基于DSP的指紋識別系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

1、基金項目:863計劃個人信息處理終端S oC (2003AA1Z 1350及上海市科委AM 基金項目收稿日期:2004-05-19第22卷第1期計算機仿真2005年1月文章編號:1006-9348(200501-0241-03基于DSP 的指紋識別系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計周寧婕,付宇卓,周煜(上海交通大學微電子學院,上海200030摘要:目前傳統(tǒng)指紋識別平臺通用CPU 實現(xiàn)識別算法,此類平臺在功耗和可移動性方面已不能滿足市場需要。隨著標準C M OS 工藝制造,并且集成SPI ,US B ,并行數(shù)據(jù)接口的指紋傳感芯片的出現(xiàn),以及DSP 芯片在圖像處理領(lǐng)域的廣泛應用,采用基于DSP 指紋識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是今

2、后指紋識別技術(shù)的發(fā)展方向。文章詳細介紹了如何搭建基于DSP 的指紋識別系統(tǒng)的硬件平臺。針對嵌入式系統(tǒng)的特點,重點討論了傳感器的控制方法和指紋圖像的讀取,分析了DSP 的性能優(yōu)點。最后討論了最佳指紋圖像的獲取方法。該系統(tǒng)靈活性強,除了為進一步實現(xiàn)指紋識別軟件提供了功能強大的硬件基礎(chǔ)外,對研究和開發(fā)速度快、性價比高、識別率高的嵌入式指紋識別平臺有著很大的參考價值。關(guān)鍵詞:指紋;嵌入式系統(tǒng);傳感器中圖分類號:TP391.4文獻標識碼:H ardw are Design of a Fingerprint R ecognition Platform B ased on DSPZHOU Ning -jie

3、 ,FU Y u -zhuo ,ZHOU Y u(Institute of M icro E lectronics ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030,China ABSTRACT :S o far traditional fingerprint recognition platform uses CPU to realize alg orithm.This kind of platform cannot meet the demands of market concerning power consum ption and porta

4、bility.With the occurrence of standard C M OS technolo 2gy fingerprint sens or chip which is integrated with SPI ,US B and parallel data inter faces ,as well as the wide application of DSP in the field of image processing ,an embedded fingerprint recognition architecture based on DSP becomes abs olu

5、tely the research direction of future fingerprint recognition system.The paper presents the s olution to build a hardware platform for an embedded fingerprint recognition system based on DSP.I t explains the control method and the image sam pling of the sens or.I t analyzes the per formance features

6、 of DSP.Finally it analyzes the control method to get image with the highest quality.This system has g ood flexibility.I t not only provides a s olid hardware structure for future fingerprint recognition s oftware ,but als o has huge reference value for future research and development of embedded fi

7、ngerprint recognition system that requires high speed ,low cost and high recognition rate.KE YWOR DS :Fingerprint ;Embedded system ;Sens or1引言隨著科技水平的提升,身份驗證對保障系統(tǒng)安全來說越來越重要。指紋的唯一性、終生不變性、難于偽造的特點,使它在金融、電子商務以及安全性能要求較高的行業(yè)中得到廣泛應用。指紋識別平臺即集指紋圖像的采集、識別并給出身份驗證結(jié)果的軟硬件相結(jié)合的平臺。傳統(tǒng)的指紋識別系統(tǒng)一般以PC 、工作站或工控板作為主處理平臺,這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡

8、單、固定,借助于高性能的計算機運算能力,系統(tǒng)處理能力強、識別速度快。然而目前人們對移動設(shè)備的安全性的要求不斷提高,指紋識別產(chǎn)品在移動信息安全方面的市場巨大,原來的系統(tǒng)平臺模式高功耗、低移動性的弊端就顯而易見了。所以設(shè)計一套體積小、速度快、功耗低的嵌入式指紋識別系統(tǒng)是非常有意義的。本文實現(xiàn)了一種基于dsp 的指紋識別系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計。在該系統(tǒng)中采用M otorola 公司的DSP 芯片DSP56858作為核心處理器,指紋采集芯片采用Veridicom 公司的FPS200,該采集芯片可以輸出大小為256x300x8bit 分辨率為500dpi 的灰度圖象。2系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件平臺大致可以分為5個部分

9、:成像系統(tǒng)(傳感器FPS200、核心部分(DSP56858、RAM 、EEPROM 以及外部存儲器。根據(jù)嵌入式指紋識別平臺的系統(tǒng)要求,我們的SRAM 和EEPROM 分別選擇了T C55V16256FT -12和AT 45P B011B -SC兩款性價比高的芯片,外部存儲器選擇了體積小、可靠性高142的M MC 卡。本系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。圖1指紋識別系統(tǒng)硬件組成框圖其工作原理如下:固化的程序存儲在EEPROM 中,這些指令控制了整個指紋識別系統(tǒng)的工作流程。指紋經(jīng)傳感器采集后,由傳感器直接轉(zhuǎn)換成RG B 格式,并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP 。DSP 需要執(zhí)行大量的模式識別和圖像處理相關(guān)計算。指紋匹

10、配信息、數(shù)據(jù)庫更新信息和其他大量數(shù)據(jù)被保存到外部存儲器M MC 卡中。SRAM 為內(nèi)存存儲臨時數(shù)據(jù)。這構(gòu)成了數(shù)據(jù)通道。調(diào)試通道指的是,傳感器和DSP 分別通過US B 和并口與PC 機相連,傳感器可經(jīng)PC 機調(diào)試,RG B 格式的圖像也可以先經(jīng)調(diào)試通道由PC 機取得并分析傳感器工作狀態(tài);DSP 通過并口與PC 機連接,并可通過調(diào)試軟件調(diào)試指紋算法程序,監(jiān)控DSP 工作狀態(tài)。由此可以看出,數(shù)據(jù)通道在硬件上證明此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)指紋識別的功能要求,而調(diào)試通道的設(shè)計著眼于程序和系統(tǒng)的調(diào)試工作,為進一步的軟件設(shè)計與優(yōu)化提供了方便的接口。2.1成像系統(tǒng),而且成像結(jié)果也要經(jīng)過變換才可以使用。所以本文選擇了固體

11、傳感器。本系統(tǒng)選擇的是Veridicom 公司的FPS200固體指紋識別傳感器。FPS200固體指紋識別傳感器是一種性能優(yōu)越、功耗低、 價格便宜的指紋識別傳感器。由于其特殊的ES D 保護,特別窄小的物理尺寸,以及獨特的省電特性使這塊片傳感器尤其適合嵌入式系統(tǒng)的應用。它的主要原理是,其在指紋圖像感知區(qū)域集成了二維金屬電極陣列,每根電極充當電容一級,在傳感器表面、兩極之間有一層鈍化層作為電容介電層。由于指紋的脊和谷與傳感器接觸時會產(chǎn)生不同電容值,測量這些不同值就形成了指紋圖像。FPS200傳感器支持三種接口方式:8位的系統(tǒng)總線接口、集成的全速的US B 接口和集成的串行外設(shè)接口(SPI 。其豐富

12、的接口方式方便了指紋傳感器的調(diào)試和使用。其自帶的US B 接口可以將其數(shù)據(jù)直接傳送到PC 機上,這樣就可以利用PC 平臺上的編譯和調(diào)試工具來調(diào)試各種指紋識別的算法,方便了用戶的初期測試,提高了效率和準確性。圖2為FPS200與DSP 的接口連接圖。如圖2所示,利用傳感器提供的MC U 系統(tǒng)總線接口可以很方便地實現(xiàn)其與DSP 的連接?？刂菩盘朇S 0和CS 1都是片選信號,CS 0低有效,CS 1高有效,這是為不同的CPU 片選信號高低電平特征提供便利。本系統(tǒng)選用的是CS 0;RD 和WR 分別為讀、寫控制信號。M ODE 0和M ODE1兩根信號線決定了FPS200工作在何種模式下:M ODE

13、1:0=00b 系統(tǒng)總線接口工作模式,用于與DSP相連,正常工作時使用;M ODE1:0=01b SPI 接口工作模式;M ODE1:0=10b US B 接口工作模式,用于與PC 相連,調(diào)試時使用;A 0地址線,FPS200共有兩個接口寄存器,索引寄存器和數(shù)據(jù)寄存器,A 0決定了是寫索引寄存器還是讀寫數(shù)據(jù)寄存器。A 0拉低時為寫索引寄存器,數(shù)據(jù)總線D 7D 0的內(nèi)容寫到索引寄存器;A 0拉高時可讀寫數(shù)據(jù)寄存器,數(shù)據(jù)總線上D 7D 0的內(nèi)容讀寫到數(shù)據(jù)寄存器。本系統(tǒng)對FPS200的操作有以下兩種:1FPS200的控制:傳感器是由內(nèi)部寄存器控制的,而對傳感器的內(nèi)部控制器的讀寫是通過寫索引寄存器以選

14、擇合適的內(nèi)部寄存器后,才可以讀寫具體的寄存器值。讀操作過程見圖3。圖2FPS200的DSP 接口先將A 0管腳的電平拉低,發(fā)出寫信號,將要讀寫的內(nèi)部寄存器地址送到數(shù)據(jù)總線上,寫入控制寄存器并由FPS200送到它的索引寄存器。再將A 0管腳拉高,發(fā)出讀信號,將數(shù)據(jù)寄存器上的值讀入DSP 。寫操作的過程類似,只是在寫入索引寄存器后,發(fā)出寫信號即可。圖3讀FPS200寄存器時序圖2FPS200的數(shù)據(jù)讀取:即指紋圖像的讀取。需要注意的是控制寄存器A 。寫這一寄存器就初始化了一幅指紋圖像的采集。然后循環(huán)讀這一寄存器則可以讀出A/D 轉(zhuǎn)換出來指紋圖像的結(jié)果。CTR LA 的結(jié)構(gòu)是:765432100GET

15、S UBGETI MGGETROWGETS UB 為1時讀取一個矩形區(qū)域子圖;GETI MG 為1時讀取整幅2563300圖像;GETROW 為1時讀取指定行的子圖;值得注意的是,往這三個位的任意位置(同時只有一位有效,否則無效寫1都會自動初始化新的采集,傳送完最后一個像素的數(shù)據(jù)后傳感器自動停止2,5。2.2DSP 模塊及外圍模塊DSP 在本系統(tǒng)中,要完成流程的控制、指紋圖像的處理和識別等大計算量的工作。通過比較8位單片機(如8051系列、16位DSP 和32位微處理器(如基于ARMcore 系列MC U 242在各方面的表現(xiàn),可以看到16位DSP 更加適合作為嵌入式指紋識別設(shè)備的核心,從而符

16、合本次設(shè)計的要求。表1處理器對照表8位MCU16位DSP32位MCU數(shù)字信號處理能力較弱較強較強圖像壓縮速度較慢較快較快可控性較強較強較強功耗較小較小較大成本較低較高較高在同類型的16位DSP 中,DSP56858是以DSP56800E 為內(nèi)核的DSP5685x 系列中的一款16位的定點DSP 芯片6,其主頻達到了120MH z ,在120MH z 的運算條件下運算能力可以達到120MIPS ,可以說是一款運算速度非?？斓腄SP 芯片,指紋識別的大計算量工作正需要這樣一款運算速度快的芯片3;在外圍模塊方面,外部擴程序空間達2M 字,外部擴數(shù)據(jù)空間達8M 字。我們擴展了兩片128K 字存儲器,都

17、可以任意作為數(shù)據(jù)存儲器還是程序存儲器。其中有一塊存儲器還設(shè)計成可以配置成字節(jié)或字的存取模式,以適應指紋識別圖像的處理需要。因為指紋識別圖像像素值都是以字節(jié)形式采集的,以字節(jié)為單位操作可以大大節(jié)省空間;使用SPI 總線實現(xiàn)了M MC 卡的讀寫4,M MC 卡體積小,數(shù)據(jù)存儲可靠,被廣泛用于消費類電子產(chǎn)品中;J T AG 接口實現(xiàn)實時調(diào)試,只需在與PC 的并口之間接一片5V 到3V 的電平轉(zhuǎn)換芯片,這構(gòu)成了一個簡單的E VM 板,使用C odeWarrior for DSP56800E 就可以調(diào)試程序了; 圖4硬件成像效果(a原始圖像(b增加放電時間(c增加放電電流(d改變增益值DSP 還支持SC

18、I 、SSI 、定時器接口,以及47個復用的G PI O ,在接下來的軟件設(shè)計中可以充分利用這些接口以及接口電路特性,實現(xiàn)系統(tǒng)性能優(yōu)化、系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計和系統(tǒng)的可擴展性設(shè)計。3實驗結(jié)果分析FPS200是一個功能強大的指紋傳感器,圖像的輸出質(zhì)量是可控的。放電時間和放電電流決定了傳感器對指紋采集的靈敏度,可以不同程度的減少背景圖的噪聲。寄存器DCR 、DTR 和PG C 分別是放電電流寄存器、放電時間寄存器和可編程增益控制寄存器,通過改變這些寄存器的值就可以得到不同的圖像效果。系統(tǒng)缺省設(shè)置得到指紋圖像如圖4所示?？梢钥吹?從原始圖像經(jīng)過增加放電時間,增加放電電流,以及進一步改變增益值,可以得到最佳圖

19、像質(zhì)量。4結(jié)論本文設(shè)計了一個基于DSP 的指紋識別系統(tǒng)。使用Veridicom 公司的FPS200固體指紋傳感器為指紋采集元器件。利用其優(yōu)異的圖像采集調(diào)節(jié)技術(shù),可以很容易的采集到清晰有效的指紋圖像,減少了用軟件優(yōu)化圖像的運算處理量。以M otorola 的DSP56858為核心,擴展了2128K 16位的SRAM 和1Mbits 的EEPROM 充分考慮了運算過程中的主存需要。另外本文還額外設(shè)計了M MC 卡的外圍存儲器,可以非常容易擴展對外部數(shù)據(jù)的存放需要。非常適合需要存儲大量指紋特征庫場合的應用需求。本文設(shè)計的指紋識別平臺采用了可編程技術(shù),增強了系統(tǒng)的可擴展性、靈活性。采用DSP 技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)指紋識別的脫機產(chǎn)品。由于DSP