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[導(dǎo)讀]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(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。

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(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(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(shí)間對CP充電(SW1關(guān)且SA2開),接著以一固定時(shí)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(shí)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(shí)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(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VDD電平,一個(gè)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(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(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(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;③產(chǎn)生系統(tǒng)中各個(gè)芯片的讀寫信號。

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,還需要外部存儲器。外部存儲器一般有兩種,即存儲程序和固定數(shù)據(jù)的EPROM和可讀寫的快速RAM。本系統(tǒng)采用的存儲器為CY7C1041,是一款256K×16bit的靜態(tài)RAM。從接口方式考慮,外部存儲器分為串口存儲器和并口存儲器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器。

由DSP的程序空間選擇信號PS作為外部程序存儲器的片選線,讀寫線R/W作為外部存儲器的讀寫控制線,存儲器選通信號MSTRB作為外部程序存儲器的使能線,地址線A0~A17作為地址線尋址256K×16程序存儲空間。在DSP與外部數(shù)據(jù)存儲器的接口中,讀寫線R/W作為外部存儲器的讀寫控制線,由數(shù)據(jù)空間選擇信號DS作為外部數(shù)據(jù)存儲器的片選信號,存儲器選通線MSTRB作為外部數(shù)據(jù)存儲器的使能線,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A0置1來讀寫對應(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。

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