基于Nios II與FPS200的半導體指紋采集系統設計

引言

信息化時(shí)代，生物識別技術(shù)作為信息安全和個(gè)人身份識別技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，指紋作為人體中最明顯的外表特征之一，具有唯一性、穩定性、普遍性和易于采集等優(yōu)點(diǎn)，成為人們的一種活的身份證。

指紋圖像的采集技術(shù)是指紋識別系統中的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]，在指紋識別系統中具有非常關(guān)鍵的作用，altera公司提供的Nios II是一種軟核處理器，用于可編程邏輯器件的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以加入自定義指令或自定義外設，使用硬件來(lái)實(shí)現軟件執行起來(lái)最耗時(shí)的那部分程序，因此在很大程度上提高了系統的性能，縮短了執行時(shí)間，并可以將其嵌入到低成本的cyclone II等芯片中，具有較高的性?xún)r(jià)比，本設計以DE2開(kāi)發(fā)板為硬件平臺，配以指紋傳感器芯片和VGA接口控制電路，實(shí)現一種嵌入式自動(dòng)指紋采集方案。

1 指紋采集技術(shù)發(fā)展與現狀

目前市場(chǎng)上有多種不同的指紋采集系統，指紋采集技術(shù)主要有光學(xué)指紋采集、半導體指紋采集和超聲波指紋采集[2]。

1)光學(xué)指紋采集技術(shù)。其原理是利用光的全反射(FTIR)，成像區域大，功耗高，成本高。

2)超聲波指紋采集技術(shù)，它被認為是指紋采集技術(shù)中最好的一種

，獲取的圖像是實(shí)際指紋紋路凹凸的真實(shí)反映，圖像質(zhì)量非常好，但成本很高，而且還處于實(shí)驗室階段。

3)半導體指紋采集技術(shù)，根據采用傳感器的不同，可分為3種：硅電容指紋傳感器通過(guò)電子度量來(lái)捕捉指紋圖像，半導體壓感式傳感器，指紋的外表地形(凹凸)壓在具有彈性的壓感介質(zhì)材料，轉化為相應的電子信號，產(chǎn)生具有灰度級的指紋圖像，半導體溫度感應傳感器，通過(guò)感應壓在設備上較近脊線(xiàn)和較遠谷線(xiàn)的溫度的不同獲得指紋圖像。優(yōu)點(diǎn)是成像區域小、功耗低、成本低、集成度高，適合于目前的指紋采集及其識別。目前是最為流行的指紋采集技術(shù)。

2 硬件設計

本設計采用體積小巧的Veridicom公司的FPS200[3]指紋傳感器來(lái)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)，具有性能高、功耗低、價(jià)格低、尺寸小、耐靜電能力強、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，該傳感器提供3種接口方式：8位微機總線(xiàn)接口、USB全速接口和SPI接口，其傳感區域為256×300陣列，分辨率為500dpi，內置8位模/數轉換器，工作電壓為3.3-5V，本設計選取MCU接口方式，Nios II處理器與指紋傳感器FPS200取MCU接口模式如圖1所示，圖2為Nios II系統的硬件架構框圖。

Nios II處理器可提供高性能內核、低成本內核和標準內核3種內核，且具有可編程、可配置等特點(diǎn)[4]，所有內核可以方便地增加指令和自定義外設，大大增強了SOPC系統的整體能力，在Nios II嵌入式處理器自定義指令和自定義外設的操作控制下，硬件可以?xún)?yōu)化那些軟件執行起來(lái)最耗時(shí)的那部分程序，使其能夠在FPGA中運行，從而大大地提高了系統性能和數據吞吐量，本設計中FPS200指紋采集模塊和VGA顯示部分使用了自定義外設的形式通過(guò)AVALON總線(xiàn)與Nios II CPU連接，簡(jiǎn)化了系統設計，增強了系統穩定性。

2.1 自定義指紋采集模塊外設

指紋采集模塊核心部分為FPS200傳感器芯片，該芯片是一種觸摸式CMOS傳感器件，本指紋采集系統采用傳感器的微處理器總線(xiàn)(MCU)模式，傳感器的8位數據線(xiàn)直接與DE2開(kāi)發(fā)板的擴展口相接，采用Nios II自定義外設的接口形式來(lái)對FPS200指紋圖像傳感器進(jìn)行初始化控制和圖像讀取。

2.2 自定義VGA顯示輸出模塊外設

圖像的顯示有許多種設備，常見(jiàn)得有VGA、SVGA、LCD等，本設備采用VGA顯示指紋圖像采集的過(guò)程，可以很直觀(guān)地顯示指紋的清晰圖像。使用640×480模式，顯示器刷新頻率為60赫茲，普通的顯示器都滿(mǎn)足工業(yè)標準，因此在設計VGA控制器和自定義外設時(shí)參考了顯示器的技術(shù)規格，VGA顯示輸出模塊包括顯示器及其相應的接口控制電路，采用Nios II處理器自定義外設的形式來(lái)對VGA接口進(jìn)行操作，通過(guò)直接對顯存的讀/寫(xiě)來(lái)控制圖像的顯示，最大可以顯示640×480(即顯存為300KB)像素、刷新頻率為60赫茲的256級的灰度圖像，能夠滿(mǎn)足指紋圖像的顯示以及處理結果的輸出需求。

3 軟件設計

FPS200內含13個(gè)寄存器，其中，DTR和DCR寄存器用于指定放電電流時(shí)間，RAH、RAL、REH、REL寄存器用于指定要采集的行;CAL、CEL寄存器用于指定要采集的列;CTRLA、CTRLB、CTRLC三個(gè)為控制寄存器，主要用于控制傳感器的初始化、時(shí)鐘的選擇及P0、P1的輸出;PGC寄存器用于指定采集指紋圖像的增益。

傳感器初始化是指對DTR、DCR、PGC三個(gè)寄存器進(jìn)行配置，以便在獲得整幅圖像之前啟動(dòng)傳感器并對圖像參數進(jìn)行調整，根據外界環(huán)境和指紋表面的特性設置好相應參數。

本系統采用集成MCU接口，指紋采集的程序流程如圖3所示。首先初始化FPS200的各個(gè)寄存器，主要是放電電流寄存器(DCR)、放電時(shí)間寄存器(DTR)和增益控制寄存器(PGC)的設置;然后查詢(xún)等待，指紋被FPS200采集進(jìn)入數據寄存器后，再讀入內存，根據指紋采集流程圖在Nios II IDE下編寫(xiě)相應的C語(yǔ)言代碼，具體如下：

用HDL語(yǔ)言編寫(xiě)指紋采集芯片FPS200和VGA的外設與開(kāi)發(fā)板連接，創(chuàng )建Nios II CPU時(shí)包括以下內容：選擇標準的Nios II CPU內核[5]，根據需要添加相應的components。在Interface to user logic中添加自定義指紋采集和VGA圖像顯示外設，在SOPC Builder中添加FPS200和VGA兩個(gè)自定義外設，生成的Nios II CPU如圖4所示。

4 系統實(shí)現

啟動(dòng)Nios II IDE環(huán)境下，創(chuàng )建系統軟件控制部分后，運行程序即可采集指紋圖像，本系統環(huán)境下采集的指紋圖像5所示。

圖6為作參考比較的光學(xué)采集指紋圖像，指紋圖像容易受指紋表面的雜質(zhì)影響，手指干燥、潮濕和帶有灰塵都會(huì )使成像模糊。圖5為采集原始指紋后用軟件讀取得指紋圖像，在手指干燥、潮濕和帶有灰塵的情況下都可采集到很好效果的指紋圖像，兩種不同技術(shù)所采集的圖像相比而言，光學(xué)采集的指紋比較模糊，從圖5顯示的結果可以看出，本系統可以簡(jiǎn)便快速地獲取比較清晰的原始指紋灰度圖，圖像質(zhì)量好，失真較小，保留了指紋紋線(xiàn)的邊緣細節和固有形態(tài)，指紋的谷線(xiàn)和脊線(xiàn)明顯，線(xiàn)條連接緊密。在指紋處理得處理過(guò)程中有利于提取指紋的特征參數，可以很好地應用于指紋識別系統及指紋分類(lèi)系統的各種后端任務(wù)[3]，如指紋自動(dòng)識別系統的建庫和各種查詢(xún)工作。

5 小結

本文設計了一種基于Nios II處理器，采用高性能指紋傳感芯片FPS200的MCU接口方式的指紋采集系統;詳細地闡述了指紋采集系統的自定義外設及指紋采集程序編寫(xiě)。本系統采集的原始指紋圖像質(zhì)量高，效果好，能夠滿(mǎn)足嵌入式指紋識別系統的要求。