一種基于USB與DSP的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　通用串行總線USB（UNIversal Serial Bus）是一種新型接口技術(shù)。它是由Intel、Microsoft等公司為解決日益增加的外設(shè)與有限的主板插槽與端口之間的矛盾而制定的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)。USB具有以下特點(diǎn)：（1）有較高的傳輸速率。USBl.1支持全速和低速兩種方式，全速速率為12Mbps，低速速率為 1.5Mbps;USB2.0除支持USBl.1的兩種速度方式外，還增加了速率可達(dá)480Mbps的高速方式。（2）使用方便靈活。USB支持即插即用和熱插拔，允許在任何時(shí)候連接和斷開外設(shè)。當(dāng)外設(shè)被連接時(shí)，系統(tǒng)會自動檢測到外設(shè)并準(zhǔn)備使用。（3）易于擴(kuò)展。通過根集線器可攜帶127個(gè)設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)多個(gè)外設(shè)共用一個(gè)接口。此外，USB還有可靠性高、成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，倍受歡迎。

　　1 整體方案選擇

　　由于指紋圖像處理技術(shù)對實(shí)時(shí)性要求高、運(yùn)算量要求大，所以采用通用的數(shù)字處理芯片。DSP的高速運(yùn)算性能使其在數(shù)字信號的處理上有著獨(dú)一無二的優(yōu)勢。但數(shù)字信號的數(shù)據(jù)量非常龐大，需要一種方便、高速的接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的接插。 本文給出一種基于DSP（TMS320VC5402）平臺的低成本高速USB接口方案。它采用Philips公司的PDIUSBDl2接口芯片，實(shí)現(xiàn) DSP指紋圖像采集處理與PC機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)涵蓋了圖像采集、處理、存儲、傳輸?shù)葦?shù)字圖像處理技術(shù)，其硬件原理如圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

　　通過圖像傳感器獲得指紋圖像及數(shù)字化輸出，將圖像數(shù)據(jù)傳遞給中央處理芯片DSP。DSP對圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，如：濾波、圖像的平滑銳化、二值化、特征點(diǎn)提取等，同時(shí)將處理結(jié)果通過USB輸出到上位機(jī)。在整個(gè)指紋圖像采集處理系統(tǒng)中，DSP主要有三個(gè)方面的作用：通過其I2C總線對OV6620的對比度、亮度、銳度等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;對指紋圖像進(jìn)行數(shù)字處理;按照USB的規(guī)范應(yīng)答，提供設(shè)備識別，固化PDIUSBDl2，與上位機(jī)通信。

　　2 系統(tǒng)硬件方案選擇與設(shè)計(jì)

　　2.1 圖像傳感器

　　CMOS圖像傳感器是近幾年發(fā)展較快的新型圖像傳感器，可以將像素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上，是一個(gè)完整的圖像系統(tǒng)。與CCD產(chǎn)品相比較其功耗小、體積小、成本低。

　　在采集系統(tǒng)中，使用OV6620作為圖像采集芯片。OV6620是Omni Vision公司開發(fā)的CMOS黑白圖像采集芯片。該芯片將CMOS光感應(yīng)核與外圍支持電路集成在一起。輸出的視頻為黑白圖像。技術(shù)參數(shù)：分辨率352x288，速度30幀/秒。

　　2.2 數(shù)字信號處理芯片

　　本系統(tǒng)中采用了TI公司推出的高性能數(shù)字信號處理器TMS320VC5402。其采用程序空間與數(shù)據(jù)空間完全獨(dú)立的哈佛總線結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行采用流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一到多個(gè)處理內(nèi)核，帶有片上硬件乘法器，其指令執(zhí)行速度最快為幾十納秒，處理能力為100MIPS。這些為DSP在高速大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中提供了廣闊的應(yīng)用空間。片內(nèi)共有8條總線（4條程序存儲器總線、1條數(shù)據(jù)存儲器總線和3條地址總線）、片上存儲器和片上外圍電路等硬件，有高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，具有功耗低、高度并行等優(yōu)點(diǎn)。

　　2.3 USB接口芯片

　　世界上很多半導(dǎo)體公司參與了USB芯片的開發(fā)，形成了多種產(chǎn)品系列。如Intel 8*930AX/HX、Cypress FX2高速USB微控制器、NaTIonal Semiconductor的USBN9602/9603。對于基于DSP平臺的USB接口設(shè)計(jì)，綜合考慮了幾種方案之后，決定采用一個(gè)不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片PDIUSBDl2，再加上簡單的外圍電路和時(shí)序調(diào)整電路。主要因?yàn)槠錆M足項(xiàng)目性能需求，且使用外接CPU，成本非常低。

　　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）的平臺上編寫程序，以完成USBl.1規(guī)范所要求的標(biāo)準(zhǔn)請求及用戶根據(jù)產(chǎn)品需要自己定義的請求。

　　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)寄存器來對每一個(gè)請求做出響應(yīng)，并通過PDIUSBDl2的端點(diǎn)0回送請求信息。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)動程序并對設(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。

圖2 固件程序結(jié)構(gòu)

　　3.2 設(shè)備驅(qū)動

　　3.2 設(shè)備驅(qū)動

　　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)簡單的文件操作APl函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動程序中某個(gè)設(shè)備的通信。

　　PC機(jī)的驅(qū)動程序由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 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)送請求。

　　3.3 指紋識別流程

　　系統(tǒng)上電時(shí)，TMS320VC5402通過12C總線操作對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)直接存儲到圖像RAM中。采集完一幀指紋圖像后由CPLD發(fā)握手信號，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，并將提取的結(jié)果與指紋特征庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而與庫中特征指紋進(jìn)行指紋匹配識別。

　　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的平滑銳化。（4）特征點(diǎn)提取：采用了脊線跟蹤法，其基本思想是直接對圖像進(jìn)行脊線跟蹤，在跟蹤過程中檢測特征點(diǎn)。

　　整個(gè)軟件流程如圖3所示。