基于DSP的指紋采集系統的研究

在各種生物識別技術(shù)中，指紋識別技術(shù)是最成熟、準確和最易使用的。而指紋采集作為指紋識別系統中的一個(gè)重要環(huán)節也越來(lái)越受到人們的重視，高質(zhì)量的指紋采集技術(shù)已成為一個(gè)重要的研究課題。指紋圖像的采集是自動(dòng)指紋識別系統（AFIS-Automation Fingerprint Identification System）的重要組成部分，采集到的指紋圖像的質(zhì)量好壞，直接影響到后續的指紋圖像處理過(guò)程。高質(zhì)量的指紋圖像可以大大簡(jiǎn)化指紋圖像處理的算法，提高識別率，減小拒識率。

隨著(zhù)新型半導體指紋采集傳感器件和DSP，CPLD技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)指紋識別技術(shù)正向著(zhù)小型化和嵌入式的方向發(fā)展。本文介紹的就是基于DSP的指紋采集系統。

本系統的原理
本系統中的指紋傳感器采用FPS200固態(tài)指紋芯片，其成像原理如圖1所示。由圖1可以看出，一個(gè)像素點(diǎn)上有一個(gè)金屬電極，手指皮膚是另一個(gè)電極，兩者之間形成了電容CP。手指皮膚上的脊（ridge）和谷（valley）將產(chǎn)生不同的CP。由于CP很小，無(wú)法直接測量，所以使用以下方法：先以一固定時(shí)間對CP充電（SW1關(guān)且SA2開(kāi)），接著(zhù)以一固定時(shí)間對CP放電（SW1開(kāi)且SW2關(guān)），放出的電能將轉儲到Cc中。每一次充電放電周期中，由于充電電壓相同，充電時(shí)間相同，所以不同的CP值將導致CP存儲不同的電能。這些電能在CP放電時(shí)將轉儲到Cc中導致Cc電壓的增高。所以CP值的不同將導致一次充電放電周期結束后Cc電壓增高值的不同（成正比），最后將導致Cc電壓增高到參考電壓所需的充電放電周期次數的不同（成反比），這樣就可以通過(guò)充電放電周期次數來(lái)測量CP了。

圖1 FPS200指紋成像原理

傳感器陣列包括256列×300行的傳感器電極，每一列都有兩個(gè)采樣—保持電路與之相聯(lián)系。采集一個(gè)指紋圖像時(shí)獲取一行數據，而此過(guò)程共有兩個(gè)階段。第一階段，傳感器電極中被選擇的行預充電到VDD電平，一個(gè)內部信號允許第一采樣—保持電路集合保存預充電行的電平。第二階段，行傳感器電極以一定電流放電，每個(gè)單元的放電率跟“放電電流”成比例。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（即“放電時(shí)間”）后，一個(gè)內部信號允許第二采樣——保持電路集合保存最終電極的電平。預充電與放電后的電極電平之間的差別在于傳感器電容量。行獲取結束后，就可以對行中的每個(gè)單元進(jìn)行A/D轉換了。芯片的敏感度可以通過(guò)調整放電時(shí)間與放電電流來(lái)控制；電流源的參考值由外接于ISET和地之間的電阻來(lái)決定，其由放電電流寄存器（DCR）控制；放電時(shí)間由放電時(shí)間寄存器（DTR）控制。

當指紋中的凸起部分置于傳感電容像素電極上時(shí)，電容會(huì )有所增加，通過(guò)檢測增加的電容就能進(jìn)行指紋采集。傳感器中的像素點(diǎn)大小為45μm2，間隔為50μm，像素陣列的分辨率略高于500dpi，基于一種標準的單一多晶硅三層金屬0.5μm CMOS工藝。

處于指紋的凸起下的像素（電容量高）放電較慢，而處于指紋的凹處下的像素（電容量低）放電較快。這種不同的放電率可通過(guò)采樣保持（S/H）電路檢測并轉換成一個(gè)8位數字量輸出，這種檢測方法對指紋凸起和低凹具有較高的敏感性，并可形成非常好的原始指紋圖像。指紋圖像依次進(jìn)行逐行采集，每個(gè)金屬電極均作為電容的一個(gè)極，與之接觸的手指則是電容的另一個(gè)極。在器件表面有一層鈍化層，作為電容兩個(gè)電極間的電介質(zhì)層。將手指置于傳感器上時(shí)，指紋上的凸起和凹進(jìn)會(huì )在陣列上產(chǎn)生不同的電容值，并構成用于認證的一整幅圖像。
　　
系統硬件設計
本系統的工作主要由以下部分構成：指紋圖像采集部分、程序與數據存儲部分、全局邏輯控制部分以及數據通信部分。

指紋圖像采集部分：系統利用軟件查詢(xún)方式來(lái)判斷是否進(jìn)行指紋的采集。當進(jìn)行指紋采集時(shí)，指紋傳感芯片按照設定的參數采集指紋并將模擬圖像轉換成數字圖像，然后在DSP的控制下將數據存儲在外部數據空間中，等待進(jìn)行下一步的處理。

圖2 系統硬件原理框圖

程序與數據存儲部分：此部分由SRAM和DSP片內DARAM構成，SRAM用于存放指紋圖像并提供程序運行時(shí)所需要的臨時(shí)數據空間。
全局邏輯控制部分：此部分由CPLD來(lái)完成，實(shí)現以下三方面的功能：①對DSP的數據空間進(jìn)行分時(shí)尋址；②產(chǎn)生系統中各個(gè)芯片的片選信號；③產(chǎn)生系統中各個(gè)芯片的讀寫(xiě)信號。

數據通信部分：該部分設計了串口通信以及USB通信兩種模式，均可以單獨工作。串口通信采用的是TI公司的異步串行收發(fā)芯片TL16C550，配合一片MAX232即可實(shí)現計算機與目標系統數據的通信；USB通信部分采用了南京沁恒電子公司的USB通信芯片CH375。

1 TMS320VC5402芯片
TMS320VC5402具有優(yōu)化的CPU結構，內部有1個(gè) 40位的算術(shù)邏輯單元（包括一個(gè)40位的桶式移位寄存器和兩個(gè)獨立的40位累加器），一個(gè)17×17的乘法器和一個(gè)40位專(zhuān)用加法器，16K×16bit RAM空間和4K×16bit ROM空間；共20根地址線(xiàn)，可尋址64K×16bit數據區和1M×16bit程序區，具有64K I/O空間；處理速度為100MIPS，速度高、功耗低。