在當(dāng)今的信息化社會(huì)，計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正不斷地改變著我們的生活?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)雖然使信息的發(fā)布和傳遞更加方便，但在信息技術(shù)帶來(lái)好處的背后也存在著一些問題，其中信息安全就是一個(gè)方面，而身份鑒別技術(shù)是信息安全技術(shù)研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要方向，傳統(tǒng)的身份鑒別如證件、口令等都不能適應(yīng)目前信息化的需要，這時(shí)，在線簽名識(shí)別技術(shù)就孕育而生了。過(guò)去的簽名識(shí)別技術(shù)采用的是離線靜態(tài)識(shí)別方式，即只是對(duì)筆跡的形態(tài)特征進(jìn)行識(shí)別，而在線簽名識(shí)別系統(tǒng)除了可對(duì)筆跡的形態(tài)進(jìn)行識(shí)別外，還能利用更多的簽名信息（如在線書寫時(shí)的壓力信息，角度信息等）來(lái)進(jìn)一步增加識(shí)別的準(zhǔn)確度。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于在線簽名識(shí)別系統(tǒng)的研究還處于起步階段，現(xiàn)在僅僅只對(duì)簽名波形的各種匹配算法進(jìn)行了一定的研究，而對(duì)于在線簽名識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還沒有一個(gè)比較完善的方案。簽名采集系統(tǒng)的關(guān)鍵是采集數(shù)據(jù)的精確性和采集設(shè)備與PC機(jī)之間的通信，只有把這兩部分做好了，才可能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。本文介紹的系統(tǒng)在采集方面使用12位ADS7846芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度、高速的12位數(shù)據(jù)采集和AD轉(zhuǎn)換；在通信方面則采用USB接口。由于USB協(xié)議本身的健壯性可保證簽名數(shù)據(jù)的無(wú)差錯(cuò)高速傳輸，所以本系統(tǒng)的解決方案具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)包括手寫輸入設(shè)備、顯示沒備、信息處理設(shè)備、信息傳輸設(shè)備以及與之相配套的軟件。在整個(gè)系統(tǒng)中，手寫輸入設(shè)備有四線電阻式觸摸屏和觸摸屏控制器，其中觸摸屏控制器應(yīng)能夠采集所書寫的橫縱坐標(biāo)和壓力坐標(biāo)的模擬量，并通過(guò)AD將其轉(zhuǎn)化為12位數(shù)字信息，然后把這些信息通過(guò)觸摸屏控制器的串行口傳送給處理設(shè)備。本系統(tǒng)采用Atmel公司比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的AT89S52單片機(jī)。通過(guò)單片機(jī)將采集到的信息處理后送給顯示系統(tǒng)顯示，然后將信息通過(guò)USB接口實(shí)時(shí)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，以使簽名信息能夠在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1 觸摸屏及其控制器

簽名信息主要是通過(guò)觸摸屏來(lái)獲得的，觸摸屏的種類大致可分為紅外式觸摸屏、電容式觸摸屏、聲表面波式觸摸屏和電阻式觸摸屏。其中電阻式觸摸屏比較適合用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。電阻式觸摸屏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，再蓋有一層玻璃或是外表面經(jīng)過(guò)硬化處理的光滑塑料層，它的內(nèi)表面則涂有一層ITO導(dǎo)電層，塑料層與導(dǎo)電層之間有許多細(xì)小的透明隔離點(diǎn)對(duì)兩導(dǎo)電層進(jìn)行隔離絕緣。每當(dāng)有筆或是手指按下時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)電層就相互接觸，從而形成回路。

ADS7846是美國(guó)Burr-Brown公司推出的新一代電阻式觸摸屏專用控制器。ADS7846是典型的逐步逼近寄存器型A／D變換器，其結(jié)構(gòu)以電容再分布為基礎(chǔ)。芯片包含有取樣／保持功能。ADS7846的引腳與以前的ADS7843的引腳完全兼容，只是增加了片內(nèi)溫度測(cè)量、觸摸壓力測(cè)量和電池電壓測(cè)量三個(gè)功能。ADS7846工作時(shí)，有時(shí)可能需要一個(gè)外部參考（VREF引腳），其中外部參考電壓范圍為1V～+VCC，通過(guò)它可以直接設(shè)定A／D輸入通道的輸入范圍，而其平均基準(zhǔn)輸入電流則取決于變換速率。

2.2 MCU與ADS7846的接口

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將ADS7846的X+，Y+，X-，Y-分別與觸摸屏的X+，Y+。X-，Y-一一對(duì)應(yīng)，而將ADS7846的CS，DCLK，DIN，DOUT，BUSY分別對(duì)應(yīng)AT89S52的P2.1～P2.5腳。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)先將P2.1置成低電平以選中ADS7846。然后再向ADS7846發(fā)送測(cè)量X坐標(biāo)的命令控制字。圖2所示是本系統(tǒng)中MCU與ADS7846的接口電路。

3 USB通信及應(yīng)用程序

3.1 USB接口通信的實(shí)現(xiàn)

USB是一種快速、雙向、低價(jià)且可進(jìn)行熱拔插的新型串行接口技術(shù)。能支持各種PC與外設(shè)之間的連接。目前USB有三種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：USB1.1、USB2.0和USB OTG。本系統(tǒng)使用USB接口的原因不光是它的速度快，而且還在于USB協(xié)議的健壯性，以及傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。一個(gè)USB通信系統(tǒng)包括USB硬件和固件、USB驅(qū)動(dòng)程序、USB應(yīng)用軟件。本系統(tǒng)采用的是USB接口芯片（philips公司的PDIUSBDl2）加8051系列單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法。

USB接口芯片PDIUSBD12符合通用串行總線USB 1.1版規(guī)范，器件中集成了SIE、FIFO存儲(chǔ)器收發(fā)器以及電壓調(diào)整器，PDIUSBD12符合大多數(shù)器件的分類規(guī)格，可與任何外部微控制器／微處理器實(shí)現(xiàn)高速并行接口（2 MB／s），可進(jìn)行完全自治的直接內(nèi)存存取DMA操作。器件中集成了320字節(jié)的多結(jié)構(gòu)FIFO存儲(chǔ)器，主端點(diǎn)的雙緩沖配置可增加數(shù)據(jù)的吞吐量，并可輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，在批量模式和同步模式下，該器件均可實(shí)現(xiàn)1 MB／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。其在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路如圖3所示。

USB固件實(shí)際上就是MCU的程序文件，編寫可采用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言。它不是單純的軟件，而是軟件和硬件的結(jié)合。為了使USB得到最大的傳輸速率，PDIUSBD12的固件可以設(shè)計(jì)成完全中斷模式。當(dāng)USB處理前臺(tái)任務(wù)時(shí)，USB傳輸可以在后臺(tái)進(jìn)行。USB固件從下到上依次為底層的硬件提取層，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)I／O口、數(shù)據(jù)總線等硬件接口的操作；PDIUSBD12命令接口的作用是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)PDIUSBD12器件的操作；而其中斷服務(wù)程序則可在中斷產(chǎn)生時(shí)讀取中斷傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，并設(shè)定事件標(biāo)志；標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序可對(duì)USB的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行請(qǐng)求處理；主循環(huán)程序負(fù)責(zé)發(fā)送USB請(qǐng)求、處理USB總線事件和用戶功能處理等。

3.2 采集數(shù)據(jù)的傳輸格式

采集的簽名信息一般包括書寫時(shí)的橫坐標(biāo)值、縱坐標(biāo)值和壓力坐標(biāo)值，當(dāng)其通過(guò)觸摸控制器芯片后，這些模擬量將被轉(zhuǎn)化為12位數(shù)字量。其坐標(biāo)值的范圍為0～095。每次采集時(shí)，要保存這樣的三個(gè)坐標(biāo)值需要6個(gè)字節(jié)的空間。設(shè)計(jì)時(shí)可以在程序中用一個(gè)靜態(tài)數(shù)組來(lái)存放坐標(biāo)值，圖4所示是所采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式。

在本簽名系統(tǒng)中，每秒鐘采集的點(diǎn)數(shù)對(duì)后續(xù)的簽名識(shí)別過(guò)程十分重要。點(diǎn)數(shù)少了會(huì)漏掉許多重要信息（如斷點(diǎn)信息，峰值信息等），而點(diǎn)采集過(guò)多又會(huì)增加傳輸?shù)臅r(shí)間，從而影響實(shí)時(shí)顯示并增加匹配算法的運(yùn)算量。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外采集系統(tǒng)的分析認(rèn)為：每秒采集200個(gè)點(diǎn)最為適合，即每過(guò)5 ms就采集一次坐標(biāo)值。

由于本系統(tǒng)含有簽名信息的采集過(guò)程，所以在程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在USB主程序中枚舉完后就采集數(shù)據(jù)并將其傳送到USB的端點(diǎn)緩沖器子程序，且這一過(guò)程應(yīng)該在5ms內(nèi)完成。當(dāng)主機(jī)發(fā)來(lái)接收數(shù)據(jù)的命令后，PDIUSBD12應(yīng)把數(shù)據(jù)從緩沖器中發(fā)到PC機(jī)。當(dāng)然，啟動(dòng)和停止采集命令也可以通過(guò)PC機(jī)上的實(shí)時(shí)顯示應(yīng)用程序來(lái)控制，這一控制所需的通信也可通過(guò)USB來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 上位機(jī)應(yīng)用程序編寫

USB應(yīng)用程序可采用VB編寫，設(shè)計(jì)時(shí)把對(duì)USB的訪問做成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，這樣可以節(jié)省程序、提高程序運(yùn)行效率。實(shí)際上，只需要告訴VB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件（DLL）的定位信息和聲明讀寫USB端口的接口函數(shù)，就可以對(duì)USB端口進(jìn)行操作。而在VB中若要訪問動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)則必須把定位信息和函數(shù)聲明放在一個(gè)后綴為bas的模塊中。模塊中的聲明代碼如下：

Public Declare Function ReadData Lib “ C：＼WINDOWS＼system32＼EasyUSB.dll ” - （ByVal pipenum As Integer，recbuffer As Byte，ByVal ilen AsInteger，ByVal waittime As Integer）As Integer

在VB中可以用定時(shí)器控件來(lái)同步接收數(shù)據(jù)，也可以設(shè)置定時(shí)器的Interval屬性，即觸發(fā)定時(shí)器的間隔時(shí)間。當(dāng)每次觸發(fā)時(shí)間到達(dá)時(shí)，就可從USB接口接收數(shù)據(jù)。

簽名的實(shí)時(shí)顯示分為采集坐標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示和簽名筆跡的實(shí)時(shí)顯示，其中采集坐標(biāo)顯示包含橫縱坐標(biāo)和壓力坐標(biāo)的顯示。

簽名坐標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示可以用TextBox文本框控件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但要用一個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)Str （）負(fù)責(zé)把采集到的整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串類型，這樣就可以直接在文本框顯示了。

簽名筆跡的實(shí)時(shí)顯示稍微復(fù)雜一點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)方法是采用畫線函數(shù)法，即當(dāng)知道了兩個(gè)點(diǎn)時(shí)就可以根據(jù)這兩個(gè)點(diǎn)畫線。每采集并接收到一個(gè)點(diǎn)時(shí)，就執(zhí)行一次畫線函數(shù)，以把當(dāng)前的點(diǎn)和前一個(gè)點(diǎn)相連。這樣，當(dāng)你簽名的時(shí)候，畫線函數(shù)就會(huì)把你的書寫筆跡呈現(xiàn)出來(lái)。

在進(jìn)行畫線時(shí)還要考慮干擾問題。由于液晶顯示對(duì)簽名采集芯片有一定的影響，因而可能造成采集數(shù)據(jù)的抖動(dòng)，有時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)非點(diǎn)（即本次采集到的值與前次和后一次的采集值相差較大），本設(shè)計(jì)雖然在系統(tǒng)硬件上做了一些抗干擾措施（比如加裝濾波電容等），但效果不是很明顯。

后經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)軟件去抖方法可以實(shí)現(xiàn)筆跡的平滑顯示。具體去抖可從以下兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：第一是把兩點(diǎn)之間的連線改為每四個(gè)點(diǎn)連一次，并把采集到的四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值取平均值，從而緩解坐標(biāo)值的抖動(dòng)；第二是設(shè)定一個(gè)域值，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)之間的坐標(biāo)絕對(duì)值之差不在該域值范圍內(nèi)時(shí)，即判定該點(diǎn)為非點(diǎn)，而不對(duì)該坐標(biāo)值進(jìn)行任何操作，直接舍棄。通過(guò)以上兩個(gè)方面的措施可以去掉大多數(shù)的非點(diǎn)和抖動(dòng)點(diǎn)，使曲線變得更加平滑。

圖5所顯示的是抗干擾處理前后所采集到的簽名，圖中箭頭處即為受干擾的筆劃。

簽名筆跡實(shí)時(shí)顯示的算法流程圖如圖6所示。

圖7給出了VB應(yīng)用程序下的實(shí)時(shí)顯示界面。

4 結(jié)束語(yǔ)

本在線簽名系統(tǒng)使用ADS7846實(shí)現(xiàn)了高速和高精度的數(shù)據(jù)采集，該芯片不僅能采集簽名的橫縱坐標(biāo)，還能采集壓力坐標(biāo)，從而豐富了在線簽名系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)簽名信息，為以后的簽名識(shí)別提供了更多的判斷依據(jù)。本在線簽名識(shí)別系統(tǒng)中采用USB接口來(lái)解決動(dòng)態(tài)信息的采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。該方案可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地將采集到的簽名數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)傳輸信息的速度大于1Mbps，能夠很好的滿足系統(tǒng)的要求；同時(shí)由VB編寫的人機(jī)界面還可實(shí)現(xiàn)簽名的再現(xiàn)。

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