新型指紋傳感器MBF200的特性及應用

1、新型指紋傳感器MBF2O0勺特性及應用摘要：MBF20C是富士通公司推出的一款先進的固態(tài)指紋傳感器芯片，它除可自 動檢測指紋外，還帶有多種接口模式。文中介紹了MBF200旨紋傳感器芯片的主要特性和功能，給出了其在 USB總線接口形式下的電路實現(xiàn)方法，同時給出了 讀取指紋數(shù)據的軟件控制流程。 1、引言指紋識別技術是新近發(fā)展起來的一項高 新技術。指紋識別是利用人體指紋的唯一性與不變性生理特征，將指紋作為人 的一種“活的身份證”或一個隨身攜帶的特殊印章來進行身份識別的摘要：MBF20C是富士通公司推出的一款先進的 固態(tài)指紋傳感器芯片， 它除可自動檢測指紋外，還帶有 多種接口模式。文中介紹了 MBF2

2、O0旨紋傳感器 芯片的主要特性和功能，給出了其在 USB總線接口形式下的電路實現(xiàn)方法，同 時給出了讀取指紋數(shù)據的軟件控制流程。1、引言指紋識別技術是新近發(fā)展起來的一項高新技術。指紋識別是利用人體 指紋的唯一性與不變性生理特征，將指紋作為人的一種“活的身份證”或一個 隨身攜帶的特殊印章來進行身份識別的一種技術。MBF20C是富士通公司推出的一款固態(tài)指紋傳感器芯片，該芯片具有自動指紋檢測功能，可支持多種接口模 式，設計方便。本文詳細介紹了 MBF200勺特性，給出了其在USB總線接口模式 下的電路實現(xiàn)方法，以及讀取所采集數(shù)據的軟件流程。該設計可用于便攜式指 紋數(shù)據采集系統(tǒng)、智能卡系統(tǒng)、數(shù)據庫、網絡

3、和當?shù)卮鎯Φ陌踩M入系統(tǒng)，以 及其它安全訪問控制系統(tǒng)。2、MBF200勺主要特點MBF20（具有高性能、低功耗和低成本等特點，屬于 電容性傳感器。其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當一個電容板，接觸 的手指充當?shù)诙€電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當手指觸摸 傳感器表面時，指紋的高低不平就會在傳感器陣列上產生變化的電容，從而引 起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。其主要特點有：是采用標準COM技術的電容性固態(tài)器件；具有 500dpi 的分辨率；傳感器面積為1.28cmX 1.50cm；傳感器陣列為256X 300點；具有自動指紋檢測能力；內含 8 位模數(shù)轉換

4、器；可提供三種總線接口形式；帶有 8 位微處理器總線接口；帶有全速USB接口和SPI接口；可提供3.3V5V的工作電壓； 5V工作電壓下的功耗小于 70mW/MBF20啲內部結構如圖1所示。其中256X 300點傳感陣列用于產生感應電壓；功能寄存器用于對芯片進行操作控制；控制電路用于傳感器與外 部接口電路的控制，主要負責數(shù)據的讀出與寫入；地址索引寄存器與數(shù)據寄存 器分別用于對功能寄存器的地址選擇及數(shù)據的讀寫；采樣保持及AD轉換電路用于對傳感陣列所產生的電壓進行采樣。另外，多頻振蕩電路用于為芯片提供時 鐘信號。3、器件功能3.1 功能寄存器MBF20C是可編程的傳感器芯片，它所具有的強大功能是通

5、過內部寄存 器設置完成的。表 1 所列是這些功能寄存器的地址和功能。在對這些寄存器進 行操作時，先向地址寄存器內寫入所要訪問寄存器的地址，然后讀寫數(shù)據寄存 器即可。表1 MBF20C中的功能寄存器由于列地址最大為256,所以，MBF20C只有一個列開始寄存器CAL和 一個列結束寄存器CEL另外，THR用于在自動檢測指紋時設置門限電壓。 PGC 用于在 A/D 轉換時設置放大器的增益。3.2 MBF20啲工作過程MBF20啲傳感器陣列由256列300行的傳感器單元組成。每一列有兩 個采樣保持電路，每次捕獲一行指紋圖像數(shù)據。行捕獲分為兩個階段，第一階 段，將電容板的被選行充電到 3.3V或5V,在

6、充電的同時，一個內部信號使能 一個采樣保持電路以采樣被選行的電容單元電壓；第二階段是傳感器板放電階 段，放電快慢由放電 電流寄存器決定。放電階段結束后，可由一個內部信號使 能另一個采樣保持電路去采樣電容單元的最后電壓，充電電壓與放電電壓之差 就是所要測量的有用傳感信號電壓。行捕獲結束之后，接著對該信號進行數(shù)字 化，從而完成一次采樣。實際上，該芯片的靈敏度是由放電電流和放電時間寄 存器來調節(jié)的。3.3 MBF20 （的接口模式MBF20C支持三種接口形式和四種操作模式，這四種操作模式相互獨 立，不能同時工作。其功能如表 2 所列。表2 MBF200勺操作模式在微處理器接口模式中，可將 MFB20

7、0與51系列8位單片機相連，且 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 應地址的數(shù)據寄存器。其操作真值表如表 3所列。SPI是工業(yè)標準的同步串行 接口，它允許 8 位數(shù)據同時、同步地被發(fā)送和接收，而且只用到如下信號：SCLK SCS MOSI MISO EXINT?？蓪⑾到y(tǒng)配置為 SPI主操作（Master）與從 操作（ Slave ），其接口形式與一般的串行外圍接口方式一致，故此不再贅述。表 3 微處理器接口讀寫真值表USB接口有兩種模式：一種是用芯片內部的 ROM來存儲設備信息, 種是用

8、外部串行ROM來存儲設備信息。4、MBF200勺應用4.1 MBF20C與 USB的接口由于USB總線接口具有即插即用特性，而且目前應用比較廣泛，所以 本文設計了 MBF20C在USB模式下的接口電路（如圖2所示）。其中MOD分別 置為1、0,采用12MHz晶振，AIN用于模擬信號輸入方式選擇，ISET用于設置 內部參考電流，F(xiàn)SET用于設置內部多頻振蕩器及自動指紋檢測速率。需要注意 的是，在USB模式中，為芯片提供的電壓必需在 3.3V3.6V之間，由于該芯片 的低功耗特點，所以在設計中可以使用 USB總線電源來滿足系統(tǒng)設計要求。USB接 口使用三個端點：其中端點0是控制端點，用來控制對功能

9、寄 存器的讀寫；端點1是讀端點，用來讀取經過 AD轉換后的指紋圖像數(shù)據，它是 以塊方式進行讀取的，每次 64 個字節(jié)；端點是 2 是中斷端點，當 ISR （Interrupt Status Register ）被置位時，由它向端點 2 發(fā)送中斷信號。4.2 軟件控制流程該傳感器有多種接口方式及多種圖像獲取形式，這些都是通過內部功 能寄存器的設置來完成的。首先要對傳感器進行初始化：主要是啟動內部 ADC并對特殊功能寄存 器CTRLB勺第2位置位，以確定ADC后的地址是否自動增加，同時設置芯片時 鐘源并使能傳感器。其流程如圖 3 所示。其次是調整參數(shù)，其流程如圖4所示，其中DTR是放電時間寄存器，

10、 DCR則是用來設置放電電流速率的寄存器，PGC是可編程增益控制寄存器，主要用來設置放大器的增益。最后就是獲取指紋圖像數(shù)據，在該傳感器芯片中，共有三種指紋圖像 數(shù)據獲取方式，分別為：（1）獲取子圖（GETSUB方式。在CPU和SPI接口模式中，子圖的大 小可以從任意位置開始設置，甚至可以從一個像素點到整幅圖像；在 USB接 口 模式中，子圖列的開始必須是 64 的倍數(shù)。（2）獲取整幅圖像（GETIMG方式是把數(shù)據采集方式初始化為從行 0 列 0 到行 299列 255，以獲取整幅圖像數(shù)據。（3）獲取行數(shù)據（GETRO師式主要捕獲特定的幾行數(shù)據。MBF20C芯片內部提供有6個寄存器，可用來設置圖像數(shù)據捕獲的位 置。其中RAL是行地址低位，RAH是行地址高位，CAL是列地址，REL是行末地 址低位，REH是行末地址高位，CEL是列末地址。在USB接口方式下獲取整幅指紋圖像數(shù)據的流程如圖 5所示。在USB 模式中，數(shù)據是以塊為單位進行傳輸?shù)?，每塊數(shù)據大小必須為 64 字節(jié)。其它兩種接口方式的指紋圖像數(shù)據獲取流程基本相似，只是沒有數(shù)據 塊的限制