基于FPGA的指紋采集接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文以指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)的ASIC化為應(yīng)用背景，提出了一種基于FPGA的指紋采集接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。重點(diǎn)研究接口電路的硬件組成和如何采用硬件語(yǔ)言VHDL編程控制滑動(dòng)式指紋傳感器以完成高質(zhì)量的指紋采集工作。經(jīng)驗(yàn)證本方案實(shí)現(xiàn)的指紋采集接口完全能滿足系統(tǒng)需要。
關(guān)鍵字：FPGA，滑動(dòng)式指紋傳感器，SPI，指紋采集

一、引言

相對(duì)于密碼、證件等傳統(tǒng)身份認(rèn)證技術(shù)和諸如語(yǔ)音、虹膜、臉形、簽名等其他生物特征識(shí)別認(rèn)證技術(shù)而言，指紋識(shí)別認(rèn)證是一種更為理想的身份認(rèn)證技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

·       廣泛性——每個(gè)人的每一跟手指都具有指紋；

·       唯一性——每個(gè)人的指紋都不相同，極難進(jìn)行復(fù)制；

·       穩(wěn)定性——指紋不會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而改變；

·        易采集性——指紋圖像可運(yùn)用專業(yè)的指紋傳感器獲取，易于開(kāi)發(fā)識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)。

隨著電子商務(wù)的發(fā)展和消費(fèi)類電子的普及，越來(lái)越多的領(lǐng)域需要指紋識(shí)別系統(tǒng)。目前，基于 、 的獨(dú)立式指紋識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于考勤、門(mén)禁、安檢等領(lǐng)域 。同時(shí)，隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能應(yīng)用在小型微型系統(tǒng)（如手機(jī)、PDA等）的ASIC

資金資助：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)PDC計(jì)劃項(xiàng)目（No. 047062023）和AM 0403項(xiàng)目

（專用集成電路）指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)，將具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)空間。

由于FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）具有高集成度，低功耗，短開(kāi)發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)，本文選用FPGA作為指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)的核心器件，以控制其依次實(shí)現(xiàn)指紋采集、指紋特征點(diǎn)提取、存儲(chǔ)、比對(duì)等等過(guò)程?？梢?jiàn)，指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)的首要任務(wù)是如何采集到高質(zhì)量指紋圖像以保證后續(xù)任務(wù)的完成，而指紋圖像質(zhì)量不僅與指紋傳感器自身的性能有關(guān)，也與數(shù)據(jù)傳輸通信接口的性能密切相關(guān)。因此，如何設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的通信接口是實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。于是本文針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，介紹了一種基于FPGA與滑動(dòng)式指紋傳感器的指紋采集接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

二、簡(jiǎn)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(jìn)的90ns工藝，最大容量40萬(wàn)門(mén)，工作頻率高達(dá)200M，足以完成系統(tǒng)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(dòng)式電容指紋采集傳感器。這款指紋傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，含有8位A／D變換器，能在2.8V~5V的寬電壓范圍內(nèi)工作，能自動(dòng)檢測(cè)到是否有指紋到達(dá)傳感器，并實(shí)現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)在于，在保證指紋圖像高分辨率（500dpi）的同時(shí)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（microprocessor bus interface）、集成的USB全速接口（Integrated USB Full-Speed Interface）和集成SPI接口（Integrated Serial Peripheral Interface）。其中本文選用SPI接口，并將詳細(xì)講述基于MBF300和FPGA的SPI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

MBF300的SPI接口需要時(shí)鐘信號(hào)線SCK、主進(jìn)從出信號(hào)線MISO、主出從進(jìn)信號(hào)線MOSI和使能信號(hào)線 ，共4根信號(hào)線。其中，傳感器的時(shí)鐘源可以從外部輸人，也可以外接一個(gè)晶體振蕩器后，利用MBF300內(nèi)部的振蕩電路來(lái)獲得時(shí)鐘源。在選擇了SPI模式后，MBF300的其他兩種模式將自動(dòng)禁止。在本系統(tǒng)中，MBF300在SPI工作模式下相當(dāng)于一個(gè)從設(shè)備，XC3S400作為主設(shè)備。XC3S400通過(guò)讀寫(xiě)MBF300內(nèi)部的寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制，以完成指紋采集的任務(wù)。

另外，MBF300在SPI的從設(shè)備狀態(tài)下，它的通信協(xié)議的具體內(nèi)容包括：

·          MOSI線上的數(shù)據(jù)在SCK的上升沿被采樣；

·          MISO線上的數(shù)據(jù)在SCK的下降沿發(fā)生改變；

·          SCK在空閑狀態(tài)時(shí)，可以為高電平，也可以為低電平；

·          串行傳輸過(guò)程中，高位在前(最先被移出)。具體時(shí)序見(jiàn)圖1 。

三、指紋采集接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文中指紋傳感器MBF300的主要任務(wù)是采集指紋圖像，并自動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳送到FPGA芯片XC3S400中，以進(jìn)行指紋登記或者指紋識(shí)別比對(duì)。由此可見(jiàn)，指紋采集是整個(gè)指紋識(shí)別系統(tǒng)的第一步，采集質(zhì)量的好壞將直接影響系統(tǒng)的性能與準(zhǔn)確度的高低，因此，接下來(lái)將重點(diǎn)介紹指紋采集接口——SPI接口的設(shè)計(jì)，在此過(guò)程中，XC3S400為SPI主設(shè)備，MBF300為SPI從設(shè)備。

1、指紋采集電路

由于FPGA內(nèi)部采用的SRAM存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，所以需要外置一個(gè)PROM在上電時(shí)對(duì)FPGA進(jìn)行程序配置。同時(shí)，還擴(kuò)展了一個(gè)SRAM和Flash分別用作存儲(chǔ)指紋程序運(yùn)行時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)和指紋數(shù)據(jù)信息。另外，為了實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信，指紋采集部分還設(shè)計(jì)一個(gè)RS232接口，整個(gè)的硬件電路如圖2所示。由圖中可以看出，整個(gè)指紋采集的核心部件就是FPGA芯片XC3S400，它相當(dāng)于常見(jiàn)的嵌入系統(tǒng)中的DSP或者ARM，控制著整個(gè)指紋采集，以及指紋登記，指紋比對(duì)，結(jié)果輸出等過(guò)程。

2、指紋采集接口硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文的SPI接口主設(shè)備為FPGA芯片XC3S400，從設(shè)備為指紋傳感器MBF200。由于FPGA沒(méi)有特定管腳的要求，本文任意選用XC3S400的4個(gè)I/O口137—140 ，分別與指紋傳感器MBF300的相應(yīng)管腳連接，見(jiàn)圖3所示。

3、指紋采集接口軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    接口時(shí)鐘采用傳感器內(nèi)部的12M時(shí)鐘，整個(gè)采集指紋圖像流程如圖4所示，主要有初始化，調(diào)整參數(shù)，指紋采集，指紋存儲(chǔ)幾部分組成。

3.1 初始化XC3S400和MBF300

XC3S400為FPGA器件，因此在系統(tǒng)上電后先要對(duì)其進(jìn)行初始化，即從PROM中讀取配置數(shù)據(jù)，以完成后面的指紋采集、特征點(diǎn)提取、存儲(chǔ)、比對(duì)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：

  ……

ENTITY ini_mbf300 IS

    PORT(......

pgc   :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

dtr    :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

dcr    :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

thr    :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

ctrlb   :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

isr     :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

icr     :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

......);--定義需要初始化的MBF300寄存器；

END ini_mbf300;

ARCHITECTURE ini_mbf300 OF ini_mbf300 IS

BEGIN

  pgc <=  "00000110 ";      --初始設(shè)置圖像增益為1.5；

dtr  <=  "00111111";     

dcr  <=  "00000001";     

thr  <=  "00101100";

ctrlb <=  "00000001";     --使能陣列，AD及時(shí)鐘；

isr  <=  "00000011";     --清空中斷；

icr  <=  "01011001";     --使能自動(dòng)檢測(cè)；…...

END ini_mbf300；......

3.2 調(diào)整MBF300參數(shù)

調(diào)整MBF300參數(shù)，也就是調(diào)整PGC、DTR、DCR三個(gè)寄存器的值來(lái)調(diào)整放電時(shí)間、放電電流速率和圖像的放大增益，直到獲得最佳質(zhì)量的圖像。

3.3 采集指紋圖像

XC3S400按照MBF300的SPI時(shí)序要求，在MOSI信號(hào)線上發(fā)送一系列讀寫(xiě)MBF300寄存器的指令，并由MBF300在MISO信號(hào)線上發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換后的指紋數(shù)據(jù)，直到一幅完整的256*32的指紋圖像傳輸完畢。詳細(xì)的工作流程見(jiàn)圖5。

3.4 存儲(chǔ)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0000 0000 0000 0000~FFFF FFFF FFFF FFFF。

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與結(jié)論

指紋采集接口的整個(gè)程序的VHDL源代碼已經(jīng)通過(guò)調(diào)試，在ModelSim SE 6.1b中成功仿真，F(xiàn)PGA的SPI時(shí)序與MBF300一致，完全能達(dá)到指紋采集的目的。于是將MBF300設(shè)置為DTR＝0x15，DCR=0x20，PGC=0x01，通過(guò)SPI接口采集到的原始指紋數(shù)據(jù)通過(guò)圖2中的RS232接口傳送給PC機(jī)，然后利用Matlab工具數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到如圖6的指紋圖像，它足以滿足后續(xù)的指紋特征點(diǎn)提取、比對(duì)等要求。

四、小結(jié)

這種基于FPGA芯片XC3S400與固體指紋傳感器MBF300的SPI接口具有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，傳輸速率高的特點(diǎn)，完全能勝任指紋采集的任務(wù)。而MBF300的高精度更能保證采集到的指紋圖像的質(zhì)量，這有利于簡(jiǎn)化后續(xù)的指紋圖像增強(qiáng)、二值化等算法。總之，基于FPGA與指紋傳感器的指紋采集系統(tǒng)的SPI接口的成功實(shí)現(xiàn)，為指紋識(shí)別技術(shù)的SOC片上集成打開(kāi)一個(gè)良好的開(kāi)端。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

雖然基于DSP或者ARM的指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)已經(jīng)在考勤，門(mén)禁等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商品化，但這樣的嵌入式系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)小型化集成化，更無(wú)法SOC，所以本文采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)，利用FPGA高集成度，低功耗，短開(kāi)發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)，并以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的ASIC為研究背景，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)空間。

只有保證高質(zhì)量的指紋采集才會(huì)保證高質(zhì)量的指紋識(shí)別認(rèn)證，因此本文主要介紹了基于FPGA的指紋識(shí)別系統(tǒng)的指紋采集接口部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)該接口完全能滿足實(shí)際需要，這為指紋識(shí)別系統(tǒng)的片上集成打開(kāi)了一個(gè)良好的開(kāi)端。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝健陽(yáng)，李鐵才,唐降龍等.指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).微計(jì)算機(jī)信息 .2006;22(3-2):156-157;
[2]周寧婕,付宇卓,周煜. 基于DSP的指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì). 計(jì)算機(jī)仿真.2005;22 (1):241-243;　
[3]黃林波，杜坤梅，謝建陽(yáng)等. 基于ARM的指紋識(shí)別算法的研究與開(kāi)發(fā). 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2005; 21(2):179-181;
[4]沈小豐, 李小貝.便攜式指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì).自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用.2005; 24 (4):55-58
[5] MBF300 Solid State Fingerprint Sweep Sensor，Data Sheet[Z]. 2002
[6] Spartan-3 FPGA Family: Complete Data Sheet [Z]. 2005