基于ADS7846動態(tài)簽名認證的數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

    摘要：在線動態(tài)簽名認證越來截止多地運用于各種領(lǐng)域，尤其適用于銀行金融系統(tǒng)以及個人身份識別等，而作為在線簽名認證的基礎(chǔ)—筆跡的數(shù)據(jù)以及預(yù)處理，對后續(xù)認證的準(zhǔn)確性尤為重要。本文著重介紹觸摸屏的工作原理以及如何利用AT89S51、觸摸屏和觸摸屏控制器ADS7846，實現(xiàn)對在線筆跡，包括壓力在內(nèi)的三維數(shù)據(jù)采集，并對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

    關(guān)鍵詞：AT89C51 觸摸屏控制器 ADS7846 動態(tài)簽名 數(shù)據(jù)采集 預(yù)處理

由于觸摸屏輸入方便、輕薄、便于攜帶等優(yōu)點，越來越多的電子產(chǎn)品用觸摸屏作為人機界面的輸入設(shè)備。在動態(tài)簽名認證中，亦采用觸摸屏作為輸入設(shè)備對筆跡進行數(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89S51對ADS7846的控制等方面，分析如何實現(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89S51以及相應(yīng)軟件程序組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 四線電阻式觸摸屏

電阻觸摸屏是采用電阻模擬量技術(shù)。它是一層玻璃作為基層，上面涂有一層透明氧化金屬（ITO氧化銦）導(dǎo)電層，再蓋有一層玻璃或是外表面硬化處理的光滑的塑料層；內(nèi)表面也涂有一層ITO導(dǎo)電層。它們之間有許多細小的透明隔離點把兩導(dǎo)電層隔開絕緣，每當(dāng)有筆或是手指按下時，兩導(dǎo)電層就相互接觸。而形成電路，如圖2所示。

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。上下兩個導(dǎo)電層一個是水平方向，一個是豎直方向，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，兩個電極根據(jù)測量需要提供參考電壓或是作為測量端對接觸點的位置進行測量。當(dāng)測量接觸點X坐標(biāo)的時候，導(dǎo)電層上的X+電極和X-電極分別上參考電壓和地；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，得到的電壓值通過A/D轉(zhuǎn)換，就可對應(yīng)地判斷出接觸點的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。

X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的計算公式為

其中VREF為加在ADS7846內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器上的參考電壓，可以接VCC作為參考電壓。

測量觸摸壓力的原理與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ρ=ρ0（1+3λ0/d）(d為導(dǎo)電膜的厚度)，即ITO電導(dǎo)率和ITO導(dǎo)電膜的厚度成反比。觸摸的壓力越大，接觸點的ITO導(dǎo)電膜就越薄，相應(yīng)的電導(dǎo)率就大、電阻越小。所以，觸摸壓力的測量實質(zhì)是測量接觸ITO導(dǎo)電膜的電阻值。

2 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，ADS7846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。

S是開始標(biāo)志位，只有S位為高時ADS7846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，MODE選擇是8位還是12位的A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)實際要求在此選擇了12位的A/D轉(zhuǎn)換。SER/DFR是工作方式選擇位。ADS7846有兩種工作方式：一種是單端輸入，一種是差分輸入。在需要進行壓力測量的時候，必須使用差分輸入的工作模式。PD1和PD0是用來控制內(nèi)部參考電壓和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)。

3 單片機AT89S51與ADS7846的數(shù)據(jù)通信

（1） AT89S51

AT89S51是Atmel公司新推出的89C51的升級產(chǎn)品，全面兼容89C51。與89C51相比，新增加了以下幾個主要功能：①可以通過數(shù)據(jù)下載線進行在線編程下載，使程序的寫入更加方便簡捷；②工作晶振可以達到33MHz，提高了運行速度；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的I/O口與ADS7846的CLK、CS、DOUT、DIN、BUSY五個引腳進行。CLK是ADS7846的工作脈沖，CS是ADS7846的片選信號，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，單片機首先通過片選信號選中ADS7846，再通過DIN向ADS7846發(fā)送命令控制字數(shù)據(jù)，并通過CLK引腳配以相應(yīng)的時序脈沖。BUSY位被置位后，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

可計算出RTOUCH也就是壓力Z的值。其中Rx是X軸電阻值大小，與觸摸屏的性能參數(shù)有關(guān)；是開始得到的X坐標(biāo)值。

程序流程如圖4所示。

值得一提的是，Z1、Z2仍然是轉(zhuǎn)換后的12位A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字值，但通過轉(zhuǎn)換公式得到的Z值實際上是接觸點間兩層ITO氧化膜的電阻值大小。這樣就完成了在某一個時刻的三維信息采集。根據(jù)實際要求，利用定時器設(shè)定采樣的時間為10ms，即1s采樣100個點。采集的數(shù)據(jù)通過USB接口送到PC機保存，以供后續(xù)匹配處理。同時，采集的數(shù)據(jù)可以通過液晶屏顯示，以便書寫時觀察。

4 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，因此要進行初始化標(biāo)定，通過轉(zhuǎn)換公式使其在0到4095整個區(qū)間線性化。X坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換公式為X=（X-Xmin）×4096/(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，X坐標(biāo)值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式為Y=(Y-Ymin) ×4096/（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，并不能直接地反映壓力的大小，所以，根據(jù)實際需要，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的最大電阻值和最小電阻值。

實驗數(shù)據(jù)顯示，所用觸摸屏的特性參數(shù)Xmax和Xmin分別為3860和180，Ymax和Ymin分別為3690和440，Zmax和Zmin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)更換觸摸屏或是書與筆的時候，系統(tǒng)都要進行重新初始化示定的工作。

5 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)作一些相應(yīng)的預(yù)處理，以保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（1）書寫抖動造成的漏點

在進行數(shù)據(jù)采集時，會在連續(xù)的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)零值點。出現(xiàn)零值點有兩種可能：一種是正常書寫筆劃的改變造成的，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間也就是零值連續(xù)出現(xiàn)的個數(shù)。一般抖動造成的間斷時間小于設(shè)定的采樣時間10ms，所以，抖動產(chǎn)生的零值在兩個有效數(shù)據(jù)中間只能出現(xiàn)1個，可以認為是無效零值；而出現(xiàn)兩個以上的連續(xù)零值便可以認為是筆劃的改變而生成的有效零值而不作處理。當(dāng)判斷出某個零值為無效零值后，對其進行線性內(nèi)插來彌補數(shù)據(jù)的丟失，即an=(an+1+an-1)/2。其中an是無效零值點，an-1和an+1分別是an的前面和后面的一個有效值。圖5和圖分別是處理前和處理后的波形。

（2）重復(fù)采集點的去除

由于書寫者書寫時的停頓，造成在某一點多次重復(fù)采集，顯然在后續(xù)的匹配會與樣本數(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)判斷出前后兩個點X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)均相同的時候，就可以斷定它們?yōu)橹貜?fù)點，則將后一個點刪除，再用后續(xù)的點依次補上。這樣保證了采集的數(shù)據(jù)能夠真實地反映筆跡信息。

    （3）書寫位置的校準(zhǔn)

書寫者每次寫時起筆的點不一定相同，這樣，每次書寫采樣的結(jié)果都與樣本模板里的采樣值有一個恒定的差別，因此有必須進行書寫位置的校準(zhǔn)。處理的方法是把采集到的第一個數(shù)據(jù)的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)與校本數(shù)據(jù)里第1個數(shù)據(jù)的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)作比較，公式分別為ΔX=（X1-X1），ΔY=（Y1-Y1）。其中X1和Y1分別是采樣數(shù)據(jù)的第1個點的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1個點的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值，ΔX和ΔY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+ΔX,Yn=Yn+ΔY

以上是對數(shù)據(jù)進行預(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)，并減輕匹配的運算量。因此預(yù)處理是筆跡匹配認證前的重要步驟，它的好壞將直接影響認證的精度。