基于FPGA的指紋識別模塊設計

1.主要內容

本模塊采用xilinx公司的Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片，通過(guò)富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器對指紋圖象進(jìn)行提取，然后對提取的指紋圖像進(jìn)行灰度濾波、圖像增強、二值化、二值去噪、細化等預處理，得到清晰的指紋圖象，再從清晰的指紋圖象中提取指紋特征點(diǎn)，存入外部FLASH作為建檔模板。指紋比對時(shí)，采用同樣的方法獲得清晰的指紋圖像，建立比對模板，然后將比對模板與建檔模板利用點(diǎn)模式匹配算法進(jìn)行比對，得出比對結果。該模塊利用嵌入式軟核實(shí)現系統的管理，利用硬件實(shí)現指紋識別，保證了系統功能的完整性與識別的正確性。該識別模塊可用于門(mén)禁、考勤、安檢、保險箱柜等很多方面，也可和計算機等設備聯(lián)機使用，滿(mǎn)足各個(gè)方面的不同需求，因此它的設計具有很廣泛的應用前景和市場(chǎng)價(jià)值。

2.項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng )新點(diǎn)的論述

2.1.項目的關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1指紋圖像的采集

本模塊利用美國富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器對指紋圖像進(jìn)行提取和保存。這款指紋傳感器采用標準CMOS技術(shù)，含有8位A/D變換器，能在2.8 V～5 V的寬電壓范圍內工作，能自動(dòng)檢測到是否有指紋到達傳感器，并實(shí)現在線(xiàn)采集。它能在保證指紋圖像高分辨率（500dpi）的同時(shí)大大減小了傳感器的尺寸（13.3×3.6mm2）。然后XC3S500E利用其SPI端口通過(guò)讀寫(xiě)MFS300內部的寄存器，實(shí)現對它的控制，以完成指紋采集的任務(wù)。

2.1.2指紋圖像的預處理

圖像預處理的主要步驟包括：方向圖計算、圖像增強、二值化、二值去噪、細化等。預處理的目的是改善輸入指紋圖像的質(zhì)量，以提高特征提取的準確性。原始指紋圖像一般存在噪聲污染、脊線(xiàn)斷裂或脊線(xiàn)模糊等問(wèn)題，需要進(jìn)行圖像增強（使用濾波技術(shù)）以改善質(zhì)量。由于指紋特征僅包含在脊線(xiàn)的形狀結構中，所以，通過(guò)二值化和細化把深淺不一、寬度不同的脊線(xiàn)變成灰度相同、單像素寬的細脊線(xiàn)，以便于特征提取。

2.1.3指紋圖像的特征提取與比對

系統通過(guò)細節特征提取算法對預處理后的指紋圖像進(jìn)行全局特征和細節特征的提取，將獲得指紋圖像特征參數存入外設FLASH中，建立指紋數據庫。在識別模式時(shí)，系統用同樣的方式提取指紋圖像特征參數，存入擴展SRAM中，然后將外設FLASH和擴展SRAM中的數據利用點(diǎn)模式匹配算法進(jìn)行比對，最終將比對結果輸出。

2.1.4系統整體需要考慮的問(wèn)題

有效的指紋辨識系統不僅僅依賴(lài)于辨識算法，還需要考慮很多其他方面的問(wèn)題，它包括注冊和辨識過(guò)程、排斥欺騙和安全考慮等。我們必須對這些問(wèn)題提出應對辦法，才能實(shí)現有效的辨識。

2.2系統創(chuàng )新點(diǎn)

縱覽全球諸多指紋識別事件：出入關(guān)按指紋、開(kāi)門(mén)按指紋、領(lǐng)社保按指紋、上班考勤按指紋、幼兒園接送孩子按指紋、銀行取款按指紋、超市購物按指紋付款、洗衣服按指紋進(jìn)行分工、打手機按指紋、上電腦按指紋等等新現象層出不窮，指紋識別已經(jīng)與人們的生活休戚相關(guān)。指紋化產(chǎn)品呈現出廣闊的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景和巨大的利潤空間。

由于此開(kāi)發(fā)板具有VGA、RS232、鍵盤(pán)/鼠標等接口，可以很方便的在很多產(chǎn)品得到應用，使產(chǎn)品具有指紋識別的功能。例如，它可以與指紋保險箱（柜）、指紋門(mén)鎖、IC卡系統、汽車(chē)啟動(dòng)系統連接使用，也可以統購RS232和計算機等設備聯(lián)機使用。同時(shí)，目前的指紋識別認證系統大都采用DSP或者ARM來(lái)實(shí)現，這樣的嵌入式系統很難實(shí)現小型化集成化，更無(wú)法SOC，使得指紋識別在小型化便攜式產(chǎn)品中的應用得到局限，而本模塊以FPGA作為核心控制系統，由于FPGA具有高度集成、低功耗、短開(kāi)發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)，所以如果本模塊設計成功，可以實(shí)現指紋識別模塊的小型化、集成化和SOC，使得指紋識別可以應用到更多的領(lǐng)域，為人們的生活帶來(lái)更多的便利和安全，同時(shí)也具有更廣闊的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景和更大的利潤空間。

3.技術(shù)成熟性和可靠性論述

本模塊采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片，這款芯片采用90ns的先進(jìn)工藝，最大容量50萬(wàn)門(mén)，足以滿(mǎn)足設計的要求。美國富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器采用標準CMOS技術(shù)，含有8位A/D變換器，能在2.8 V～5 V的寬電壓范圍內工作，能自動(dòng)檢測到是否有指紋到達傳感器，并實(shí)現在線(xiàn)采集。它能在保證指紋圖像高分辨率（500dpi）的同時(shí)大大減小了傳感器的尺寸（13.3×3.6mm2）。系統利用XC3S500E的SPI端口和MPS300進(jìn)行數據傳輸，使得傳輸更方便，傳輸速度更快、抗干擾能力更強。再加上該模塊利用嵌入式軟核實(shí)現系統的管理，利用硬件實(shí)現識別算法，保證了系統功能的完整性與識別的正確性。而識別算法我們采用美國FBI推薦的特征點(diǎn)匹配算法來(lái)實(shí)現指紋的識別，更保證了系統功能的實(shí)現。

4.項目實(shí)施方案

4.1.方案基本功能框圖及描述

用框圖的方式并加以簡(jiǎn)單的描述簡(jiǎn)述實(shí)施本項目的技術(shù)方案。


圖1系統結構框圖

系統采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片，通過(guò)MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器進(jìn)行指紋圖象的采集，自動(dòng)A/D轉換，并將轉換后的數字信號通過(guò)SPI端口傳送給FPGA核心控制單元，以進(jìn)行指紋登記或指紋對比。內擴展的SRAM和Flash分別用作存儲指紋程序運行時(shí)的臨時(shí)數據和指紋數據信息。PROM在上電時(shí)對FPGA進(jìn)行程序配置。鍵盤(pán)用于實(shí)現模塊模式的切換和模塊密碼設置等功能。RS23接口可以與計算機等設備進(jìn)行聯(lián)機操作，方便系統功能的擴展。該系統利用嵌入式軟核實(shí)現系統的管理，利用硬件實(shí)現識別算法，保證了系統功能的完整性與識別的正確性。

4.2.需要的開(kāi)發(fā)平臺

需要的硬件開(kāi)發(fā)平臺是：初級板Spartan-3E

以partan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制系統，利用其SPI端口訪(fǎng)問(wèn)MFS300傳感器的寄存器實(shí)現數據采集任務(wù)，在其內部嵌入DSP軟核，實(shí)現對圖像的預處理、特征參數的提取和匹配，利用其外設FLASH存儲指紋數據信息，建立指紋數據庫；通過(guò)LCD顯示模塊建立人機交互界面等。

需要的軟件開(kāi)發(fā)平臺是：Xilinx ISE 9.1i、Matlab等；

利用Xilinx ISE 9.1i完成對FPGA的控制，利用Matlab實(shí)現濾波器的仿真，算法的研究，軟核的制作等。

4.3.方案實(shí)施過(guò)程中需要開(kāi)發(fā)的模塊

需要具體開(kāi)發(fā)的模塊包括數據采集模塊、原始圖像的預處理模塊、算法識別驗證模塊（通過(guò)Matlab實(shí)現Dsp算法，作為軟核嵌入FPGA）、鍵盤(pán)操作模塊、LCD顯示模塊等。

4.4.系統最終要達到的性能指標

能準確有效地完成指紋特征參數的提取和指紋的辨識驗證。