嵌入式虹膜圖像采集及預處理

摘要：簡(jiǎn)要介紹了Blackfin561的DMA功能和BMP文件的格式，敘述了在基于Blackfin561的嵌入式操作系統uClinux下并行外部接口（PPI）驅動(dòng)程序的框架，以及驅動(dòng)程序中各個(gè)函數的具體功能與實(shí)現方式。完成了虹膜圖像數據的采集，并對圖像數據進(jìn)行了預處理，提取其中所有亮度信息，生成BMP圖像文件。同時(shí)指出了調試過(guò)程中常遇的問(wèn)題以及解決方法。關(guān)鍵詞：嵌入式系統；設備驅動(dòng)程序；虹膜圖像采集；DMA；PPI

0 引言

隨著(zhù)計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，信息安全顯示出前所未有的重要性，而身份識別作為保證信息安全的必要前提，也越來(lái)越受到重視。虹膜識別技術(shù)是基于眼睛虹膜的生物識別技術(shù)。虹膜的終生不變性以及信息提取的非接觸性等特性，使其成為各項生物識別技術(shù)中最突出的一項。本文論述了在基于Blackfin561的嵌入式操作系統uClinux的虹膜圖像采集以及預處理。為后期在嵌入式平臺上進(jìn)行虹膜圖像運算提供了圖像來(lái)源。

1 Blackfin561中的DMA

Blackfin系列DSP產(chǎn)品是ADI公司的基于微信號體系結構的DSP，適用于各種視頻、音頻、通信領(lǐng)域。ADSP-BF561有多個(gè)獨立的DMA控制器，能夠以最小的DSP內核開(kāi)銷(xiāo)完成數據自動(dòng)傳輸。DMA傳輸可以發(fā)生在A(yíng)DSP-BF561的內部存儲器和任一有DMA能力的外設之間。此外，DMA傳輸也可以在任一有DMA能力的外設和已連接到外部存儲器接口的外部設備之間完成（包括SDRAM控制器、異步存儲器控制器）。有DMA傳輸能力的外設包括SPORT、SPI端口、UART和PPI端口。每個(gè)獨立的有DMA能力的外設至少有一個(gè)專(zhuān)用DMA通道。BF561內部專(zhuān)門(mén)為適應視頻數據處理而增加了二維DMA。

2 PPI接口驅動(dòng)的具體實(shí)現

uClinux是針對微控制領(lǐng)域而設計的Linux系統，面向沒(méi)有MMU（Memory Management Unit）的硬件平臺。它是Linux的一個(gè)變種，一方面它繼承了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)，例如穩定性，強大的網(wǎng)絡(luò )功能；另一方面其內核相當精簡(jiǎn)， 內核體積小于512KB， 內核加文件系統小于900KB。uClinux同標準Linux主要的區別在于兩者的內存管理機制和進(jìn)程調度管理機制，另外它采用了romfs文件系統，并對Linux上的C語(yǔ)言庫glibc做了簡(jiǎn)化。uClinux完全符合GNU／GPL公約，完全開(kāi)放源代碼，因此在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛應用。

為管理各種外圍硬件設備，uClinux系統對其采取面向對象的封裝機制。uClinux將所有的外圍設備看成是一類(lèi)特殊文件，稱(chēng)為“設備文件”，它抽象了對硬件的處理，用戶(hù)進(jìn)程只需通過(guò)標準的系統調用如open()，read()，write()，close()而無(wú)需了解設備在硬件層上實(shí)現的細節即可實(shí)現對設備的訪(fǎng)問(wèn)控制。驅動(dòng)程序則負責這些系統調用的具體實(shí)現。

針對具體應用，在驅動(dòng)程序中實(shí)現了模塊注冊注銷(xiāo)函數，open，release接口函數和read接口函數（如圖1所示）。驅動(dòng)程序采用了中斷方式，對PPI和DMA進(jìn)行了配置，采用BF561提供的二維DMA功能。詳細介紹如下：

(1)模塊初始化函數init_module()。該函數是每個(gè)內核模塊加載的時(shí)候首先調用的一個(gè)默認函數。程序中使用了module_init()宏來(lái)顯式命名模塊的注冊函數為 ppi_init()，在該函數中完成了設備’ppi’的注冊，當模塊加載完畢之后，內核即知曉該設備的存在。

(2)模塊卸載函數cleanup_module()，該函數與init_module()做相反的工作，在內核中取消設備的登記。與模塊注冊類(lèi)似，程序中使用module_exit()宏來(lái)顯式命名模塊的注銷(xiāo)函數為 ppi_exit()該函數在模塊卸載的時(shí)候自動(dòng)調用。

(3)設備驅動(dòng)程序的file_operations結構。由于所使用的PPI接口只用來(lái)做數據采集，因此file_operation結構定義如下：

static struct file_operations ppi_fops = {

owner: THIS_MODULE,

read: ppi_read,

open: ppi_open,

release: ppi_release,

};

(4)open，release接口函數。在這兩個(gè)函數中分別使用了MOD_INC_USE_COUNT和MOD_DEC_USE_COUNT宏，被操作系統內核用來(lái)記錄當前訪(fǎng)問(wèn)設備文件的進(jìn)程數。由于要使用中斷方式，所以在open和release中要分別實(shí)現中斷的申請和釋放。設備驅動(dòng)程序通過(guò)調用request_irq()函數申請中斷，將一個(gè)硬件處理函數掛到相應的處理隊列中，通過(guò)調用free_irq()函數釋放中斷。在open函數中初始化了PPI和DMA的部分相關(guān)寄存器。擇要描述如下：

*pDMA1_0_Y_COUNT = 625; 二維DMA的外層循環(huán)計數寄存器，用于保存外層循環(huán)的數目。

*pDMA1_0_X_COUNT = 1728/4; 二維DMA的內層循環(huán)計數寄存器，用于保存內層循環(huán)的數目。

*pDMA1_0_X_MODIFY= *pDMA1_0_Y_MODIFY = 4; 內層外層循環(huán)地址增量寄存器。為有效利用DMA帶寬，設置了PPI使之能處理32位DMA，且數據緩沖區是連續的，此處兩個(gè)增量寄存器都被設置為4。

*pPPI0_FRAME = 625; 在PPI被設置成ITU-656輸入模式下，該寄存器用于保存每幀的數據線(xiàn)路數。

(5)read接口函數。在該函數中初始化PPI控制寄存器和DMA配置寄存器及DMA地址寄存器。

*pDMA1_0_START_ADDR = buf;

*pDMA1_0_CONFIG = 0x109B;

*pPPI0_CONTROL = 0x01C5;

設置好寄存器后，使進(jìn)程進(jìn)入睡眠隊列，等待DMA結束產(chǎn)生的中斷將其喚醒。

數據緩沖區在用戶(hù)區定義，因一幀數據大小確定，所以在用戶(hù)應用程序中定義的數據存儲區大小指定為625*1728B。通過(guò)調用函數時(shí)傳遞指針的方式通知數據緩沖區的位置。在該函數中不再使用copy_to_user()函數，此方式節省了內存空間，對于嵌入式應用來(lái)說(shuō)意義重大。事實(shí)上每次DMA開(kāi)始傳送的頭4個(gè)字節總是被忽略掉的，這4個(gè)字節是第一個(gè)活動(dòng)視頻開(kāi)始（EAV）代碼。即需要的一幀圖像數據比實(shí)際傳送的要少4個(gè)字節，但是為了數據處理的方便，仍將數據緩存區定義為完整一幀圖像的大小，這樣數據緩存區的最后4個(gè)字節是下一幀圖像的EAV代碼。到此，虹膜圖像采集的驅動(dòng)程序基本完成，可以看出，驅動(dòng)程序與應用程序聯(lián)系緊密，這也反應了嵌入式系統的一個(gè)特點(diǎn)，面向應用，專(zhuān)用性極強。