基于DSP的指紋采集系統(tǒng)的研究

在各種生物識別技術(shù)中，指紋識別技術(shù)是最成熟、準(zhǔn)確和最易使用的。而指紋采集作為指紋識別系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)也越來越受到人們的重視，高質(zhì)量的指紋采集技術(shù)已成為一個重要的研究課題。指紋圖像的采集是自動指紋識別系統(tǒng)（AFIS-Automation Fingerprint Identification System）的重要組成部分，采集到的指紋圖像的質(zhì)量好壞，直接影響到后續(xù)的指紋圖像處理過程。高質(zhì)量的指紋圖像可以大大簡化指紋圖像處理的算法，提高識別率，減小拒識率。

隨著新型半導(dǎo)體指紋采集傳感器件和DSP，CPLD技術(shù)的發(fā)展，自動指紋識別技術(shù)正向著小型化和嵌入式的方向發(fā)展。本文介紹的就是基于DSP的指紋采集系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的原理
本系統(tǒng)中的指紋傳感器采用FPS200固態(tài)指紋芯片，其成像原理如圖1所示。由圖1可以看出，一個像素點(diǎn)上有一個金屬電極，手指皮膚是另一個電極，兩者之間形成了電容CP。手指皮膚上的脊（ridge）和谷（valley）將產(chǎn)生不同的CP。由于CP很小，無法直接測量，所以使用以下方法：先以一固定時間對CP充電（SW1關(guān)且SA2開），接著以一固定時間對CP放電（SW1開且SW2關(guān)），放出的電能將轉(zhuǎn)儲到Cc中。每一次充電放電周期中，由于充電電壓相同，充電時間相同，所以不同的CP值將導(dǎo)致CP存儲不同的電能。這些電能在CP放電時將轉(zhuǎn)儲到Cc中導(dǎo)致Cc電壓的增高。所以CP值的不同將導(dǎo)致一次充電放電周期結(jié)束后Cc電壓增高值的不同（成正比），最后將導(dǎo)致Cc電壓增高到參考電壓所需的充電放電周期次數(shù)的不同（成反比），這樣就可以通過充電放電周期次數(shù)來測量CP了。

圖1 FPS200指紋成像原理

傳感器陣列包括256列×300行的傳感器電極，每一列都有兩個采樣—保持電路與之相聯(lián)系。采集一個指紋圖像時獲取一行數(shù)據(jù)，而此過程共有兩個階段。第一階段，傳感器電極中被選擇的行預(yù)充電到VDD電平，一個內(nèi)部信號允許第一采樣—保持電路集合保存預(yù)充電行的電平。第二階段，行傳感器電極以一定電流放電，每個單元的放電率跟“放電電流”成比例。經(jīng)過一段時間（即“放電時間”）后，一個內(nèi)部信號允許第二采樣——保持電路集合保存最終電極的電平。預(yù)充電與放電后的電極電平之間的差別在于傳感器電容量。行獲取結(jié)束后，就可以對行中的每個單元進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換了。芯片的敏感度可以通過調(diào)整放電時間與放電電流來控制；電流源的參考值由外接于ISET和地之間的電阻來決定，其由放電電流寄存器（DCR）控制；放電時間由放電時間寄存器（DTR）控制。

當(dāng)指紋中的凸起部分置于傳感電容像素電極上時，電容會有所增加，通過檢測增加的電容就能進(jìn)行指紋采集。傳感器中的像素點(diǎn)大小為45μm2，間隔為50μm，像素陣列的分辨率略高于500dpi，基于一種標(biāo)準(zhǔn)的單一多晶硅三層金屬0.5μm CMOS工藝。

處于指紋的凸起下的像素（電容量高）放電較慢，而處于指紋的凹處下的像素（電容量低）放電較快。這種不同的放電率可通過采樣保持（S/H）電路檢測并轉(zhuǎn)換成一個8位數(shù)字量輸出，這種檢測方法對指紋凸起和低凹具有較高的敏感性，并可形成非常好的原始指紋圖像。指紋圖像依次進(jìn)行逐行采集，每個金屬電極均作為電容的一個極，與之接觸的手指則是電容的另一個極。在器件表面有一層鈍化層，作為電容兩個電極間的電介質(zhì)層。將手指置于傳感器上時，指紋上的凸起和凹進(jìn)會在陣列上產(chǎn)生不同的電容值，并構(gòu)成用于認(rèn)證的一整幅圖像。
　　
系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)的工作主要由以下部分構(gòu)成：指紋圖像采集部分、程序與數(shù)據(jù)存儲部分、全局邏輯控制部分以及數(shù)據(jù)通信部分。

指紋圖像采集部分：系統(tǒng)利用軟件查詢方式來判斷是否進(jìn)行指紋的采集。當(dāng)進(jìn)行指紋采集時，指紋傳感芯片按照設(shè)定的參數(shù)采集指紋并將模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，然后在DSP的控制下將數(shù)據(jù)存儲在外部數(shù)據(jù)空間中，等待進(jìn)行下一步的處理。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖

程序與數(shù)據(jù)存儲部分：此部分由SRAM和DSP片內(nèi)DARAM構(gòu)成，SRAM用于存放指紋圖像并提供程序運(yùn)行時所需要的臨時數(shù)據(jù)空間。
全局邏輯控制部分：此部分由CPLD來完成，實(shí)現(xiàn)以下三方面的功能：①對DSP的數(shù)據(jù)空間進(jìn)行分時尋址；②產(chǎn)生系統(tǒng)中各個芯片的片選信號；③產(chǎn)生系統(tǒng)中各個芯片的讀寫信號。

數(shù)據(jù)通信部分：該部分設(shè)計了串口通信以及USB通信兩種模式，均可以單獨(dú)工作。串口通信采用的是TI公司的異步串行收發(fā)芯片TL16C550，配合一片MAX232即可實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與目標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通信；USB通信部分采用了南京沁恒電子公司的USB通信芯片CH375。

1 TMS320VC5402芯片
TMS320VC5402具有優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有1個 40位的算術(shù)邏輯單元（包括一個40位的桶式移位寄存器和兩個獨(dú)立的40位累加器），一個17×17的乘法器和一個40位專用加法器，16K×16bit RAM空間和4K×16bit ROM空間；共20根地址線，可尋址64K×16bit數(shù)據(jù)區(qū)和1M×16bit程序區(qū)，具有64K I/O空間；處理速度為100MIPS，速度高、功耗低。