基于DSP的指紋采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

在各種生物識(shí)別技術(shù)中，指紋識(shí)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(shí)別系統(tǒng)中的一個(gè)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(gè)重要的研究課題。指紋圖像的采集是自動(dòng)指紋識(shí)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(shí)別率，減小拒識(shí)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(dòng)指紋識(shí)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(gè)像素點(diǎn)上有一個(gè)金屬電極，手指皮膚是另一個(gè)電極，兩者之間形成了電容C_P。手指皮膚上的脊（ridge）和谷（valley）將產(chǎn)生不同的C_P。由于C_P很小，無法直接測量，所以使用以下方法：先以一固定時(shí)間對(duì)C_P充電（SW1關(guān)且SA2開），接著以一固定時(shí)間對(duì)C_P放電（SW1開且SW2關(guān)），放出的電能將轉(zhuǎn)儲(chǔ)到C_c中。每一次充電放電周期中，由于充電電壓相同，充電時(shí)間相同，所以不同的C_P值將導(dǎo)致C_P存儲(chǔ)不同的電能。這些電能在C_P放電時(shí)將轉(zhuǎn)儲(chǔ)到C_c中導(dǎo)致C_c電壓的增高。所以C_P值的不同將導(dǎo)致一次充電放電周期結(jié)束后C_c電壓增高值的不同（成正比），最后將導(dǎo)致C_c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C_P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(gè)采樣—保持電路與之相聯(lián)系。采集一個(gè)指紋圖像時(shí)獲取一行數(shù)據(jù)，而此過程共有兩個(gè)階段。第一階段，傳感器電極中被選擇的行預(yù)充電到V_DD電平，一個(gè)內(nèi)部信號(hào)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(gè)單元的放電率跟“放電電流”成比例。經(jīng)過一段時(shí)間（即“放電時(shí)間”）后，一個(gè)內(nèi)部信號(hào)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(duì)行中的每個(gè)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(shí)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(shí)間由放電時(shí)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(shí)，電容會(huì)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(gè)8位數(shù)字量輸出，這種檢測方法對(duì)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(gè)金屬電極均作為電容的一個(gè)極，與之接觸的手指則是電容的另一個(gè)極。在器件表面有一層鈍化層，作為電容兩個(gè)電極間的電介質(zhì)層。將手指置于傳感器上時(shí)，指紋上的凸起和凹進(jìn)會(huì)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(jì)

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(chǔ)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(shí)，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(chǔ)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(chǔ)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(shí)所需要的臨時(shí)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(duì)DSP的數(shù)據(jù)空間進(jìn)行分時(shí)尋址；②產(chǎn)生系統(tǒng)中各個(gè)芯片的片選信號(hào)；③產(chǎn)生系統(tǒng)中各個(gè)芯片的讀寫信號(hào)。

數(shù)據(jù)通信部分：該部分設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)40位的算術(shù)邏輯單元（包括一個(gè)40位的桶式移位寄存器和兩個(gè)獨(dú)立的40位累加器），一個(gè)17×17的乘法器和一個(gè)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。

2 存儲(chǔ)器電路的設(shè)計(jì)

通常一個(gè)DSP系統(tǒng)除了DSP芯片之外，還需要外部存儲(chǔ)器。外部存儲(chǔ)器一般有兩種，即存儲(chǔ)程序和固定數(shù)據(jù)的EPROM和可讀寫的快速RAM。本系統(tǒng)采用的存儲(chǔ)器為CY7C1041，是一款256K×16bit的靜態(tài)RAM。從接口方式考慮，外部存儲(chǔ)器分為串口存儲(chǔ)器和并口存儲(chǔ)器2種。在DSP系統(tǒng)中，由于要求高速交換數(shù)據(jù)，一般都采用并口存儲(chǔ)器。

由DSP的程序空間選擇信號(hào)PS作為外部程序存儲(chǔ)器的片選線，讀寫線R/W作為外部存儲(chǔ)器的讀寫控制線，存儲(chǔ)器選通信號(hào)MSTRB作為外部程序存儲(chǔ)器的使能線，地址線A0～A17作為地址線尋址256K×16程序存儲(chǔ)空間。在DSP與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的接口中，讀寫線R/W作為外部存儲(chǔ)器的讀寫控制線，由數(shù)據(jù)空間選擇信號(hào)DS作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的片選信號(hào)，存儲(chǔ)器選通線MSTRB作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的使能線，因?yàn)镃54XX系列DSP地址線只有A0～A15才能作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/0口尋址，所以要尋址空間超過64KB，必須擴(kuò)展地址線。

3 DSP與FPS200的接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)TMS320VC5402與指紋傳感器FPS200的接口實(shí)現(xiàn)采用微處理器接口模式，其接口形式非常簡單。需要說明的是，在該芯片中，地址選擇與數(shù)據(jù)寫入是分兩步完成的，先通過A0置0來寫地址索引寄存器，然后再對(duì)A0置1來讀寫對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)寄存器。

指紋傳感器通過目錄地址表去選擇它的功能寄存器。芯片內(nèi)有8位數(shù)據(jù)線（D[7:0]）和一個(gè)地址選擇線（A0）。此地址線用來選擇目錄寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。若A0為低，則選中目錄地址；若A0為高，則通過目錄地址選中數(shù)據(jù)寄存器，而目錄寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)保持原值，直至被重寫或者芯片復(fù)位。

芯片有四個(gè)控制輸入引腳：RD、WR、CS0、CS1。若使CS0為低且CS1為高，則選中芯片，數(shù)據(jù)被鎖存在寫（WR）的上升邊緣。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件實(shí)現(xiàn)包括兩大部分，一是指紋數(shù)據(jù)采集控制部分，二是指紋數(shù)據(jù)通信傳輸部分。

指紋數(shù)據(jù)采集控制部分是使用C語言實(shí)現(xiàn)，而指紋數(shù)據(jù)傳輸采用C/C++語言實(shí)現(xiàn)，之后調(diào)用TMS320VC5402 C編譯器將其編譯成匯編語言，然后再送TMS320VC5402匯編器進(jìn)行匯編。

圖3 CCS環(huán)境下的程序開發(fā)流程

本系統(tǒng)的指紋圖像采集工作是由DSP來控制FPS200指紋傳感器進(jìn)行的，基于DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS2.0下的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

結(jié)語

本系統(tǒng)將DSP技術(shù)引入指紋采集領(lǐng)域，這些器件比傳統(tǒng)的單片機(jī)、分立元件不僅在可靠性、處理速度、穩(wěn)定性上大大提高，而且使得設(shè)計(jì)的板卡體積大大減小，功耗大大降低，為指紋技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域創(chuàng)造了有利條件。