基于ADS7846在線動態(tài)簽名認(rèn)證系統(tǒng)

摘   要：       本文著重介紹如何利用AT89S51、觸摸屏和觸摸屏控制器ADS7846實(shí)現(xiàn)在線動態(tài)簽名的三維數(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。在動態(tài)簽名認(rèn)證中，亦采用觸摸屏作為輸入設(shè)備對筆跡進(jìn)行數(shù)據(jù)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組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

四線電阻式觸摸屏

電阻觸摸屏是采用電阻模擬量技術(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，上面再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(圖2)。

導(dǎo)電層的兩端都涂有一條銀膠，稱為該工作面的一對電極，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。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Y電極加電壓而X電極不加電壓即可。

測量觸摸的壓力的原理是和ITO(氧化銦)材料的自身特性有關(guān)， ITO導(dǎo)電膜的電導(dǎo)率公式為r=r0(1+l0/d)，其中d為導(dǎo)電膜的厚度，所以ITO電導(dǎo)率和ITO導(dǎo)電膜的厚度成反比，所以當(dāng)觸摸的壓力越大，接觸點(diǎn)的ITO導(dǎo)電膜就越薄，所以相應(yīng)的電導(dǎo)率就大，電阻就越小，所以，觸摸壓力的測量實(shí)質(zhì)是測量接觸ITO導(dǎo)電膜的電阻值。    

ADS7846與AT89S51的通信

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)換得出對應(yīng)的數(shù)字量，再通過DOUT傳回單片機(jī)。

AT89S51是ATMEL公司新推出的89C51的升級產(chǎn)品。

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)引腳進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)首先通過片選信號選中7846，再通過DIN向7846發(fā)送命令控制字?jǐn)?shù)據(jù)，并通過CLK引腳配以相應(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

RTOUCH

就可計(jì)算出RTOUCH也就是壓力Z的值(其中RX-plant是x軸電阻值大小，跟觸摸屏的性能參數(shù)有關(guān)，X-Position即是開始得到的X坐標(biāo)值)。

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。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，以便書寫時(shí)觀察。

圖1  系統(tǒng)電路框圖

圖2  觸摸屏的觸摸示意圖

圖3 處理前的數(shù)據(jù)波形

圖4 處理后的數(shù)據(jù)波形

觸摸屏的初始化標(biāo)定

由于觸摸屏的一些邊緣部分是無效的觸摸區(qū)域，所以，實(shí)際轉(zhuǎn)換出來的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)并不是從0到4095的，因此要進(jìn)行初始化標(biāo)定，通過轉(zhuǎn)換公式使其在0到4095整個(gè)區(qū)間線性化，X坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換公式為X=(X-Xmin)×4095/(Xmax-Xmin)，其中Xmax和Xmin分別是觸摸屏有效觸摸區(qū)域X方向的最大值和最小值。同理，Y坐標(biāo)值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式為Y=(Y-Ymin)×4095/(Ymax-Ymin)，其中Ymax和Ymin分別是觸摸屏有效觸摸區(qū)域Y方向的最大值和最小值。壓力值表示的是電阻值大小，并不能直觀的反映壓力的大小，所以，根據(jù)實(shí)際需要，將其轉(zhuǎn)換成與壓力大小相對應(yīng)的0到256級壓力值。轉(zhuǎn)換公式為Z=(Zmax-Z)×256/(Zmax-Zmin)，其中Zmax和Zmin分別為書寫筆與觸摸屏接觸時(shí)的最大電阻值和最小電阻值。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示所用觸摸屏的特性參數(shù)分別為：Xmax和Xmin分別為3860和180；Zmax和Zmin分別為3690和440，和分別為540和350。由于每塊觸摸屏和書寫筆的物理特性都不盡相同，所以，每當(dāng)更換觸摸屏或是書寫筆的時(shí)候系統(tǒng)都要進(jìn)行重新初始化標(biāo)定的工作。

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：

書寫抖動造成的漏點(diǎn)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)會在連續(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)筆劃的改變造成的，另一種就是由于觸摸屏不夠平整或是書寫時(shí)的抖動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)，一般抖動造成的間斷時(shí)間小于設(shè)定的采樣時(shí)間10ms，所以，抖動產(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，對其進(jìn)行線性內(nèi)插來彌補(bǔ)數(shù)據(jù)的丟失，即an=(an+1+an-1)/2，其中an是無效零值點(diǎn),an-1和an+1分別是an的前面和后面的一個(gè)有效值。圖3和圖4分別是處理前和處理后的波形。

重復(fù)采集點(diǎn)的去除

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)的匹配中會與樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大的誤差，所以有必要刪除重復(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。

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，公式分別為DX=(X1-X’1)， DY=(Y1-Y’1)，其中X1和Y1分別是采樣數(shù)據(jù)的第一個(gè)點(diǎn)的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值，  X’1和Y’1則是樣本數(shù)據(jù)里的第一個(gè)點(diǎn)的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值，  DX和DY則為采樣的數(shù)據(jù)與樣本數(shù)據(jù)在X方向和Y方向的偏移值。所以，校準(zhǔn)公式為：Xn=Xn+DX，Yn=Yn+DY。

以上是對數(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。