／s的数据传输速率。其在系统中的应用电路如图3所示。


USB固件实际上就是MCU的程序文件，编写可采用C语言或汇编语言。它不是单纯的软件，而是软件和硬件的结合。为了使USB得到最大的传输速率，PDIUSBD12的固件可以设计成完全中断模式。当USB处理前台任务时，USB传输可以在后台进行。USB固件从下到上依次为底层的硬件提取层，可实现对单片机I／O口、数据总线等硬件接口的操作；PDIUSBD12命令接口的作用是实现单片机对PDIUSBD12器件的操作；而其中断服务程序则可在中断产生时读取中断传输来的数据，并设定事件标志；标准请求处理程序可对USB的标准设备进行请求处理；主循环程序负责发送USB请求、处理USB总线事件和用户功能处理等。