基于ARM的指紋采集儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
在個(gè)人身份識(shí)別領(lǐng)域，指紋識(shí)別作為目前最為成熟的生物識(shí)別技術(shù)之一，成為很多應(yīng)用場(chǎng)合的首選。和PC環(huán)境相比，嵌入式系統(tǒng)有著體積小，功耗低的特點(diǎn)，由于功能相對(duì)專一，在穩(wěn)定性，可靠性和安全性上有一定優(yōu)勢(shì)。所以現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)不僅應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備上，而且在固定場(chǎng)合的身份識(shí)別系統(tǒng)也被越來越多的采用。
WinCE．Net嵌入式操作系統(tǒng)是微軟公司推出的一種全新開發(fā)的操作系統(tǒng)，具備搶先式多任務(wù)功能以及強(qiáng)大的通訊能力，專門應(yīng)用在信息設(shè)備，移動(dòng)應(yīng)用，消費(fèi)類電子產(chǎn)品以及嵌入式應(yīng)用等非PC領(lǐng)域，目前已經(jīng)發(fā)展到5．0版本。本文涉及的指紋采集設(shè)備工作在以ARM920T為內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)上。設(shè)計(jì)這套系統(tǒng)的目的是進(jìn)行便攜式指紋識(shí)別儀器應(yīng)用研究，并提供一個(gè)指紋識(shí)別算法平臺(tái)。
2 指紋采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)采用嵌入式32位ARM器件S3C2440作為主控CPU，由指紋圖像的采集模塊，核心處理模塊，RAM，EEP一ROM，外部存儲(chǔ)器，LCD顯示模塊，接口模塊7個(gè)部分組成。圖l給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
2．1 指紋采集模塊
現(xiàn)有的光學(xué)傳感器的體積都較大，成像結(jié)果要經(jīng)過變換才可以使用。該采集系統(tǒng)采用Veridicom公司的FPS200固體指紋識(shí)別傳感器設(shè)計(jì)而成。FPs200是一種性能優(yōu)越，功耗低，價(jià)格便宜的指紋識(shí)別傳感器。由于其特殊的EDS保護(hù)，特別窄小的物理尺寸，以及獨(dú)特的省電特性，使傳感器尤其適合嵌入式系統(tǒng)使用。主要原理是，在指紋圖像感知區(qū)域集成了二維金屬電極陣列，每根電極充當(dāng)電容一極，在傳感器表面，二極之間有一層鈍化層作為電容的介電層。由于指紋的脊和谷與傳感器接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的電容值，測(cè)量這些不同的數(shù)值即形成圖像。
與同類產(chǎn)品相比，F(xiàn)PS200的性能特點(diǎn)如下：
(1)支持多接口模式。FPS200有3種接口模式，8位的系統(tǒng)總線接口，集成全速的USB接口和集成的串行外設(shè)接口，使芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)更加靈活。芯片集成USB控制器，大大減少了USB電路設(shè)計(jì)的工作量，同時(shí)USB接口協(xié)議支持更高的傳輸速率；
(2)自動(dòng)指紋檢測(cè)功能。FPS200可自動(dòng)檢測(cè)手指是否放在傳感器上，如果有，則進(jìn)入工作狀態(tài)；否則，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此設(shè)計(jì)不需輪詢檢測(cè)指紋，提高了芯片的丁作效率；
(3)FPS200內(nèi)部包括一個(gè)新的二階的A／D轉(zhuǎn)換器，功耗低(75％)；FPS200傳感器單元間距變小，提高了傳感器陣列的機(jī)械強(qiáng)度。
系統(tǒng)采用USB接口模式，設(shè)計(jì)中請(qǐng)注意：①FPS200的工作電壓是3.3~3．6 V，而USB的供電電壓是5 V，所以要用電壓轉(zhuǎn)換芯片實(shí)施電壓轉(zhuǎn)換；②FPS200通過MODEl和MODEO 2個(gè)引腳來實(shí)現(xiàn)接口模式的選擇。在USB接口模式下，將微處理器接口模式和SPI予以屏蔽。此時(shí)MODE[1：0]=l0b，采用FPS200內(nèi)部ROM；其他部分引腳CS0,CSl，MOSI，MOSO被屏蔽，引腳懸空；XTAL1與XTAL2之間接12MHz晶體電路；FPS200內(nèi)部的多頻振蕩器不工作。圖2給出FPS200傳感器和系統(tǒng)的連接電路。
2．2 數(shù)據(jù)處理與顯示
系統(tǒng)微處理器模塊采用ARM2440開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Samsung公司的ARM處理器S3C2440，由6層板設(shè)計(jì)。該開發(fā)系統(tǒng)在盡可能小的面板上(120mmx90mm)集成64MBSDRAM,64MB NAND Flash，lMB B00T Flash，RJ一45 網(wǎng)卡，音頻輸入和輸出，USB Host，USB Slave，標(biāo)準(zhǔn)串口，SD卡插座等設(shè)備接口，支持LCD／STN液品屏接口，可以接各種單色，偽彩，真彩液晶屏，并含有觸摸屏接口。通過預(yù)留的USB口可實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)盤或者PC機(jī)硬盤中。
現(xiàn)在的SD卡成本低，容量大，所以存儲(chǔ)模塊采用SD卡進(jìn)行圖像存儲(chǔ)。
液晶顯示模塊采用Samsung公司的3．5寸TFT(帶觸摸)，通過液晶屏的觸摸功能或USB鼠標(biāo)，可以方便的對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行窗口化操作。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
采用EVC工具開發(fā)上位機(jī)軟件，可直接在Windows CE[5]環(huán)境下運(yùn)行。上位機(jī)軟件是控制系統(tǒng)運(yùn)行的重要部分，主要完成人機(jī)接口，指紋圖像的采集并處理系統(tǒng)和采集模塊的通訊。系統(tǒng)軟件可分為主程序模塊、通許模塊和指紋采集模塊。主程序模塊主要完成界面顯示，人機(jī)接口，模塊調(diào)用等功能；指紋采集模塊完成指紋圖像的采集；通訊模塊負(fù)責(zé)接受數(shù)據(jù)和發(fā)送由人機(jī)接口控制的寄存器的修改指令。
為了能夠采集指紋，首先必須初始化FPS200的相關(guān)寄存器，按照傳感器的技術(shù)要求，初始化寄存器CTRLB，DTR，DCR和PGC的值，以設(shè)置傳感器的工作方式，調(diào)整傳感器靈敏度，為指紋采集做好準(zhǔn)備。改變DTR的值可以改變電容的放電時(shí)間，DCR控制放電電流的大小，PGC控制放大器增益，當(dāng)DTR和DCR值增大時(shí)，圖像變白，對(duì)比度降低。
通過寫寄存器CTRLA可選擇采集指紋的方式，有3種指紋采集方式：采集某行(GETROW)；采集子圖像(GETSUB)，采集整幅圖(GETIMG)。選擇不同的采集方式，需要初始化的行列寄存器則不同。圖3給出系統(tǒng)軟件流程圖。
4 試驗(yàn)結(jié)果分析
圖4給出采集部分試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比圖像后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PS200的放電參數(shù)DCR，DTR和PGC對(duì)指紋的清晰度有一定影響。其中DTR參數(shù)控制電容的放電時(shí)間，延長放電時(shí)間可減少指紋圖像的背景噪聲；增加DCR參數(shù)值同樣能起到減少指紋背景噪聲的作用，但升高DCR同時(shí)減少DTR時(shí)可維持圖像的清晰度；PGC參數(shù)控制指紋圖像和背景的對(duì)比度，需要根據(jù)不同的工作條件進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。圖4(a)的圖像是在DCR=0x0l，DTR=0x40，PGC=0x0B(g=3)下采集的；圖4(b)的圖像是在DCR=Ox0l，DTR=0x23，PGC=Ox00(g=1)下采集的。當(dāng)手指情況較好時(shí)，圖4(a)的參數(shù)要比圖4(b)的參數(shù)得到的圖像更好。
5 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ARM的指紋采集系統(tǒng)，使用FPS200固體指紋傳感器作為指紋采集元器件。減少了許多軟件優(yōu)化圖像的過程。以Samsung的S3C2440為硬件平臺(tái)，WindowsCE系統(tǒng)為軟件平臺(tái)．非常容易地對(duì)外實(shí)施擴(kuò)展，為下一步的指紋識(shí)別打下了良好的基礎(chǔ)。系統(tǒng)操作簡單，攜帶方便，尤其適合不宜使用基于PC構(gòu)架的指紋采集儀器的場(chǎng)合，且成本低廉，易于推廣。
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