新型指紋傳感器MBF200的特性及應用

關(guān)鍵詞：MBF200 指紋傳感器 自動(dòng)檢測 接口

1 引言

指紋識別技術(shù)是新近發(fā)展起來(lái)的一項高新技術(shù)。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(gè)隨身攜帶的特殊印章來(lái)進(jìn)行身份識別的一種技術(shù)。MBF200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(dòng)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的特性，給出了其在USB總線(xiàn)接口模式下的電路實(shí)現方法，以及讀取所采集數據的軟件流程。該設計可用于便攜式指紋數據采集系統、智能卡系統、數據庫、網(wǎng)絡(luò )和當地存儲的安全進(jìn)入系統，以及其它安全訪(fǎng)問(wèn)控制系統。

2 MBF200的主要特點(diǎn)

MBF200具有高性能、低功耗和低成本等特點(diǎn)，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(gè)電容板，接觸的手指充當第二個(gè)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(shí)，指紋的高低不平就會(huì )在傳感器陣列上產(chǎn)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(diǎn)有：

●是采用標準COMS技術(shù)的電容性固態(tài)器件；

●具有500dpi的分辨率；

●傳感器面積為1.28cm1.50cm；

●傳感器陣列為256300點(diǎn)；

●具有自動(dòng)指紋檢測能力；

●內含8位模數轉換器；

●可提供三種總線(xiàn)接口形式；

●帶有8位微處理器總線(xiàn)接口；

●帶有全速USB接口和SPI接口；

●可提供3.3V～5V的工作電壓；

●5V工作電壓下的功耗小于70mW。

MBF200的內部結構如圖1所示。其中256300點(diǎn)傳感陣列用于產(chǎn)生感應電壓；功能寄存器用于對芯片進(jìn)行操作控制；控制電路用于傳感器與外部接口電路的控制，主要負責數據的讀出與寫(xiě)入；地址索引寄存器與數據寄存器分別用于對功能寄存器的地址選擇及數據的讀寫(xiě)；采樣保持及AD轉換電路用于對傳感陣列所產(chǎn)生的電壓進(jìn)行采樣。另外，多頻振蕩電路用于為芯片提供時(shí)鐘信號。

3 器件功能

3.1 功能寄存器

MBF200是可編程的傳感器芯片，它所具有的強大功能是通過(guò)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(jìn)行操作時(shí)，先向地址寄存器內寫(xiě)入所要訪(fǎng)問(wèn)寄存器的地址，然后讀寫(xiě)數據寄存器即可。

表1 MBF200中的功能寄存器

由于列地址最大為256，所以，MBF200只有一個(gè)列開(kāi)始寄存器CAL和一個(gè)列結束寄存器CEL。另外，THR用于在自動(dòng)檢測指紋時(shí)設置門(mén)限電壓。PGC用于在A(yíng)/D轉換時(shí)設置放大器的增益。

3.2 MBF200的工作過(guò)程

MBF200的傳感器陣列由256列300行的傳感器單元組成。每一列有兩個(gè)采樣保持電路，每次捕獲一行指紋圖像數據。行捕獲分為兩個(gè)階段，第一階段，將電容板的被選行充電到3.3V或5V，在充電的同時(shí)，一個(gè)內部信號使能一個(gè)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(gè)內部信號使能另一個(gè)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(zhù)對該信號進(jìn)行數字化，從而完成一次采樣。實(shí)際上，該芯片的靈敏度是由放電電流和放電時(shí)間寄存器來(lái)調節的。

3.3 MBF200的接口模式

MBF200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(shí)工作。其功能如表2所列。

表2 MBF200的操作模式

在微處理器接口模式中，可將MFB200與51系列8位單片機相連，且其接口形式非常簡(jiǎn)單。需要說(shuō)明的是，在該芯片中，地址選擇與數據寫(xiě)入是分兩步完成的，先通過(guò)A0置0來(lái)寫(xiě)地址索引寄存器，然后再對A0置1來(lái)讀寫(xiě)對應地址的數據寄存器。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位數據同時(shí)、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(xiě)真值表

USB接口有兩種模式：一種是用芯片內部的ROM來(lái)存儲設備信息，一種是用外部串行ROM來(lái)存儲設備信息。

4 MBF200的應用

4.1 MBF200與USB的接口

由于USB總線(xiàn)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MBF200在USB模式下的接口電路（如圖2所示）。其中MODE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，FSET用于設置內部多頻振蕩器及自動(dòng)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3.3V～3.6V之間，由于該芯片的低功耗特點(diǎn)，所以在設計中可以使用USB總線(xiàn)電源來(lái)滿(mǎn)足系統設計要求。

USB接口使用三個(gè)端點(diǎn)：其中端點(diǎn)0是控制端點(diǎn)，用來(lái)控制對功能寄存器的讀寫(xiě)；端點(diǎn)1是讀端點(diǎn)，用來(lái)讀取經(jīng)過(guò)AD轉換后的指紋圖像數據，它是以塊方式進(jìn)行讀取的，每次64個(gè)字節；端點(diǎn)是2是中斷端點(diǎn)，當ISR(Interrupt Status Register)被置位時(shí)，由它向端點(diǎn)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(guò)內部功能寄存器的設置來(lái)完成的。

首先要對傳感器進(jìn)行初始化：主要是啟動(dòng)內部ADC并對特殊功能寄存器CTRLB的第2位置位，以確定ADC后的地址是否自動(dòng)增加，同時(shí)設置芯片時(shí)鐘源并使能傳感器。其流程如圖3所示。

其次是調整參數，其流程如圖4所示，其中DTR是放電時(shí)間寄存器，DCR則是用來(lái)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(lái)設置放大器的增益。

最后就是獲取指紋圖像數據，在該傳感器芯片中，共有三種指紋圖像數據獲取方式，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(kāi)始設置，甚至可以從一個(gè)像素點(diǎn)到整幅圖像；在USB接口模式中，子圖列的開(kāi)始必須是64的倍數。

（2）獲取整幅圖像（GETIMG）方式是把數據采集方式初始化為從行0列0到行299列255，以獲取整幅圖像數據。

（3）獲取行數據（GETROW）方式主要捕獲特定的幾行數據。

MBF200芯片內部提供有6個(gè)寄存器，可用來(lái)設置圖像數據捕獲的位置。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據的流程如圖5所示。在USB模式中，數據是以塊為單位進(jìn)行傳輸的，每塊數據大小必須為64字節。

其它兩種接口方式的指紋圖像數據獲取流程基本相似，只是沒(méi)有數據塊的限制，它們可以讀取任意字節的指紋數據。

5 小結

隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，計算機安全技術(shù)和身份認證技術(shù)對于人們的工作與生活來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要。生物特征識別技術(shù)為信息社會(huì )日益迫切的安全需求提供了一個(gè)較好的解決方案。文中基于MBF200的指紋傳感器具有自動(dòng)指紋檢測功能，可支持多種接口模式，而且設計方便，故將得到廣泛的應用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。