基于NiosII的自動指紋識別系統(tǒng)設計-設計應用

精品文檔-下載后可編輯基于NiosII的自動指紋識別系統(tǒng)設計-設計應用介紹基于NiosII處理器的嵌入式自動指紋識別系統(tǒng)的實現(xiàn)方法;具體說明自動指紋識別系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)設計、用戶自定義指令的設計,以及指紋識別算法的處理流程和實現(xiàn)方法。

引言

指紋識別作為生物特征識別的一種,在身份識別上有著其他手段不可比擬的優(yōu)越性：人的指紋具有性和穩(wěn)定性的特點;隨著指紋傳感器性能的提高和價格的降低,指紋的采集相對容易;指紋的識別算法已經(jīng)較為成熟。由于指紋識別的諸多優(yōu)點,指紋識別技術(shù)已經(jīng)逐漸走入民用市場,并應用到許多嵌入式設備中。

目前的嵌入式處理器種類繁多。Altera公司的NiosII處理器是用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器,與Altera的低成本的CycloneFPGA組合,具有很高的性能價格比。本系統(tǒng)采用NiosII和CycloneEP1C20嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板,以及Veridicom公司的FPS200指紋傳感器芯片,實現(xiàn)了一個嵌入式自動指紋識別系統(tǒng)。

1總體設計及系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)有兩大功能：指紋登記和指紋比對。指紋登記主要包括指紋采集、指紋圖像預處理、特征點提取、特征模板存儲和輸出顯示;指紋比對的前三步與指紋登記相同,但在特征點提取后,是將生成的特征模板與存儲在指紋特征模板庫中的特征模板進行特征匹配,輸出顯示匹配結(jié)果。自動指紋識別系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示。

圖1自動指紋識別的基本原理框圖

本系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為三層：系統(tǒng)硬件平臺、操作系統(tǒng)和指紋識別算法。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2系統(tǒng)層次

層——系統(tǒng)硬件平臺,是系統(tǒng)的物理基礎,提供軟件的運行平臺和通信接口。系統(tǒng)的硬件平臺在Altera的NiosIICyclone嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板上實現(xiàn),指紋傳感器采用美國Veridicom公司的FPS200。FPS200可輸出大小為256×300像素、分辨率為500dpi的灰度圖像。

可靠性。這一層提供任務調(diào)度以及接口驅(qū)動,同時,通過硬件中斷來實現(xiàn)系統(tǒng)對外界的通信請求的實時響應,如對指紋采集的控制、對串口通信的控制等。這種方式可以提高系統(tǒng)的運行效率。

上層是指紋識別算法的實現(xiàn)。該算法高效地對采集到的指紋進行處理和匹配。采用C語言在NiosII的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）中實現(xiàn)。

2系統(tǒng)硬件的設計與實現(xiàn)

2.1NiosII嵌入式軟核處理器簡介

NiosII嵌入式處理器是Altera公司于2022年6月推出的第二代用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器,性能超過200DMIPS。NiosII是基于哈佛結(jié)構(gòu)的RISC通用嵌入式處理器軟核,能與用戶邏輯相結(jié)合,編程至Altera的FPGA中。處理器具有32位指令集,32位數(shù)據(jù)通道和可配置的指令以及數(shù)據(jù)緩沖。它特別為可編程邏輯進行了優(yōu)化設計,也為可編程單芯片系統(tǒng)（SoPC）設計了一套綜合解決方案。NiosII處理器系列包括三種內(nèi)核：一種是高性能的內(nèi)核（NiosII/f）;一種是低成本內(nèi)核（NiosII/e）;一種是性能/成本折中的標準內(nèi)核（NiosII/s）,是前兩種的平衡。本系統(tǒng)采用標準內(nèi)核。

NiosII處理器支持256個具有固定或可變時鐘周期操作的定制指令;允許NiosII設計人員利用擴展CPU指令集,通過提升那些對時間敏感的應用軟件的運行速度,來提高系統(tǒng)性能。

2.2硬件平臺結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)使用FPS200指紋傳感器獲取指紋圖像。FPS200是電容式固態(tài)指紋傳感器,采用CMOS技術(shù),獲取的圖像為256×300像素,分辨率為500dpi。該傳感器提供三種接口方式：8位微機總線接口、集成USB全速接口和集成SPI接口。本系統(tǒng)采用集成SPI接口。指紋采集的程序流程是：首先初始化FPS200的各個寄存器,主要是放電電流寄存器（DCR）、放電時間寄存器（DTR）和增益控制寄存器(PGC)的設置;然后查詢等待,指紋被FPS200采集進入數(shù)據(jù)寄存器后,通過DMA存入內(nèi)存。

由于從指紋傳感器采集到的指紋圖像數(shù)據(jù)在80KB左右,以DMA方式存入片內(nèi)RAM。NiosII對指紋圖像數(shù)據(jù)進行處理后,生成指紋特征模板,在指紋登記模式下,存入片外Flash中;在指紋比對模式下,與存儲在Flash中的特征模板進行匹配,處理結(jié)果通過LCD和七段LED顯示器輸出顯示。

本系統(tǒng)的硬件平臺主要是在Altera的NiosIICyclone嵌入式開發(fā)板上實現(xiàn),選用Altera的Cyclone版本的NiosII開發(fā)套件,包括NiosII處理器、標準外圍設備庫、集成了SoPCBuilder系統(tǒng)設計工具的QuartusII開發(fā)軟件等。系統(tǒng)的主要組件NiosII的標準內(nèi)核、片內(nèi)存儲器、SPI、UART、DMA控制器、并行I/O接口、Avalon總線、定時器等都集成在一塊Altera的Cycl