基于USB與DSP的指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

PDIUSBDl2是Philips公司推出的一款特點(diǎn)突出的USB接口芯片。完全遵從USBl．1協(xié)議，其內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)、320字節(jié)多結(jié)構(gòu)FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器(Transceiver)和電壓調(diào)節(jié)器。它可以工作在5V或者3．3V的工作電壓下；具有8位數(shù)據(jù)總線，且有完全自治的DMA傳輸操作。它還具有可控制的軟件連接(SoftConnect)功能，可以保證在微控制器可靠初始化之后再連接上USB總線。多中斷模式實(shí)現(xiàn)批量和同步傳輸，在批量和同步模式下可實(shí)現(xiàn)1MB／S的數(shù)據(jù)傳輸率。PDIUSBDl2高集成度、高可靠性和寬范圍工作條件的特點(diǎn)，可以非常方便地兼容大部分DSP的工作環(huán)境。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 固件設(shè)計(jì)

固件編程(firmware programming)是USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中終端設(shè)備程序設(shè)計(jì)的重要部分，微處理器通過固件程序與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于采用不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片，所以關(guān)于USBl．1協(xié)議規(guī)范的實(shí)現(xiàn)都必須靠DSP(TMS320VC5402)控制PDIUSBDl2芯片完成：在DSP(TMS320VC5402)的平臺(tái)上編寫程序，以完成USBl．1規(guī)范所要求的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求及用戶根據(jù)產(chǎn)品需要自己定義的請(qǐng)求。

當(dāng)設(shè)備連接到主機(jī)后，主機(jī)通過給PDIUSBDl2的端點(diǎn)0發(fā)送包含標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求的控制傳輸(即Setup包)，PDIUSBDl2產(chǎn)生一個(gè)中斷給MCU(1NT0)，MCU通過讀PDIUSBDl2的中斷寄存器和最后一次傳輸狀態(tài)寄存器來對(duì)每一個(gè)請(qǐng)求做出響應(yīng)，并通過PDIUSBDl2的端點(diǎn)0回送請(qǐng)求信息。主機(jī)從返回的信息中讀取描述數(shù)據(jù)(包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、字符串描述符)，分配和載入一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。設(shè)備配置完成后，就可以使用配置中支持的端點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。固件程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3．2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)

在Win32系統(tǒng)中，把每一個(gè)設(shè)備都抽象為文件，此時(shí)的應(yīng)用程序只需通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的文件操作APl函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序中某個(gè)設(shè)備的通信。

PC機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序由Philips公司提供。用VC++6．0通過調(diào)用API函數(shù)，編寫PC的應(yīng)用程序。這樣即可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)DSP(TMS320VC5402)指紋取像系統(tǒng)的控制以及圖像的傳輸。主要使用的API函數(shù)是DeviceIOControl()、ReadFile()、WriteFile()。其中DeviceIOControl()用于PC(主機(jī))向DSP圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求；ReadFile()和WriteFile()分別用于從圖像采集系統(tǒng)讀出數(shù)據(jù)以及向圖像采集系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)過程中必須注意的問題是：由于USB接口是主從方式的接口，其一切傳輸過程都必須通過主機(jī)向外設(shè)發(fā)送請(qǐng)求后才可以開始，所以在使用ReadFile()、WriteFile()讀寫數(shù)據(jù)前，必須先通過DeviceIOControl()向圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求。

3．3 指紋識(shí)別流程

系統(tǒng)上電時(shí)，TMS320VC5402通過12C總線操作對(duì)OV6620進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)入指紋圖像采集階段。在該階段，TMS320VC5402處于空閑狀態(tài)，CPLD占用數(shù)據(jù)總線，

將數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到圖像RAM中。采集完一幀指紋圖像后由CPLD發(fā)握手信號(hào)，通知DSP進(jìn)人數(shù)據(jù)處理階段。在該階段，TMS320VC5402先將圖像RAM中的數(shù)據(jù)分塊搬運(yùn)到用戶RAM中，進(jìn)行圖像預(yù)處理、特征點(diǎn)提取等運(yùn)算，最后通過USB將結(jié)果輸出給上位機(jī)。上位機(jī)調(diào)出指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，并將提取的結(jié)果與指紋特征庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而與庫(kù)中特征指紋進(jìn)行指紋匹配識(shí)別。

DSP算法具體如下：(1)預(yù)濾波。方向?yàn)V波：設(shè)計(jì)了一個(gè)水平模板，然后將水平模板旋轉(zhuǎn)到所需增強(qiáng)的方向進(jìn)行濾波。(2)二值化。背景分離：采用標(biāo)準(zhǔn)差閾值跟蹤法，圖像的指紋部分由黑白相間的紋理組成，灰度變化很大，具有較大的標(biāo)準(zhǔn)差，而背景部分灰度分布比較平坦，標(biāo)準(zhǔn)差小。因此計(jì)算以各點(diǎn)為中心的一組像素的標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差大于某一門限時(shí)，就可以確定該點(diǎn)為前景，否則為背景。(3)計(jì)算方向圖：采用基于法線向量的方法，其中還涉及到方向場(chǎng)的平滑銳化。(4)特征點(diǎn)提?。翰捎昧思咕€跟蹤法，其基本思想是直接對(duì)圖像進(jìn)行脊線跟蹤，在跟蹤過程中檢測(cè)特征點(diǎn)。

整個(gè)軟件流程如圖3所示。