基于A(yíng)DS7846動(dòng)態(tài)簽名認證的數據采集和預處理

　　摘要：在線(xiàn)動(dòng)態(tài)簽名認證越來(lái)截止多地運用于各種領(lǐng)域，尤其適用于銀行金融系統以及個(gè)人身份識別等，而作為在線(xiàn)簽名認證的基礎—筆跡的數據以及預處理，對后續認證的準確性尤為重要。本文著(zhù)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(shí)現對在線(xiàn)筆跡，包括壓力在內的三維數據采集，并對采集的數據進(jìn)行預處理。

    關(guān)鍵詞：AT89C51 觸摸屏控制器 ADS7846 動(dòng)態(tài)簽名 數據采集 預處理

　　由于觸摸屏輸入方便、輕薄、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的電子產(chǎn)品用觸摸屏作為人機界面的輸入設備。在動(dòng)態(tài)簽名認證中，亦采用觸摸屏作為輸入設備對筆跡進(jìn)行數據采集。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(shí)現三維數據的采集。

　　系統主要由四線(xiàn)電阻式觸摸屏、觸摸屏控制器ADS7846、單片機89S51以及相應軟件程序組成。系統框圖如圖1所示。

1 四線(xiàn)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；內表面也涂有一層ITO導電層。它們之間有許多細小的透明隔離點(diǎn)把兩導電層隔開(kāi)絕緣，每當有筆或是手指按下時(shí)，兩導電層就相互接觸。而形成電路，如圖2所示。

　　導電層的兩端都涂有一條銀膠，稱(chēng)為該工作面的一對電極。上下兩個(gè)導電層一個(gè)是水平方向，一個(gè)是豎直方向，分別用來(lái)測量X和Y的坐標位置。在水平面上的電極稱(chēng)為X+電極和X-電極，在豎直平面的電極稱(chēng)為Y+電極和Y-電極，如圖3所示。工作時(shí)，兩個(gè)電極根據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。當測量接觸點(diǎn)X坐標的時(shí)候，導電層上的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(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(guò)A/D轉換，就可對應地判斷出接觸點(diǎn)的X坐標。Y坐標亦是類(lèi)似，只需改成對Y電極加電壓而X電極不加電壓即可。

　　X坐標和Y坐標的計算公式為

　　其中VREF為加在A(yíng)DS7846內部A/D轉換器上的參考電壓，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導電膜的電導率公式為ρ=ρ0（1+3λ0/d）(d為導電膜的厚度)，即ITO電導率和ITO導電膜的厚度成反比。觸摸的壓力越大，接觸點(diǎn)的ITO導電膜就越薄，相應的電導率就大、電阻越小。所以，觸摸壓力的測量實(shí)質(zhì)是測量接觸ITO導電膜的電阻值。

2 觸摸屏控制芯片ADS7846

　　ADS7846是Burn-Brown公司生產(chǎn)的專(zhuān)門(mén)用于四線(xiàn)電阻觸摸屏數模轉換芯片，內部有一個(gè)多通道的模擬開(kāi)關(guān)組成的測量電路網(wǎng)絡(luò )和12位的A/D轉換器。工作時(shí)，ADS7846根據數據輸入口DIN收到不同的命令字打開(kāi)相應的開(kāi)關(guān)通道，并接受返回的模擬電壓，通過(guò)A/D轉換得出對應的數字量，再通過(guò)DOUT傳回單片機。

　　S是開(kāi)始標志位，只有S位為高時(shí)ADS7846才開(kāi)始接收命令字。A0、A1、A2是通道選擇，根據測量的需要而改變，MODE選擇是8位還是12位的A/D轉換，根據實(shí)際要求在此選擇了12位的A/D轉換。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(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是用來(lái)控制內部參考電壓和模數轉換器的開(kāi)關(guān)。

3 單片機AT89S51與ADS7846的數據通信

（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(gè)主要功能：①可以通過(guò)數據下載線(xiàn)進(jìn)行在線(xiàn)編程下載，使程序的寫(xiě)入更加方便簡(jiǎn)捷；②工作晶振可以達到33MHz，提高了運行速度；③新增了看門(mén)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(guò)單片機的I/O口與ADS7846的CLK、CS、DOUT、DIN、BUSY五個(gè)引腳進(jìn)行。CLK是ADS7846的工作脈沖，CS是ADS7846的片選信號，DOUT是數據輸出，DIN是數據輸入，BUSY是轉換判斷位。當系統工作時(shí)，單片機首先通過(guò)片選信號選中ADS7846，再通過(guò)DIN向ADS7846發(fā)送命令控制字數據，并通過(guò)CLK引腳配以相應的時(shí)序脈沖。BUSY位被置位后，通過(guò)DOUT數據輸出口獲取12位轉換結果。

　　由于要求系統能采集包括X坐標、Y坐標和壓力在內的三維數據，所以，先送打開(kāi)測量X通道的命令字，返回得到的數字值即為X坐標，再送打開(kāi)測量Y通道的命令字，得到的值為Y坐標。再依次得到Z1、Z2的值，通過(guò)轉換公式

　　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有關(guān)；是開(kāi)始得到的X坐標值。

　　程序流程如圖4所示。

　　值得一提的是，Z1、Z2仍然是轉換后的12位A/D轉換的數字值，但通過(guò)轉換公式得到的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。根據實(shí)際要求，利用定時(shí)器設定采樣的時(shí)間為10ms，即1s采樣100個(gè)點(diǎn)。采集的數據通過(guò)USB接口送到PC機保存，以供后續匹配處理。同時(shí)，采集的數據可以通過(guò)液晶屏顯示，以便書(shū)寫(xiě)時(shí)觀(guān)察。

4 觸摸屏的初始化標定

　　由于觸摸屏的一些邊緣部分是無(wú)效的觸摸區域，所以，實(shí)際轉換出來(lái)的X坐標和Y坐標并不是從0到4095的，因此要進(jìn)行初始化標定，通過(guò)轉換公式使其在0到4095整個(gè)區間線(xiàn)性化。X坐標值的轉換公式為X=（X-Xmin）