基于心音信号分析的嵌入式身份识别系统开发

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现代社会,随着交通、通讯和网络技术的飞速发展,人类的活动范围越来越大,身份识别的难度和重要性也越来越突出,对人类自身身份识别的准确性、安全性与实用性提出了更高的要求。所谓生物识别技术是指通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合,利用人体固有的生理特性和行为特征进行个人身份鉴定的技术。传统意义上的生物识别技术如指纹、虹膜、掌纹、语音等在实际应用中虽然取得了成功,但都面临着安全问题——使用者的身份易被仿冒,因此需要新的技术来克服这种不安全性和不可靠性。心音是来自于人体内部的内源性生理信号,所具有的独特生理特征使其有望成为新型身份识别方法之一。本文研究开发基于心音信号分析的嵌入式身份识别系统。在心音信号预处理、特征提取及匹配识别等关键技术领域研究基础上,重点设计了心音身份识别嵌入式系统的软硬件平台,开发心音身份识别软件,实现嵌入式心音身份识别系统。主要研究内容如下:(1)研究心音信号用于身份识别的原理及其时频域特性,回顾了心音身份识别的历史和国内外的研究现状。(2)提出了心音信号的小波包变换倒谱系数(Wavelet Package Cepstrum Coefficients,WPCC)特征参数提取方法,结合矢量量化生成稳定的表征个人身份的心音码本,并在LabVIEW平台上编程实现。(3)设计嵌入式心音身份识别系统的上下位机,下位机包括心音拾音头、有源滤波放大电路、主放大电路、dsPIC主控单元电路、HC-06蓝牙发送电路以及电源电路,上位机包括HC-06蓝牙接收电平转换电路、工控主板和液晶屏。下位机采集心音信号,对其进行滤波放大,经过AD转换后实现蓝牙无线传输;上位机接收心音信号,负责人机交互和识别算法处理,实现心音身份的有效识别。(4)基于LabVIEW设计心音身份识别软件,结合MicrosoftAccess2007构建心音数据库,实现信号采集、用户注册、用户辨识和系统设置的功能,生成安装文件,实现在嵌入式平台上的无缝移植。(5)开发Windows Embedded Standard嵌入式操作系统,实现系统功能定制、驱动定制和启动定制,搭载基于LabVIEW设计的心音身份识别软件,灵活方便的实现基于心音信号的身份识别。本文的研究提供了一种准确率高、防伪能力强的生物识别新设备,可以为当前社会所面临的各种身份鉴定和信息安全问题提供较为理想的解决方案。
摘要第5-6页
ABSTRACT第6-7页
第1章 绪论第11-20页
    1.1 研究背景第11-13页
    1.2 心音信号身份识别原理第13-16页
    1.3 国内外研究现状和发展趋势第16-18页
    1.4 本文研究内容及创新点第18-19页
    1.5 论文章节安排第19-20页
第2章 心音身份识别算法设计第20-38页
    2.1 算法开发平台 第21页
    2.2 心音信号预处理 第21-26页
    2.3 WPCC 特征参数提取第26-32页
        2.3.1 小波包理论基础第26-27页
        2.3.2 小波包分解与重构第27-29页
        2.3.3 WPCC 特征提取第29-31页
        2.3.4 算法实现第31-32页
    2.4 矢量量化第32-35页
        2.4.1 基本概念第32页
        2.4.2 LBG 算法第32-34页
        2.4.3 算法实现第34-35页
    2.5 实验结果分析第35-37页
    2.6 本章小结第37-38页
第3章 硬件系统设计第38-50页
    3.1 心音拾音头第38-39页
        3.1.1 心音传感器选择第38-39页
        3.1.2 自制心音拾音头第39页
    3.2 有源滤波放大电路第39-42页
        3.2.1 偏置电压电路第40-41页
        3.2.2 高通滤波器设计第41-42页
        3.2.3 低通滤波器设计第42页
    3.3 主放大电路第42-43页
    3.4 dsPIC 电路设计第43-48页
        3.4.1 预处理电路第44-45页
        3.4.2 AD 转换第45页
        3.4.3 晶振电路第45-46页
        3.4.4 按键电路第46页
        3.4.5 HC-06 蓝牙发送电路第46-47页
        3.4.6 电源电路第47-48页
    3.5 HC-06 蓝牙接收和电平转换电路第48页
    3.6 工控主板及液晶显示屏第48-49页
    3.7 本章小结第49-50页
第4章 心音身份识别软件实现第50-59页
    4.1 软件设计框架第50-51页
    4.2 用户注册第51-55页
        4.2.1 基本信息注册第51-52页
        4.2.2 心音信号注册第52-55页
    4.3 用户辨识第55-56页
    4.4 系统设置第56-57页
    4.5 前面板设计第57页
    4.6 应用程序发布第57-58页
    4.7 本章小结第58-59页
第5章 嵌入式系统构建第59-69页
    5.1 嵌入式系统描述第59页
    5.2 嵌入式系统选取第59-60页
        5.2.1 硬件平台第59-60页
        5.2.2 操作系统第60页
    5.3 构建 WES 操作系统第60-64页
        5.3.1 开发工具介绍第61页
        5.3.2 开发流程第61-64页
    5.4 驱动定制第64-66页
    5.5 启动定制第66-68页
        5.5.1 Shell 组件 第66-67页
        5.5.2 EWF 组件第67-68页
    5.6 本章小结第68-69页
第6章 系统功能测试第69-74页
    6.1 系统调试第69-71页
    6.2 系统运行第71-73页
        6.2.1 用户注册第72页
        6.2.2 用户辨识第72-73页
        6.2.3 系统设置第73页
    6.3 本章小结第73-74页
第7章 总结与展望第74-76页
    7.1 工作总结第74页
    7.2 后续工作展望第74-76页
致谢第76-77页
参考文献第77-80页
附录第80页
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