嵌入式指紋自動識別系統(tǒng)USB接口的設(shè)計與實現(xiàn)
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1 嵌入式指紋自動識別系統(tǒng)
本文所介紹的嵌入式指紋自動識別系統(tǒng)采用DSP與單片機(jī)協(xié)同工作，以實現(xiàn)指紋自動識別以及用戶服務(wù)系統(tǒng)。其中單片機(jī)選用Philps公司的P89C52，DSP處理器選用TI公司的TMS320C5416。單片機(jī)具有系統(tǒng)控制能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)，適合作為系統(tǒng)的控制核心；而DSP采用的增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)、多級流水線、多處理單元以及特殊的指令(乘加指令等)，使得DSP具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，并且TMS320C5416支持最高160MHz的時鐘頻率，基于其強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，所以將它作為系統(tǒng)的算法核心處理器。由單片機(jī)為核心的控制模塊主要完成用戶服務(wù)系統(tǒng)和系統(tǒng)通信接口，由DSP為協(xié)處理器的算法模塊完成指紋采集和處理。用戶通過鍵盤輸入控制整個系統(tǒng)的工作流程，通過LCD了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)及處理結(jié)果。DSP由其HPI(主機(jī)接口)與單片機(jī)以中斷方式進(jìn)行通信。而整個系統(tǒng)通過USB接口與上位PC機(jī)之間進(jìn)行通信。其結(jié)構(gòu)如圖1。
系統(tǒng)新用戶注冊時，通過鍵盤輸入注冊ID，然后系統(tǒng)由DSP控制指紋傳感器采集用戶指紋數(shù)據(jù)。如果采集到有效指紋，經(jīng)過DSP進(jìn)行指紋處理得到指紋模板數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將該指紋模板存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。如果需要，也可以通過USB接口將用戶信息和對應(yīng)模板都上傳至PC機(jī)中備份。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失時，可以通過USB接口將PC機(jī)里所存?zhèn)浞菹螺d至系統(tǒng)中。下面著重介紹系統(tǒng)的控制模塊和USB接口的設(shè)計。
2 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計
系統(tǒng)控制模塊的核心處理器為P89C52，由于其接口有限，同時完成系統(tǒng)控制和USB接口控制將十分困難。而從系統(tǒng)成本、開發(fā)時間周期和繼承性方面考慮，換用其他處理器也不太方便，所以必須考慮在此處理器的基礎(chǔ)上完成多項任務(wù)。由指紋自動識別系統(tǒng)的特點(diǎn)來看，系統(tǒng)在完成指紋錄入或登錄后才需要利用USB接口完成指紋模板和登錄信息的傳輸，所以對于處理器來說，USB控制和系統(tǒng)控制可以采用時分復(fù)用的方式進(jìn)行。由此，利用一個電平轉(zhuǎn)換芯片和一個8總線收發(fā)器來控制數(shù)據(jù)的選通及流向，以保證系統(tǒng)能夠正常工作。具體實現(xiàn)如圖2。
SN74ALVC164245為5V～3.3V電平轉(zhuǎn)換芯片，負(fù)責(zé)控制單片機(jī)與DSP之間的數(shù)據(jù)流向以及電平轉(zhuǎn)換。因為單片機(jī)的IO電平為5V，而DSP的IO電平為3.3V，所以必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。另外，SN74ALVC164245的OE和DIR腳聯(lián)合控制數(shù)據(jù)的流向，當(dāng)OE為高時，芯片兩邊的數(shù)據(jù)互相獨(dú)立；當(dāng)OE為低時，通過DIR的狀態(tài)來控制數(shù)據(jù)的流向。74HC245為總線傳輸器，用來控制單片機(jī)同LCD控制芯片KS0108的數(shù)據(jù)通信，其工作原理與SN74ALVC164245類似，只是沒有電平轉(zhuǎn)換功能。同樣，USB服務(wù)芯片通過SUSPEND管腳來使能數(shù)據(jù)線，將SUSPEND腳置高電平時，整個PDIUSBD12處于休眠狀態(tài)。由此，單片機(jī)就可以通過控制引腳的狀態(tài)來控制數(shù)據(jù)總線，以實現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的時分復(fù)用。
3 系統(tǒng)USB接口設(shè)計
3.1 USB接口硬件設(shè)計
USB接口硬件主要以接口芯片PDIUSBD12為中心，設(shè)計它與USB物理接口以及微控制器之間的連接。接口模塊通過跳線選擇供電方式，可同時支持USB總線供電方式和外設(shè)供電方式，為全速USB設(shè)備接口。設(shè)計過程中充分考慮到可靠性、可測性以及電磁兼容性。其接口電路如圖3所示。
接口電路供電通過撥盤開關(guān)K1選擇，當(dāng)K1接MVCC時，系統(tǒng)為自供電方式；當(dāng)K1接UVSB時，為總線供電方式。當(dāng)系統(tǒng)處于自供電方式情況下，系統(tǒng)通過EOT_N引腳來檢測VUSB是否存在，并接上一個1M?贅的放電電阻來減弱充電，以確保當(dāng)VUSB移開時EOT_N變?yōu)榈停⑶掖藭r自供電電源與USB總線之間只能共地，同時設(shè)備不能通過USB口向VBNS輸出電流。
在單片機(jī)與PDIUSBD12的控制通信方面，單片機(jī)通過對PDIUSBD12的A0腳的狀態(tài)控制來指示并行數(shù)據(jù)總線P0上傳輸內(nèi)容為命令還是數(shù)據(jù)。此時，PDIUSBD12上用于數(shù)據(jù)地址總線復(fù)用的ALE引腳一直接地。中斷引腳INT_N是系統(tǒng)的關(guān)鍵，幾乎所有USB的活動在設(shè)備接口端都是由PDIUSBD12接收，然后通過中斷通知單片機(jī)完成。PDIUSBD12上的掛起SUSPEND為一個雙向引腳，由此保證USB設(shè)備既能被設(shè)備主控（單片機(jī)）也能被上位PC機(jī)喚醒，而PDIUSBD12工作時連續(xù)3次沒有檢測到SOP就將掛起腳置高。
PDIUSBD12片上GL_N引腳通過外接發(fā)光二極管來指示系統(tǒng)工作狀態(tài)，在USB枚舉過程中，LED指示根據(jù)通信狀況間歇閃爍；當(dāng)PDIUSBD12成功枚舉和配置后，LED指示將一直點(diǎn)亮；隨后與PDIUSBD12之間成功地傳輸（帶應(yīng)答）將關(guān)閉LED；處于掛起狀態(tài)時LED將會關(guān)閉。
片上時鐘發(fā)生電路采用6MHz晶振，匹配一個22pF和一個68pF的無源電容。采用6MHz晶振也是為了降低產(chǎn)品制造過程中產(chǎn)生EMI(電磁干擾效應(yīng))的風(fēng)險，因為外部線路的頻率越高，其EMI效應(yīng)也會越強(qiáng)，而在片外電路采用較低頻率并在芯片內(nèi)部進(jìn)行倍頻的措施將既不影響芯片的處理速度，又能提高在外部布線的安全性。使用兩個不同容值電容的目的是為了使晶體能夠快速起振，經(jīng)過測量，晶振的啟動時間在2ms左右。
PDIUSBD12可采用5V和3.3V兩種工作電壓。由于主控單片機(jī)的IO電壓為5V，所以對PDIUSBD12也使用5V的工作電壓。此時在接入5V至PDIUSBD12 VCC腳的同時，要將PDIUSBD12上的VOUT腳空出，接去耦電容。另外，為了減小系統(tǒng)的EMI，在USB連接器輸入側(cè)的VBUS和地線上增加磁珠，如圖3的BLM21P，并且在USB的屏蔽罩與地之間使用容性耦合。
由于USB通信協(xié)議的復(fù)雜性，相當(dāng)一部分工作由硬件電路來完成，所以對硬件電路設(shè)計的準(zhǔn)確性要求非常嚴(yán)格，布線要合理要盡量減少分布電容和電磁干擾的影響，硬件電路的質(zhì)量將直接影響到數(shù)據(jù)能否正常傳輸。
3.2 USB設(shè)備固件程序的開發(fā)
固件程序主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成。USB設(shè)備請求包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求和廠商請求。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求用來完成USB設(shè)備枚舉的命令，而廠商請求則是根據(jù)具體USB設(shè)備來完成特殊任務(wù)的命令。對于本文采用的USB服務(wù)芯片PDIUSBD12，其片內(nèi)的SIE(串行接口引擎)實現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層，且完全由硬件實現(xiàn)而不需要固件的參與，所以對于USB固件程序來說，USB協(xié)議的具體實現(xiàn)就可以根據(jù)PDIUSBD12所提供的命令字來完成。最后剩下的就是硬件層上讀寫數(shù)據(jù)的程序?qū)崿F(xiàn)。其總體結(jié)構(gòu)如圖4。
其工作流程大致為：主循環(huán)完成一些初始化工作，轉(zhuǎn)入等待中斷的循環(huán)中；當(dāng)USB總線上有事務(wù)發(fā)生時，PDIUSBD12將會自動產(chǎn)生相應(yīng)的中斷來通知固件程序；然后固件程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序處理中斷，主循環(huán)通過讀取中斷服務(wù)程序中設(shè)定的事件標(biāo)志和循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來決定轉(zhuǎn)入相應(yīng)的請求響應(yīng)；響應(yīng)程序通過再下層的PDIUSBD12命令接口程序控制PDIUSBD12完成相應(yīng)數(shù)據(jù)或命令操作。此積木式結(jié)構(gòu)的固件程序組合完成了USB接口設(shè)備從初始化到數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜縐SB活動。
本文根據(jù)USB1.1協(xié)議由其服務(wù)芯片PDIUSBD12和單片機(jī)P89C52完成了嵌入式指紋自動識別系統(tǒng)的USB接口硬件和固件程序的研究和開發(fā)，并結(jié)合上位PC機(jī)的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序為整個嵌入式系統(tǒng)提供了一個穩(wěn)定性好、傳輸速度快、使用方便的USB接口。達(dá)到嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)之間靈活通信，使本嵌入式指紋自動識別系統(tǒng)得到了更廣范的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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