關鍵詞：MBF200 指紋傳感器 自動檢測 接口
1 引言
指紋識別技術是新近發(fā)展起來的一項高新技術。指紋識別是利用人體指紋的唯一性與不變性生理特征，將指紋作為人的一種“活的身份證”或一個隨身攜帶的特殊印章來進行身份識別的一種技術。MBF200是富士通公司推出的一款固態(tài)指紋傳感器芯片，該芯片具有自動指紋檢測功能，可支持多種接口模式，設計方便。本文詳細介紹了MBF200的特性，給出了其在USB總線接口模式下的電路實現(xiàn)方法，以及讀取所采集數(shù)據(jù)的軟件流程。該設計可用于便攜式指紋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能卡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網絡和當?shù)卮鎯Φ陌踩M入系統(tǒng)，以及其它安全訪問控制系統(tǒng)。
2 MBF200的主要特點
MBF200具有高性能、低功耗和低成本等特點，屬于電容性傳感器。其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當一個電容板，接觸的手指充當?shù)诙€電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當手指觸摸傳感器表面時，指紋的高低不平就會在傳感器陣列上產生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。其主要特點有：
●是采用標準COMS技術的電容性固態(tài)器件；
●具有500dpi的分辨率；
●傳感器面積為1.28cm×1.50cm；
●傳感器陣列為256×300點；
●具有自動指紋檢測能力；
●內含8位模數(shù)轉換器；
●可提供三種總線接口形式；
●帶有8位微處理器總線接口；
●帶有全速USB接口和SPI接口；
●可提供3.3V～5V的工作電壓；
●5V工作電壓下的功耗小于70mW。
MBF200的內部結構如圖1所示。其中256×300點傳感陣列用于產生感應電壓；功能寄存器用于對芯片進行操作控制；控制電路用于傳感器與外部接口電路的控制，主要負責數(shù)據(jù)的讀出與寫入；地址索引寄存器與數(shù)據(jù)寄存器分別用于對功能寄存器的地址選擇及數(shù)據(jù)的讀寫；采樣保持及AD轉換電路用于對傳感陣列所產生的電壓進行采樣。另外，多頻振蕩電路用于為芯片提供時鐘信號。
3 器件功能
3.1 功能寄存器
MBF200是可編程的傳感器芯片，它所具有的強大功能是通過內部寄存器設置完成的。表1所列是這些功能寄存器的地址和功能。在對這些寄存器進行操作時，先向地址寄存器內寫入所要訪問寄存器的地址，然后讀寫數(shù)據(jù)寄存器即可。
表1 MBF200中的功能寄存器
| 地 址 | 標 識 | 功 能 |
| 0x00 | RAH | 行地址高位 |
| 0x01 | RAL | 行地址低位 |
| 0x02 | CAL | 列地址低位 |
| 0x03 | REH | 行末地址低位 |
| 0x04 | REL | 行末地址低位 |
| 0x05 | CEL | 列末地址低位 |
| 0x06 | DTR | 放電時間寄存器 |
| 0x07 | DCR | 放電電流寄存器 |
| 0x08 | CTRLA | 控制寄存器A |
| 0x09 | LTRLB | 控制寄存器B |
| 0x0A | CTRLC | 控制寄存器C |
| 0x0B | SRA | 狀態(tài)寄存器 |
| 0x0C | PGC | 可編程增益控制寄存器 |
| 0x0D | ICR | 中斷控制寄存器 |
| 0x0E | ISR | 中斷狀態(tài)寄存器 |
| 0x0F | THR | 門限寄存器 |
| 0x10 | CIDH | 芯片標識高 |
| 0x11 | CIDL | 芯片標識低 |
| 0x12 | TST | 測試模式寄存器 |
由于列地址最大為256，所以，MBF200只有一個列開始寄存器CAL和一個列結束寄存器CEL。另外，THR用于在自動檢測指紋時設置門限電壓。PGC用于在A/D轉換時設置放大器的增益。
3.2 MBF200的工作過程
MBF200的傳感器陣列由256列300行的傳感器單元組成。每一列有兩個采樣保持電路，每次捕獲一行指紋圖像數(shù)據(jù)。行捕獲分為兩個階段，第一階段，將電容板的被選行充電到3.3V或5V，在充電的同時，一個內部信號使能一個采樣保持電路以采樣被選行的電容單元電壓；第二階段是傳感器板放電階段，放電快慢由放電電流寄存器決定。放電階段結束后，可由一個內部信號使能另一個采樣保持電路去采樣電容單元的最后電壓，充電電壓與放電電壓之差就是所要測量的有用傳感信號電壓。行捕獲結束之后，接著對該信號進行數(shù)字化，從而完成一次采樣。實際上，該芯片的靈敏度是由放電電流和放電時間寄存器來調節(jié)的。
3.3 MBF200的接口模式
MBF200支持三種接口形式和四種操作模式，這四種操作模式相互獨立，不能同時工作。其功能如表2所列。
表2 MBF200的操作模式
| MODE[1，0] | 描 述 |
| 00 | 微處理器接口模式 |
| 01 | SPI接口模式 |
| 10 | USB模式，用內部ROM |
| 11 | USB模式，用外部ROM |
在微處理器接口模式中，可將MFB200與51系列8位單片機相連，且其接口形式非常簡單。需要說明的是，在該芯片中，地址選擇與數(shù)據(jù)寫入是分兩步完成的，先通過A0置0來寫地址索引寄存器，然后再對A0置1來讀寫對應地址的數(shù)據(jù)寄存器。其操作真值表如表3所列。SPI是工業(yè)標準的同步串行接口，它允許8位數(shù)據(jù)同時、同步地被發(fā)送和接收，而且只用到如下信號：SCLK、SCS、MOSI、MISO、EXINT?？蓪⑾到y(tǒng)配置為SPI主操作（Master）與從操作（Slave），其接口形式與一般的串行外圍接口方式一致，故此不再贅述。
表3 微處理器接口讀寫真值表
| CS0 | CS1 | A0 | RD | WR | 方 式 | 數(shù)據(jù)線 |
| H | X | X | X | X | 無效 | 高阻 |
| X | L | X | X | X | 無效 | 高阻 |
| L | H | X | H | H | 任意 | 高阻 |
| L | H | L | L | H | 讀地址寄存器 | 輸出 |
| L | H | L | H | L | 寫地址寄存器 | 輸入 |
| L | H | H | L | H | 讀數(shù)據(jù)寄存器 | 輸出 |
| L | H | H | H | L | 寫數(shù)據(jù)寄存器 | 輸入 |
USB接口有兩種模式：一種是用芯片內部的ROM來存儲設備信息，一種是用外部串行ROM來存儲設備信息。
4 MBF200的應用
4.1 MBF200與USB的接口
由于USB總線接口具有即插即用特性，而且目前應用比較廣泛，所以本文設計了MBF200在USB模式下的接口電路（如圖2所示）。其中MODE分別置為1、0，采用12MHz晶振，AIN用于模擬信號輸入方式選擇，ISET用于設置內部參考電流，F(xiàn)SET用于設置內部多頻振蕩器及自動指紋檢測速率。需要注意的是，在USB模式中，為芯片提供的電壓必需在3.3V～3.6V之間，由于該芯片的低功耗特點，所以在設計中可以使用USB總線電源來滿足系統(tǒng)設計要求。
USB接口使用三個端點：其中端點0是控制端點，用來控制對功能寄存器的讀寫；端點1是讀端點，用來讀取經過AD轉換后的指紋圖像數(shù)據(jù)，它是以塊方式進行讀取的，每次64個字節(jié)；端點是2是中斷端點，當ISR(Interrupt Status Register)被置位時，由它向端點2發(fā)送中斷信號。
4.2 軟件控制流程
該傳感器有多種接口方式及多種圖像獲取形式，這些都是通過內部功能寄存器的設置來完成的。
首先要對傳感器進行初始化：主要是啟動內部ADC并對特殊功能寄存器CTRLB的第2位置位，以確定ADC后的地址是否自動增加，同時設置芯片時鐘源并使能傳感器。其流程如圖3所示。
其次是調整參數(shù)，其流程如圖4所示，其中DTR是放電時間寄存器，DCR則是用來設置放電電流速率的寄存器，PGC是可編程增益控制寄存器，主要用來設置放大器的增益。
最后就是獲取指紋圖像數(shù)據(jù)，在該傳感器芯片中，共有三種指紋圖像數(shù)據(jù)獲取方式，分別為：
（1）獲取子圖（GETSUB）方式。在CPU和SPI接口模式中，子圖的大小可以從任意位置開始設置，甚至可以從一個像素點到整幅圖像；在USB接口模式中，子圖列的開始必須是64的倍數(shù)。
（2）獲取整幅圖像（GETIMG）方式是把數(shù)據(jù)采集方式初始化為從行0列0到行299列255，以獲取整幅圖像數(shù)據(jù)。
（3）獲取行數(shù)據(jù)（GETROW）方式主要捕獲特定的幾行數(shù)據(jù)。
MBF200芯片內部提供有6個寄存器，可用來設置圖像數(shù)據(jù)捕獲的位置。其中RAL是行地址低位，RAH是行地址高位，CAL是列地址，REL是行末地址低位，REH是行末地址高位，CEL是列末地址。
在USB接口方式下獲取整幅指紋圖像數(shù)據(jù)的流程如圖5所示。在USB模式中，數(shù)據(jù)是以塊為單位進行傳輸?shù)模繅K數(shù)據(jù)大小必須為64字節(jié)。
其它兩種接口方式的指紋圖像數(shù)據(jù)獲取流程基本相似，只是沒有數(shù)據(jù)塊的限制，它們可以讀取任意字節(jié)的指紋數(shù)據(jù)。
5 小結
隨著信息技術的發(fā)展，計算機安全技術和身份認證技術對于人們的工作與生活來說越來越重要。生物特征識別技術為信息社會日益迫切的安全需求提供了一個較好的解決方案。文中基于MBF200的指紋傳感器具有自動指紋檢測功能，可支持多種接口模式，而且設計方便，故將得到廣泛的應用，具有一定的實用價值。
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