基于FPGA的指紋采集接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(圖)
文章出處:http://srpd123.com 作者:郭娟 王洪 金慶輝 趙建龍 人氣: 發(fā)表時(shí)間:2011年11月30日
[文章內(nèi)容簡(jiǎn)介]:本文以指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)的ASIC化為應(yīng)用背景,提出了一種基于FPGA的指紋采集接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。重點(diǎn)研究接口電路的硬件組成和如何采用硬件語(yǔ)言VHDL編程控制滑動(dòng)式指紋傳感器以完成高質(zhì)量的指紋采集工作。經(jīng)驗(yàn)證本方案實(shí)現(xiàn)的指紋采集接口完全能滿足系統(tǒng)需要。
一、引言
相對(duì)于密碼、證件等傳統(tǒng)身份認(rèn)證技術(shù)和諸如語(yǔ)音、虹膜、臉形、簽名等其他生物特征識(shí)別認(rèn)證技術(shù)而言,指紋識(shí)別認(rèn)證是一種更為理想的身份認(rèn)證技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:
1.廣泛性——每個(gè)人的每一跟手指都具有指紋;
2.唯一性——每個(gè)人的指紋都不相同,極難進(jìn)行復(fù)制;
3.穩(wěn)定性——指紋不會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而改變;
4.易采集性——指紋圖像可運(yùn)用專業(yè)的指紋傳感器獲取,易于開(kāi)發(fā)識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)。
隨著電子商務(wù)的發(fā)展和消費(fèi)類電子的普及,越來(lái)越多的領(lǐng)域需要指紋識(shí)別系統(tǒng)。目前,基于、的獨(dú)立式指紋識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于考勤、門禁、安檢等領(lǐng)域。同時(shí),隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能應(yīng)用在小型微型系統(tǒng)(如手機(jī)、PDA等)的ASIC資金資助:上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)PDC計(jì)劃項(xiàng)目(No.047062023)和AM0403項(xiàng)目(專用集成電路)指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng),將具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)空間。
由于FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)具有高集成度,低功耗,短開(kāi)發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn),本文選用FPGA作為指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)的核心器件,以控制其依次實(shí)現(xiàn)指紋采集、指紋特征點(diǎn)提取、存儲(chǔ)、比對(duì)等等過(guò)程??梢?jiàn),指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)的首要任務(wù)是如何采集到高質(zhì)量指紋圖像以保證后續(xù)任務(wù)的完成,而指紋圖像質(zhì)量不僅與指紋傳感器自身的性能有關(guān),也與數(shù)據(jù)傳輸通信接口的性能密切相關(guān)。因此,如何設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的通信接口是實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。于是本文針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究,介紹了一種基于FPGA與滑動(dòng)式指紋傳感器的指紋采集接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。
二、簡(jiǎn)介指紋采集接口器件
本指紋采集接口的核心控制器件為Xilinx公司SpartanIII系列的XC3S400型FPGA芯片,它的封裝形式為PQ208。這款芯片采用先進(jìn)的90ns工藝,最大容量40萬(wàn)門,工作頻率高達(dá)200M,足以完成系統(tǒng)需要。
另外,本文選用的指紋采集傳感器為富士通公司的MBF300滑動(dòng)式電容指紋采集傳感器。這款指紋傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù),含有8位A/D變換器,能在2.8V~5V的寬電壓范圍內(nèi)工作,能自動(dòng)檢測(cè)到是否有指紋到達(dá)傳感器,并實(shí)現(xiàn)在線采集。而它與以往采用的面積式指紋傳感器相比最大的優(yōu)點(diǎn)在于,在保證指紋圖像高分辨率(500dpi)的同時(shí)大大減小了傳感器的尺寸(13.3×3.6)。
MBF300支持3種通信接口:8位微處理器總線接口(microprocessorbusinterface)、集成的USB全速接口(IntegratedUSBFull-SpeedInterface)和集成SPI接口(IntegratedSerialPeripheralInterface)。其中本文選用SPI接口,并將詳細(xì)講述基于MBF300和FPGA的SPI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。
MBF300的SPI接口需要時(shí)鐘信號(hào)線SCK、主進(jìn)從出信號(hào)線MISO、主出從進(jìn)信號(hào)線MOSI和使能信號(hào)線,共4根信號(hào)線。其中,傳感器的時(shí)鐘源可以從外部輸人,也可以外接一個(gè)晶體振蕩器后,利用MBF300內(nèi)部的振蕩電路來(lái)獲得時(shí)鐘源。在選擇了SPI模式后,MBF300的其他兩種模式將自動(dòng)禁止。在本系統(tǒng)中,MBF300在SPI工作模式下相當(dāng)于一個(gè)從設(shè)備,XC3S400作為主設(shè)備。XC3S400通過(guò)讀寫(xiě)MBF300內(nèi)部的寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制,以完成指紋采集的任務(wù)。
另外,MBF300在SPI的從設(shè)備狀態(tài)下,它的通信協(xié)議的具體內(nèi)容包括:
lMOSI線上的數(shù)據(jù)在SCK的上升沿被采樣;
lMISO線上的數(shù)據(jù)在SCK的下降沿發(fā)生改變;
lSCK在空閑狀態(tài)時(shí),可以為高電平,也可以為低電平;
l串行傳輸過(guò)程中,高位在前(最先被移出)。具體時(shí)序見(jiàn)圖1。
三、指紋采集接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本文中指紋傳感器MBF300的主要任務(wù)是采集指紋圖像,并自動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,并把轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳送到FPGA芯片XC3S400中,以進(jìn)行指紋登記或者指紋識(shí)別比對(duì)。由此可見(jiàn),指紋采集是整個(gè)指紋識(shí)別系統(tǒng)的第一步,采集質(zhì)量的好壞將直接影響系統(tǒng)的性能與準(zhǔn)確度的高低,因此,接下來(lái)將重點(diǎn)介紹指紋采集接口——SPI接口的設(shè)計(jì),在此過(guò)程中,XC3S400為SPI主設(shè)備,MBF300為SPI從設(shè)備。
1、指紋采集電路
由于FPGA內(nèi)部采用的SRAM存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),所以需要外置一個(gè)PROM在上電時(shí)對(duì)FPGA進(jìn)行程序配置。同時(shí),還擴(kuò)展了一個(gè)SRAM和Flash分別用作存儲(chǔ)指紋程序運(yùn)行時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)和指紋數(shù)據(jù)信息。另外,為了實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信,指紋采集部分還設(shè)計(jì)一個(gè)RS232接口,整個(gè)的硬件電路如圖2所示。由圖中可以看出,整個(gè)指紋采集的核心部件就是FPGA芯片XC3S400,它相當(dāng)于常見(jiàn)的嵌入系統(tǒng)中的DSP或者ARM,控制著整個(gè)指紋采集,以及指紋登記,指紋比對(duì),結(jié)果輸出等過(guò)程。
2、指紋采集接口硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本文的SPI接口主設(shè)備為FPGA芯片XC3S400,從設(shè)備為指紋傳感器MBF200。由于FPGA沒(méi)有特定管腳的要求,本文任意選用XC3S400的4個(gè)I/O口137—140,分別與指紋傳感器MBF300的相應(yīng)管腳連接,見(jiàn)圖3所示。
3、指紋采集接口軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
接口時(shí)鐘采用傳感器內(nèi)部的12M時(shí)鐘,整個(gè)采集指紋圖像流程如圖4所示,主要有初始化,調(diào)整參數(shù),指紋采集,指紋存儲(chǔ)幾部分組成。
3.1初始化XC3S400和MBF300
XC3S400為FPGA器件,因此在系統(tǒng)上電后先要對(duì)其進(jìn)行初始化,即從PROM中讀取配置數(shù)據(jù),以完成后面的指紋采集、特征點(diǎn)提取、存儲(chǔ)、比對(duì)等工作;初始化XC3S400之后,接著初始化指紋傳感器MBF300,其中部分VHDL源程序如下:
……
ENTITYini_mbf300IS
PORT(......
pgc:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);
dtr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);
dcr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);
thr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);
ctrlb:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);
isr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);
icr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);
......);--定義需要初始化的MBF300寄存器;
ENDini_mbf300;
ARCHITECTUREini_mbf300OFini_mbf300IS
BEGIN
pgc<="00000110";--初始設(shè)置圖像增益為1.5;
dtr<="00111111";
dcr<="00000001";
thr<="00101100";
ctrlb<="00000001";--使能陣列,AD及時(shí)鐘;
isr<="00000011";--清空中斷;
icr<="01011001";--使能自動(dòng)檢測(cè);…...
ENDini_mbf300;......
3.2調(diào)整MBF300參數(shù)
調(diào)整MBF300參數(shù),也就是調(diào)整PGC、DTR、DCR三個(gè)寄存器的值來(lái)調(diào)整放電時(shí)間、放電電流速率和圖像的放大增益,直到獲得最佳質(zhì)量的圖像。
3.3采集指紋圖像
XC3S400按照MBF300的SPI時(shí)序要求,在MOSI信號(hào)線上發(fā)送一系列讀寫(xiě)MBF300寄存器的指令,并由MBF300在MISO信號(hào)線上發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換后的指紋數(shù)據(jù),直到一幅完整的256*32的指紋圖像傳輸完畢。詳細(xì)的工作流程見(jiàn)圖5。
3.4存儲(chǔ)指紋圖像
采集到的原始指紋圖像保存到片外SRAM中,地址空間為0000000000000000~FFFFFFFFFFFFFFFF。
4實(shí)驗(yàn)調(diào)試與結(jié)論
指紋采集接口的整個(gè)程序的VHDL源代碼已經(jīng)通過(guò)調(diào)試,在ModelSimSE6.1b中成功仿真,F(xiàn)PGA的SPI時(shí)序與MBF300一致,完全能達(dá)到指紋采集的目的。于是將MBF300設(shè)置為DTR=0x15,DCR=0x20,PGC=0x01,通過(guò)SPI接口采集到的原始指紋數(shù)據(jù)通過(guò)圖2中的RS232接口傳送給PC機(jī),然后利用Matlab工具數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到如圖6的指紋圖像,它足以滿足后續(xù)的指紋特征點(diǎn)提取、比對(duì)等要求。
四、小結(jié)
這種基于FPGA芯片XC3S400與固體指紋傳感器MBF300的SPI接口具有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,傳輸速率高的特點(diǎn),完全能勝任指紋采集的任務(wù)。而MBF300的高精度更能保證采集到的指紋圖像的質(zhì)量,這有利于簡(jiǎn)化后續(xù)的指紋圖像增強(qiáng)、二值化等算法。總之,基于FPGA與指紋傳感器的指紋采集系統(tǒng)的SPI接口的成功實(shí)現(xiàn),為指紋識(shí)別技術(shù)的SOC片上集成打開(kāi)一個(gè)良好的開(kāi)端。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):
雖然基于DSP或者ARM的指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)已經(jīng)在考勤,門禁等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商品化,但這樣的嵌入式系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)小型化集成化,更無(wú)法SOC,所以本文采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng),利用FPGA高集成度,低功耗,短開(kāi)發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn),并以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的ASIC為研究背景,具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)空間。
只有保證高質(zhì)量的指紋采集才會(huì)保證高質(zhì)量的指紋識(shí)別認(rèn)證,因此本文主要介紹了基于FPGA的指紋識(shí)別系統(tǒng)的指紋采集接口部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案,經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)該接口完全能滿足實(shí)際需要,這為指紋識(shí)別系統(tǒng)的片上集成打開(kāi)了一個(gè)良好的開(kāi)端。
本文關(guān)鍵詞:指紋采集,FPGA,生物識(shí)別,指紋
上一篇:智能卡加油系統(tǒng)[ 11-30 ]
下一篇:論城市公共交通一卡通系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)[ 12-01 ]