基于DSP的指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1、基金項(xiàng)目:863計(jì)劃個(gè)人信息處理終端S oC (2003AA1Z 1350及上海市科委AM 基金項(xiàng)目收稿日期:2004-05-19第22卷第1期計(jì)算機(jī)仿真2005年1月文章編號(hào):1006-9348(200501-0241-03基于DSP 的指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)周寧婕,付宇卓,周煜(上海交通大學(xué)微電子學(xué)院,上海200030摘要:目前傳統(tǒng)指紋識(shí)別平臺(tái)通用CPU 實(shí)現(xiàn)識(shí)別算法,此類平臺(tái)在功耗和可移動(dòng)性方面已不能滿足市場(chǎng)需要。隨著標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用,采用基于DSP 指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是今

2、后指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展方向。文章詳細(xì)介紹了如何搭建基于DSP 的指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn),重點(diǎn)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(diǎn)。最后討論了最佳指紋圖像的獲取方法。該系統(tǒng)靈活性強(qiáng),除了為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別軟件提供了功能強(qiáng)大的硬件基礎(chǔ)外,對(duì)研究和開(kāi)發(fā)速度快、性價(jià)比高、識(shí)別率高的嵌入式指紋識(shí)別平臺(tái)有著很大的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:指紋;嵌入式系統(tǒng);傳感器中圖分類號(hào):TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yàn)證對(duì)保障系統(tǒng)安全來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要。指紋的唯一性、終生不變性、難于偽造的特點(diǎn),使它在金融、電子商務(wù)以及安全性能要求較高的行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。指紋識(shí)別平臺(tái)即集指紋圖像的采集、識(shí)別并給出身份驗(yàn)證結(jié)果的軟硬件相結(jié)合的平臺(tái)。傳統(tǒng)的指紋識(shí)別系統(tǒng)一般以PC 、工作站或工控板作為主處理平臺(tái),這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

8、單、固定,借助于高性能的計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力,系統(tǒng)處理能力強(qiáng)、識(shí)別速度快。然而目前人們對(duì)移動(dòng)設(shè)備的安全性的要求不斷提高,指紋識(shí)別產(chǎn)品在移動(dòng)信息安全方面的市場(chǎng)巨大,原來(lái)的系統(tǒng)平臺(tái)模式高功耗、低移動(dòng)性的弊端就顯而易見(jiàn)了。所以設(shè)計(jì)一套體積小、速度快、功耗低的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)是非常有意義的。本文實(shí)現(xiàn)了一種基于dsp 的指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。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(jì)硬件平臺(tái)大致可以分為5個(gè)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(chǔ)器。根據(jù)嵌入式指紋識(shí)別平臺(tái)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(jià)比高的芯片,外部存儲(chǔ)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(shí)別系統(tǒng)硬件組成框圖其工作原理如下:固化的程序存儲(chǔ)在EEPROM 中,這些指令控制了整個(gè)指紋識(shí)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(shí)別和圖像處理相關(guān)計(jì)算。指紋匹

10、配信息、數(shù)據(jù)庫(kù)更新信息和其他大量數(shù)據(jù)被保存到外部存儲(chǔ)器M MC 卡中。SRAM 為內(nèi)存存儲(chǔ)臨時(shí)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(guò)US B 和并口與PC 機(jī)相連,傳感器可經(jīng)PC 機(jī)調(diào)試,RG B 格式的圖像也可以先經(jīng)調(diào)試通道由PC 機(jī)取得并分析傳感器工作狀態(tài);DSP 通過(guò)并口與PC 機(jī)連接,并可通過(guò)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(shí)別的功能要求,而調(diào)試通道的設(shè)計(jì)著眼于程序和系統(tǒng)的調(diào)試工作,為進(jìn)一步的軟件設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)別傳感器。FPS200固體指紋識(shí)別傳感器是一種性能優(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ES D 保護(hù),特別窄小的物理尺寸,以及獨(dú)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(yīng)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(dāng)電容一級(jí),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(shí)會(huì)產(chǎn)生不同電容值,測(cè)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(jī)上,這樣就可以利用PC 平臺(tái)上的編譯和調(diào)試工具來(lái)調(diào)試各種指紋識(shí)別的算法,方便了用戶的初期測(cè)試,提高了效率和準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)其與DSP 的連接。控制信號(hào)CS 0和CS 1都是片選信號(hào),CS 0低有效,CS 1高有效,這是為不同的CPU 片選信號(hào)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(xiě)控制信號(hào)。M ODE 0和M ODE1兩根信號(hào)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(shí)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(shí)使用;A 0地址線,FPS200共有兩個(gè)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(xiě)索引寄存器還是讀寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器。A 0拉低時(shí)為寫(xiě)索引寄存器,數(shù)據(jù)總線D 7D 0的內(nèi)容寫(xiě)到索引寄存器;A 0拉高時(shí)可讀寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器,數(shù)據(jù)總線上D 7D 0的內(nèi)容讀寫(xiě)到數(shù)據(jù)寄存器。本系統(tǒng)對(duì)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(duì)傳感器的內(nèi)部控制器的讀寫(xiě)是通過(guò)寫(xiě)索引寄存器以選

14、擇合適的內(nèi)部寄存器后,才可以讀寫(xiě)具體的寄存器值。讀操作過(guò)程見(jiàn)圖3。圖2FPS200的DSP 接口先將A 0管腳的電平拉低,發(fā)出寫(xiě)信號(hào),將要讀寫(xiě)的內(nèi)部寄存器地址送到數(shù)據(jù)總線上,寫(xiě)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(hào),將數(shù)據(jù)寄存器上的值讀入DSP 。寫(xiě)操作的過(guò)程類似,只是在寫(xiě)入索引寄存器后,發(fā)出寫(xiě)信號(hào)即可。圖3讀FPS200寄存器時(shí)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(xiě)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(lái)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(shí)讀取一個(gè)矩形區(qū)域子圖;GETI MG 為1時(shí)讀取整幅2563300圖像;GETROW 為1時(shí)讀取指定行的子圖;值得注意的是,往這三個(gè)位的任意位置(同時(shí)只有一位有效,否則無(wú)效寫(xiě)1都會(huì)自動(dòng)初始化新的采集,傳送完最后一個(gè)像素的數(shù)據(jù)后傳感器自動(dòng)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(shí)別等大計(jì)算量的工作。通過(guò)比較8位單片機(jī)(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(shí)別設(shè)備的核心,從而符

16、合本次設(shè)計(jì)的要求。表1處理器對(duì)照表8位MCU16位DSP32位MCU數(shù)字信號(hào)處理能力較弱較強(qiáng)較強(qiáng)圖像壓縮速度較慢較快較快可控性較強(qiáng)較強(qiáng)較強(qiáng)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(diǎn)DSP 芯片6,其主頻達(dá)到了120MH z ,在120MH z 的運(yùn)算條件下運(yùn)算能力可以達(dá)到120MIPS ,可以說(shuō)是一款運(yùn)算速度非常快的DSP 芯片,指紋識(shí)別的大計(jì)算量工作正需要這樣一款運(yùn)算速度快的芯片3;在外圍模塊方面,外部擴(kuò)程序空間達(dá)2M 字,外部擴(kuò)數(shù)據(jù)空間達(dá)8M 字。我們擴(kuò)展了兩片128K 字存儲(chǔ)器,都

17、可以任意作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器還是程序存儲(chǔ)器。其中有一塊存儲(chǔ)器還設(shè)計(jì)成可以配置成字節(jié)或字的存取模式,以適應(yīng)指紋識(shí)別圖像的處理需要。因?yàn)橹讣y識(shí)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(shí)現(xiàn)了M MC 卡的讀寫(xiě)4,M MC 卡體積小,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠,被廣泛用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品中;J T AG 接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(gè)簡(jiǎn)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(shí)間(c增加放電電流(d改變?cè)鲆嬷礑SP 還支持SC

18、I 、SSI 、定時(shí)器接口,以及47個(gè)復(fù)用的G PI O ,在接下來(lái)的軟件設(shè)計(jì)中可以充分利用這些接口以及接口電路特性,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能優(yōu)化、系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析FPS200是一個(gè)功能強(qiáng)大的指紋傳感器,圖像的輸出質(zhì)量是可控的。放電時(shí)間和放電電流決定了傳感器對(duì)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(shí)間寄存器和可編程增益控制寄存器,通過(guò)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(guò)增加放電時(shí)間,增加放電電流,以及進(jìn)一步改變?cè)鲆嬷?可以得到最佳圖

19、像質(zhì)量。4結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DSP 的指紋識(shí)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(yùn)算處理量。以M otorola 的DSP56858為核心,擴(kuò)展了2128K 16位的SRAM 和1Mbits 的EEPROM 充分考慮了運(yùn)算過(guò)程中的主存需要。另外本文還額外設(shè)計(jì)了M MC 卡的外圍存儲(chǔ)器,可以非常容易擴(kuò)展對(duì)外部數(shù)據(jù)的存放需要。非常適合需要存儲(chǔ)大量指紋特征庫(kù)場(chǎng)合的應(yīng)用需求。本文設(shè)計(jì)的指紋識(shí)別平臺(tái)采用了可編程技術(shù),增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性。采用DSP 技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)指紋識(shí)別的脫機(jī)產(chǎn)品。由于DSP