基于Nios II與FPS200的半導(dǎo)體指紋采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

信息化時(shí)代，生物識(shí)別技術(shù)作為信息安全和個(gè)人身份識(shí)別技術(shù)越來越受到人們的重視，指紋作為人體中最明顯的外表特征之一，具有唯一性、穩(wěn)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(shí)別系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]，在指紋識(shí)別系統(tǒng)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發(fā)環(huán)境，可以加入自定義指令或自定義外設(shè)，使用硬件來實(shí)現(xiàn)軟件執(zhí)行起來最耗時(shí)的那部分程序，因此在很大程度上提高了系統(tǒng)的性能，縮短了執(zhí)行時(shí)間，并可以將其嵌入到低成本的cyclone II等芯片中，具有較高的性價(jià)比，本設(shè)計(jì)以DE2開發(fā)板為硬件平臺(tái)，配以指紋傳感器芯片和VGA接口控制電路，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)狀

目前市場(chǎng)上有多種不同的指紋采集系統(tǒng)，指紋采集技術(shù)主要有光學(xué)指紋采集、半導(dǎo)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(qū)域大，功耗高，成本高。

2)超聲波指紋采集技術(shù)，它被認(rèn)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(yàn)室階段。

3)半導(dǎo)體指紋采集技術(shù)，根據(jù)采用傳感器的不同，可分為3種：硅電容指紋傳感器通過電子度量來捕捉指紋圖像，半導(dǎo)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(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號(hào)，產(chǎn)生具有灰度級(jí)的指紋圖像，半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器，通過感應(yīng)壓在設(shè)備上較近脊線和較遠(yuǎn)谷線的溫度的不同獲得指紋圖像。優(yōu)點(diǎn)是成像區(qū)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(shí)別。目前是最為流行的指紋采集技術(shù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用體積小巧的Veridicom公司的FPS200[3]指紋傳感器來獲取指紋圖像。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(qiáng)、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(jī)總線接口、USB全速接口和SPI接口，其傳感區(qū)域?yàn)?56×300陣列，分辨率為500dpi，內(nèi)置8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作電壓為3.3-5V，本設(shè)計(jì)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(tǒng)的硬件架構(gòu)框圖。

Nios II處理器可提供高性能內(nèi)核、低成本內(nèi)核和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核3種內(nèi)核，且具有可編程、可配置等特點(diǎn)[4]，所有內(nèi)核可以方便地增加指令和自定義外設(shè)，大大增強(qiáng)了SOPC系統(tǒng)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(shè)的操作控制下，硬件可以優(yōu)化那些軟件執(zhí)行起來最耗時(shí)的那部分程序，使其能夠在FPGA中運(yùn)行，從而大大地提高了系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)吞吐量，本設(shè)計(jì)中FPS200指紋采集模塊和VGA顯示部分使用了自定義外設(shè)的形式通過AVALON總線與Nios II CPU連接，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.1 自定義指紋采集模塊外設(shè)

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(tǒng)采用傳感器的微處理器總線(MCU)模式，傳感器的8位數(shù)據(jù)線直接與DE2開發(fā)板的擴(kuò)展口相接，采用Nios II自定義外設(shè)的接口形式來對(duì)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(shè)

圖像的顯示有許多種設(shè)備，常見得有VGA、SVGA、LCD等，本設(shè)備采用VGA顯示指紋圖像采集的過程，可以很直觀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，普通的顯示器都滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此在設(shè)計(jì)VGA控制器和自定義外設(shè)時(shí)參考了顯示器的技術(shù)規(guī)格，VGA顯示輸出模塊包括顯示器及其相應(yīng)的接口控制電路，采用Nios II處理器自定義外設(shè)的形式來對(duì)VGA接口進(jìn)行操作，通過直接對(duì)顯存的讀/寫來控制圖像的顯示，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(jí)的灰度圖像，能夠滿足指紋圖像的顯示以及處理結(jié)果的輸出需求。

3 軟件設(shè)計(jì)

FPS200內(nèi)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(duì)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(duì)圖像參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)外界環(huán)境和指紋表面的特性設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)。

本系統(tǒng)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(shè)置;然后查詢等待，指紋被FPS200采集進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器后，再讀入內(nèi)存，根據(jù)指紋采集流程圖在Nios II IDE下編寫相應(yīng)的C語(yǔ)言代碼，具體如下：

用HDL語(yǔ)言編寫指紋采集芯片F(xiàn)PS200和VGA的外設(shè)與開發(fā)板連接，創(chuàng)建Nios II CPU時(shí)包括以下內(nèi)容：選擇標(biāo)準(zhǔn)的Nios II CPU內(nèi)核[5]，根據(jù)需要添加相應(yīng)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(shè)，在SOPC Builder中添加FPS200和VGA兩個(gè)自定義外設(shè)，生成的Nios II CPU如圖4所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

啟動(dòng)Nios II IDE環(huán)境下，創(chuàng)建系統(tǒng)軟件控制部分后，運(yùn)行程序即可采集指紋圖像，本系統(tǒng)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(jié)果可以看出，本系統(tǒng)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，保留了指紋紋線的邊緣細(xì)節(jié)和固有形態(tài)，指紋的谷線和脊線明顯，線條連接緊密。在指紋處理得處理過程中有利于提取指紋的特征參數(shù)，可以很好地應(yīng)用于指紋識(shí)別系統(tǒng)及指紋分類系統(tǒng)的各種后端任務(wù)[3]，如指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的建庫(kù)和各種查詢工作。

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于Nios II處理器，采用高性能指紋傳感芯片F(xiàn)PS200的MCU接口方式的指紋采集系統(tǒng);詳細(xì)地闡述了指紋采集系統(tǒng)的自定義外設(shè)及指紋采集程序編寫。本系統(tǒng)采集的原始指紋圖像質(zhì)量高，效果好，能夠滿足嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的要求。