基于FPGA的指紋采集接口設計與實現(圖)

文章出處：http://www.jrzgy.com 作者：郭娟 王洪 金慶輝 趙建龍   人氣： 發表時間：2011年11月30日

一、引言  

    相對于密碼、證件等傳統身份認證技術和諸如語音、虹膜、臉形、簽名等其他生物特征識別認證技術而言，指紋識別認證是一種更為理想的身份認證技術。其優點體現在：  

    1.廣泛性——每個人的每一跟手指都具有指紋；  

    2.唯一性——每個人的指紋都不相同，極難進行復制；  

    3.穩定性——指紋不會隨著年齡的增長而改變；  

    4.易采集性——指紋圖像可運用專業的指紋傳感器獲取，易于開發識別認證系統。  

    隨著電子商務的發展和消費類電子的普及，越來越多的領域需要指紋識別系統。目前，基于、的獨立式指紋識別系統已經成功應用于考勤、門禁、安檢等領域。同時，隨著微電子技術的進步，設計開發能應用在小型微型系統（如手機、PDA等）的ASIC資金資助：上海市科學技術委員會PDC計劃項目（No.047062023）和AM0403項目（專用集成電路）指紋識別認證系統，將具有很強的現實意義和廣闊的市場空間。  

    由于FPGA（現場可編程門陣列）具有高集成度，低功耗，短開發周期等優點，本文選用FPGA作為指紋識別認證系統的核心器件，以控制其依次實現指紋采集、指紋特征點提取、存儲、比對等等過程。可見，指紋識別認證系統的首要任務是如何采集到高質量指紋圖像以保證后續任務的完成，而指紋圖像質量不僅與指紋傳感器自身的性能有關，也與數據傳輸通信接口的性能密切相關。因此，如何設計性能優良的通信接口是實際系統設計的一個難點問題。于是本文針對這一問題進行了研究，介紹了一種基于FPGA與滑動式指紋傳感器的指紋采集接口的設計與實現方法。  

二、簡介指紋采集接口器件  

    本指紋采集接口的核心控制器件為Xilinx公司SpartanIII系列的XC3S400型FPGA芯片，它的封裝形式為PQ208。這款芯片采用先進的90ns工藝，最大容量40萬門，工作頻率高達200M，足以完成系統需要。  

    另外，本文選用的指紋采集傳感器為富士通公司的MBF300滑動式電容指紋采集傳感器。這款指紋傳感器采用標準CMOS技術，含有8位A／D變換器，能在2.8V~5V的寬電壓范圍內工作，能自動檢測到是否有指紋到達傳感器，并實現在線采集。而它與以往采用的面積式指紋傳感器相比最大的優點在于，在保證指紋圖像高分辨率（500dpi）的同時大大減小了傳感器的尺寸（13.3×3.6）。  

    MBF300支持3種通信接口：8位微處理器總線接口（microprocessorbusinterface）、集成的USB全速接口（IntegratedUSBFull-SpeedInterface）和集成SPI接口（IntegratedSerialPeripheralInterface）。其中本文選用SPI接口，并將詳細講述基于MBF300和FPGA的SPI設計與實現方法。  

    MBF300的SPI接口需要時鐘信號線SCK、主進從出信號線MISO、主出從進信號線MOSI和使能信號線，共4根信號線。其中，傳感器的時鐘源可以從外部輸人，也可以外接一個晶體振蕩器后，利用MBF300內部的振蕩電路來獲得時鐘源。在選擇了SPI模式后，MBF300的其他兩種模式將自動禁止。在本系統中，MBF300在SPI工作模式下相當于一個從設備，XC3S400作為主設備。XC3S400通過讀寫MBF300內部的寄存器實現對它的控制，以完成指紋采集的任務。  

另外，MBF300在SPI的從設備狀態下，它的通信協議的具體內容包括：  

    lMOSI線上的數據在SCK的上升沿被采樣；  

    lMISO線上的數據在SCK的下降沿發生改變；  

    lSCK在空閑狀態時，可以為高電平，也可以為低電平；  

    l串行傳輸過程中，高位在前(最先被移出)。具體時序見圖1。   

 三、指紋采集接口的設計與實現  

    本文中指紋傳感器MBF300的主要任務是采集指紋圖像，并自動A/D轉換，并把轉換后的圖像數據通過SPI接口傳送到FPGA芯片XC3S400中，以進行指紋登記或者指紋識別比對。由此可見，指紋采集是整個指紋識別系統的第一步，采集質量的好壞將直接影響系統的性能與準確度的高低，因此，接下來將重點介紹指紋采集接口——SPI接口的設計，在此過程中，XC3S400為SPI主設備，MBF300為SPI從設備。  

    1、指紋采集電路  

    由于FPGA內部采用的SRAM存儲器結構，所以需要外置一個PROM在上電時對FPGA進行程序配置。同時，還擴展了一個SRAM和Flash分別用作存儲指紋程序運行時的臨時數據和指紋數據信息。另外，為了實現與PC機通信，指紋采集部分還設計一個RS232接口，整個的硬件電路如圖2所示。由圖中可以看出，整個指紋采集的核心部件就是FPGA芯片XC3S400，它相當于常見的嵌入系統中的DSP或者ARM，控制著整個指紋采集，以及指紋登記，指紋比對，結果輸出等過程。  

    2、指紋采集接口硬件設計與實現  

    本文的SPI接口主設備為FPGA芯片XC3S400，從設備為指紋傳感器MBF200。由于FPGA沒有特定管腳的要求，本文任意選用XC3S400的4個I/O口137—140，分別與指紋傳感器MBF300的相應管腳連接，見圖3所示。  

 3、指紋采集接口軟件設計與實現  

    接口時鐘采用傳感器內部的12M時鐘，整個采集指紋圖像流程如圖4所示，主要有初始化，調整參數，指紋采集，指紋存儲幾部分組成。  

    3.1初始化XC3S400和MBF300  

    XC3S400為FPGA器件，因此在系統上電后先要對其進行初始化，即從PROM中讀取配置數據，以完成后面的指紋采集、特征點提取、存儲、比對等工作；初始化XC3S400之后，接著初始化指紋傳感器MBF300，其中部分VHDL源程序如下：  

    ……  

    ENTITYini_mbf300IS  

    PORT(......  

    pgc:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);  

    dtr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);  

    dcr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);  

    thr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);  

    ctrlb:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);  

    isr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);  

    icr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);  

    ......);--定義需要初始化的MBF300寄存器；  

    ENDini_mbf300;  

    ARCHITECTUREini_mbf300OFini_mbf300IS  

    BEGIN  

    pgc<="00000110";--初始設置圖像增益為1.5；  

    dtr<="00111111";  

    dcr<="00000001";  

    thr<="00101100";  

    ctrlb<="00000001";--使能陣列，AD及時鐘；  

    isr<="00000011";--清空中斷；  

    icr<="01011001";--使能自動檢測；…...  

    ENDini_mbf300；......  

 3.2調整MBF300參數  

    調整MBF300參數，也就是調整PGC、DTR、DCR三個寄存器的值來調整放電時間、放電電流速率和圖像的放大增益，直到獲得最佳質量的圖像。  

    3.3采集指紋圖像  

    XC3S400按照MBF300的SPI時序要求，在MOSI信號線上發送一系列讀寫MBF300寄存器的指令，并由MBF300在MISO信號線上發送A/D轉換后的指紋數據，直到一幅完整的256*32的指紋圖像傳輸完畢。詳細的工作流程見圖5。  

    3.4存儲指紋圖像  

    采集到的原始指紋圖像保存到片外SRAM中，地址空間為0000000000000000~FFFFFFFFFFFFFFFF。  

    4實驗調試與結論  

    指紋采集接口的整個程序的VHDL源代碼已經通過調試，在ModelSimSE6.1b中成功仿真，FPGA的SPI時序與MBF300一致，完全能達到指紋采集的目的。于是將MBF300設置為DTR＝0x15，DCR=0x20，PGC=0x01，通過SPI接口采集到的原始指紋數據通過圖2中的RS232接口傳送給PC機，然后利用Matlab工具數據轉化得到如圖6的指紋圖像，它足以滿足后續的指紋特征點提取、比對等要求。  

四、小結  

    這種基于FPGA芯片XC3S400與固體指紋傳感器MBF300的SPI接口具有設計實現簡單，傳輸速率高的特點，完全能勝任指紋采集的任務。而MBF300的高精度更能保證采集到的指紋圖像的質量，這有利于簡化后續的指紋圖像增強、二值化等算法。總之，基于FPGA與指紋傳感器的指紋采集系統的SPI接口的成功實現，為指紋識別技術的SOC片上集成打開一個良好的開端。  

    本文作者創新點：  

    雖然基于DSP或者ARM的指紋識別認證系統已經在考勤，門禁等領域實現商品化，但這樣的嵌入式系統很難實現小型化集成化，更無法SOC，所以本文采用FPGA來實現指紋識別認證系統，利用FPGA高集成度，低功耗，短開發周期等優點，并以實現系統的ASIC為研究背景，具有很強的現實意義和廣闊的市場空間。  

    只有保證高質量的指紋采集才會保證高質量的指紋識別認證，因此本文主要介紹了基于FPGA的指紋識別系統的指紋采集接口部分的設計與實現方案，經實驗研究證實該接口完全能滿足實際需要，這為指紋識別系統的片上集成打開了一個良好的開端。