基于ARM9處理器的嵌入式指紋識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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2 指紋傳感器與處理器的接口設(shè)計(jì)
2.1 指紋采集器件的選擇
考慮到產(chǎn)品價(jià)格的因素和所需精度的要求，本系統(tǒng)選擇了FPS200 指紋傳感器。FPS200 是Veridicom公司推出的第三代半導(dǎo)體指紋傳感器，是一款專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高性能、低功耗、低價(jià)格指紋傳感器。FPS200可以輕易地集成到各種設(shè)備中， 如便攜式電腦、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、移動電話等。FPS200基于電容器充放電原理， 它由300行和256列電容陣列組成， 傳感陣列的每一點(diǎn)都是一個(gè)金屬電極， 可充當(dāng)電容器的一極， 手指按在傳感接觸面上的對應(yīng)點(diǎn)則作為另一極， 傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷會導(dǎo)致各點(diǎn)的電容值不同， 因此， 這個(gè)電容值陣列就形成了一幅指紋圖像。FPS200是面向行的器件， 即每次可獲得一行圖像， 每列接有兩個(gè)采樣保持電路， 當(dāng)選定一行后， 對此行的所有電容充電至VDD， 而在充電結(jié)束時(shí)， 第一組采樣保持電路將保存該電壓值。然后， 該行電容將被放電， 經(jīng)過一定的放電時(shí)間后， 另一組采樣保持電路將保存剩余電壓值。兩組采樣保持電路的電壓值之差正比于電容值， 這樣， 將其數(shù)字化即可表示該行的指紋圖像。FPS200的放電電流和放電時(shí)間可分別由寄存器DCR、DTR的值來設(shè)定。
FPS200在待命模式下的操作電流小于20μA， 故可在移動設(shè)備的應(yīng)用中節(jié)約電池的消耗， 延長電池壽命。此外， FPS200還有手指自動檢測電路(AFD)， 當(dāng)有手指按在傳感器表面時(shí)， 系統(tǒng)將向主機(jī)發(fā)送一個(gè)中斷信號。自動檢測電路允許主機(jī)在沒有指紋時(shí)處在低功耗待命模式， 只有當(dāng)有手指時(shí)才喚醒主機(jī)進(jìn)行處理， 從而節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。FPS200的圖像搜索功能則可通過改變電容陣列的參數(shù)值來在1秒種內(nèi)掃描多幅指紋圖像并自動選擇最好的一幅。
2.2 指紋圖像的采集方式
FPS200有三種總線接口： USB接口、微處理器總線(MCU) 接口和串行外設(shè)接口(SPI)。使用時(shí)可由模式選擇管腳MODE [1:0] 確定其所處的工作模式。
在MCU接口模式， 通過自動增加行列地址寄存器的值以及模數(shù)轉(zhuǎn)換的路徑優(yōu)化功能， 可使FPS200內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)8位微處理器總線的性能大大加強(qiáng)， 其圖像傳輸速度可達(dá)到30幀/秒， 故可以滿足連續(xù)指紋圖像的采集和比對。
在SPI接口模式， FPS200傳感器可通過其內(nèi)置的SPI接口來減小FPS200對硬件的依賴， 這樣，系統(tǒng)只需6條線就可以與帶SPI接口的微處理器相連接。在SPI模式下， FPS200的圖像傳輸速度為10幀/秒。
而在USB接口模式下， 由于FPS200內(nèi)置有高速USB核電路， 其外部不再需要其它USB控制器，因而可作為標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備來使用。在USB模式下， FPS200的圖像傳輸速度為13幀/秒。
本設(shè)計(jì)選用SPI接口， 其FPS200與ARM處理器的連線圖如圖2所示。
FPS200與ARM的連線圖
圖2 FPS200與ARM的連線圖。
FPS200的一些狀態(tài)寄存器(如DTR、DCR、PGC、THR等) 需要在進(jìn)行指紋采集之前被初始化。FPS200共有19個(gè)寄存器， 其中控制寄存器C(CTRLC) 主要負(fù)責(zé)時(shí)鐘輸出， 端口P0和Pl在使用中無需考慮。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件主程序流程圖如圖3所示。
系統(tǒng)軟件主程序流程圖
圖3 系統(tǒng)軟件主程序流程圖。
一般情況下， 系統(tǒng)上電后， 都要對整個(gè)采集系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作， 包括微處理器系統(tǒng)的初始化以及目標(biāo)板上外設(shè)的初始化， 以對它們的參數(shù)進(jìn)行配置。初始化完成后， 就可以開始檢測傳感器上是否有手指， 如果有， 則進(jìn)行指紋圖像的采集， 采集完成后， 再對這枚指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理。若這枚指紋圖像采集的質(zhì)量比較好， 則將數(shù)據(jù)上傳； 如果采集的圖像質(zhì)量很差， 則重新采集指紋數(shù)據(jù)。
指紋圖像的采集是在中斷程序中開始的， 當(dāng)指紋傳感器上沒有手指時(shí)， 系統(tǒng)將進(jìn)入省電模式。通過指紋傳感器FPS200的手指自動檢測中斷可喚醒系統(tǒng)， 并進(jìn)行一次指紋圖像的采集、預(yù)處理和數(shù)據(jù)上傳。完成后再將進(jìn)入省電模式， 并等待下一次的手指中斷采集。ARM中的主程序很簡潔， 因?yàn)橹饕牟僮鞫加芍袛嗤瓿?。手指檢測由指紋傳感器FPS200的自動手指檢測中斷來完成，當(dāng)檢測到有手指后， 即可開始對這枚指紋的處理工作。
系統(tǒng)初始化完成后， 系統(tǒng)將對手指是否安放在指紋傳感器上進(jìn)行檢測， 若傳感器上有手指，則進(jìn)行一次指紋采集及相應(yīng)的處理， 然后等待下一次指紋數(shù)據(jù)的采集。實(shí)際上， 指紋的采集和指紋數(shù)據(jù)的上傳都是由中斷過程完成的， 所以， 整個(gè)系統(tǒng)的主程序流程比較簡潔。
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