一種新型SoPC自動(dòng)指紋識別系統設計

目前，基于FPGA的自動(dòng)指紋識別系統主要有純硬件方式實(shí)現[1]和在以Nios II為CPU的軟核中實(shí)現[2-4]兩種方式。以純硬件方式實(shí)現雖然速度較快，但由于指紋處理算法比較復雜，實(shí)現困難，同時(shí)算法精度差，設計周期長(cháng)；而以下載到FPGA的軟核Nios II為控制模塊，具有靈活的設計方式，并具備軟硬件在系統可編程的功能，較大程度上提高了系統速度，但是該方案中軟硬件處理交替進(jìn)行，涉及到軟硬件之間頻繁的指紋數據傳輸，限制了系統的速度，同時(shí)增加了系統的復雜度。

本文提出了一種基于SoPC的新型結構的自動(dòng)指紋識別設計方案。具有以下特點(diǎn)：

(1)根據對指紋識別算法的分析和優(yōu)化，在軟、硬件結合的基礎上將軟件設計和硬件設計分開(kāi)，把指紋識別系統中耗時(shí)較大的圖像預處理部分用硬件來(lái)實(shí)現，而耗時(shí)較少的特征提取、匹配和操作控制等部分則在NiosⅡ軟核中實(shí)現。從而使得系統結構明晰，處理性能得到提升。

(2)用一塊SRAM作指紋處理中間數據的緩存。指紋圖像前期處理以硬件實(shí)現，中間數據緩存于SRAM中；指紋圖像后期處理軟件從SRAM中將所有數據讀入NiosⅡ的數據存儲器。這樣的存儲設計使得軟件處理和硬件處理之間不涉及大量的數據流傳輸，使軟硬件數據接口簡(jiǎn)單，數據流的控制更加簡(jiǎn)單易行，同時(shí)避免了頻繁的軟硬件數據傳輸帶來(lái)的時(shí)間消耗。

(3)在軟硬件處理結合的基礎上使指紋處理時(shí)間大大降低，1.5 s內可以完成一幅指紋圖像的預處理，3 s內可以完成一幅指紋圖像的比對。

1 設計思路

1.1 指紋系統結構

從整個(gè)指紋處理系統的角度來(lái)考慮，根據各算法處理特性仔細地劃分系統子模塊。通過(guò)對指紋處理算法的分析發(fā)現，指紋的預處理部分使用到多次數據循環(huán)運算，運算量較大而且單一，使用硬件實(shí)現明顯降低時(shí)間消耗，所以選擇對指紋的預處理部分實(shí)行整體硬件化；對于指紋匹配部分，運算量相對較少但算法復雜多樣，使用軟件算法相對比較簡(jiǎn)單而且可以達到很高的精度，所以使用Nios II軟件算法來(lái)實(shí)現。選擇預處理部分整體硬件化，匹配部分整體軟件化的另外一個(gè)好處是軟硬件處理不需要進(jìn)行頻繁的數據交換傳輸，節省時(shí)間的同時(shí)降低了系統的復雜度。

如圖1所示，系統工作流程主要分為指紋硬件采集、指紋圖像硬件預處理和指紋軟件匹配。其中SRAM作為指紋數據的緩存設備，Flash做為指紋特征數據的存儲設備，對指紋數據的處理步驟按照箭頭所指示的方向進(jìn)行。

1.2 NiosⅡ軟件功能

Nios II作為主要控制模塊，通過(guò)Avalon總線(xiàn)協(xié)調指紋處理各個(gè)子模塊的運行。其中預處理硬件模塊由于處理中各算法步驟順序執行，所以以一個(gè)整體掛在A(yíng)valon總線(xiàn)上，方便模塊的控制。指紋圖像預處理后的特征提取匹配使用NiosⅡ軟件實(shí)現，指紋數據儲存于程序的數據存儲器中，按照軟件處理流程調用各個(gè)函數進(jìn)行處理。為了方便觀(guān)察調試結果，在A(yíng)valon上掛有VGA和LCD顯示，每一步算法完成后調用VGA顯示查看處理結果，使用LCD提示處理步驟。

1.3 硬件優(yōu)化技術(shù)

針對FPGA算術(shù)運算中的乘法、除法易出現的時(shí)序問(wèn)題，對浮點(diǎn)數運算、開(kāi)方算法、反正切算法等耗費大量資源的通用性問(wèn)題，特別做了如下優(yōu)化：

(1)乘除法均采用Quartus自帶的IP核進(jìn)行運算，IP核采用流水線(xiàn)結構，減少系統中時(shí)序不滿(mǎn)足情況的發(fā)生，提高系統的穩定性；

(2)浮點(diǎn)數運算均通過(guò)擴大倍數后轉為定點(diǎn)數再進(jìn)行運算，可以在降低運算復雜度的同時(shí)降低時(shí)間消耗；

(3)開(kāi)方算法采用不恢復余數開(kāi)方算法實(shí)現，只涉及加減和移位，處理時(shí)間只有輸入位寬的1/2，可降低系統消耗，減少處理時(shí)間；

(4)反正切運算采用CORDIC算法，采用狀態(tài)機結構，通過(guò)反復迭代實(shí)現，算法簡(jiǎn)單。