嵌入式指纹处理模块设计与实现

一、引言
    人体的指纹由于具有长期不变性、稳定性和难于伪造等特点，已经成为现代生物识别技术的首选， 自动指纹识别系统(AFIS)是指集指纹图像的采集、识别并给出身份验证结果为一体的软硬件相结合的系统。目前，自动指纹识别系统可以分为两类：一类是用 专门的硬件设备来采集指纹图像，然后将采集到的图像传送给上位机，利用上位机强大的运算能力和海量的指纹特征库，来实现指纹的识别。一类是将指纹的采集与 识别在一个嵌入式系统中完成，这类系统通常是用DSP这类具有高速运算能力的器件来构建。由于嵌入式指纹识别系统存在价格低廉、使用灵活方便等优点，越来 越受到人们的重视。本文的目的就是要搭建一款低成本的嵌入式指纹处理模块，使其具有独立的指纹图像采集与识别并给出识别结果的能力。

二、模块硬件组成
    对于嵌入式指纹处理模块硬件的构建，考虑到整个模块所需实现的功能、成本和处理速度的要求，选用TI公司生产的DSP处理器TMS320VC5402作为 整个模块的核心处理芯片，它是TI公司推出的一款性价比极高的DSP处理器，其内部包括4KW 的ROM，16KW 片内DARAM，2个定时器，4个外部中断，外部程序空间可扩展到1MW,并且它可工作在3种低功耗方式(IDLE1，IDLE2，IDLE3)，能较好 的满足本模块需要。指纹图像采集芯片选择FUJITSU公司推出的新一代固态指纹传感器MBF200。它是一款专为嵌入式系统设计的高性能、低功耗的电容 指纹传感器。由于TMS320VC5402掉电不保存程序且一幅经MBF200采集的分辨率为256×300的指纹图像需要75KB存储空间，所以整个模 块外扩了容量为256KW 的FLASH和SRAM 各一片用于存储整个系统的程序和指纹图像数据。为了提高模块的可扩展性和适用性，采用USB接口芯片CH375扩展了模块的USB接口，使模块具有了外挂 海量存储器和与上位机进行通行的能力。由于TMS320VC5402的16根数据可以作为通用I/O口使用，采用两片8位的总线缓冲器74HC245来实 现本模块的ID设置。此外，系统还选用一片Altera生产的全局逻辑控制器EPM3032AE来实现整个模块的逻辑控制。
    系统的工作原理可描述如下：通过小键盘输入ID号码，如果用户输入的ID号正确，MBF200采集用户的指纹，利用DSP和CPLD将指纹图像存储到 SRAM 中，在数据处理阶段，DSP将SRAM 中的数据分块取到其内部的16KW RAM 中作为指纹图像处理以及识别算法的临时数据，将处理结果与FLASH 中预先采集提取的特征指纹进行匹配，并用LCD显示识别结果。系统的原理框图如图1所示。
 
1、模块逻辑功能实现
    模块逻辑部分主要是为整个系统提供片选信号和读写控制信号，它是整个模块正常工作的核心，本系统选用CPLD芯片EPM3032AE来完成该部分的功能。 TMS320VC5402可供访问的存储器空间有3个：1MW 的程序存储空间、64KW的数据空间，64KW 的I/O空间，系统设计时将外扩的256KW的FLASH及SRAM 都映射到数据空间，这两者应分时占据数据空间的，所以访问不同存储器芯片时需要分别为它们安排选通信号，该选通信号可由DSP的数据空间选择信号/DS和 TMS320VC5402的通用I/O口信号XF相“或”来实现，即FLASH的片选型号由/DS与XF相“或”产生，SRAM 的片选信号由DS#与XF的“非”相“或”产生。模块上电后，TMS320VC5402的XF引脚输出为高电平，此时由FLASH占用数据空 间，“BootLoader”开始运行，Load完成后，编写程序使TMS320VC5402的XF引脚输出低电平使系统放弃FLASH 而选通SRAM，从而使SRAM 占用数据空问。
    另外，我们将指纹传感器MBF200、USB接口芯片CH375、LCD 以及小键盘都映射到TMS320VC5402的I/O 空问，要在访问它们时不发生访问冲突，需要对对它们进行编址。采用DSP的数据线A15、A14、A13对映射到DSP的I/O空间外围设备进行编址，具 体实现过程如下：在EPM3032AE中设计一个三．八译码器，A15、A14、A13作为输入端，其八个低电平有效的输出端作为各外围设备的片选使能信 号，由于系统选用的MBF200、液晶SED1335F、CH375都具有一根地址线A0，用来在功能寄存器和数据寄存器之间切换，所以也需要将DSP的 A0接入各外围芯片的A0，让它们分别占用两个地址位。模块中映射到I/O空间的各外围设备的地址如表1所示(在表中的第二栏中未列出的地址线 A2．A12可以为任意状态)。在软件编程时，对I/O空间的相应地址的访问，就是对映射到I/O空间各种外围设备的访问，例如对I/O空间 0x0000~0x1FFE(注意要保证地址位A0为低电平)的读写，就是对指纹传感器命令寄存器的读写。对于系统各个芯片的读写信号，CPLD 主要完成将TMS320VC5402的MOTOROLA格式的读写信号转化为INTEL格式的读写信号，如Flash及SRAM 的读信号通过DSP的/MSTRB与R/W 信号进行“或”运算得到，Flash及SRAM 的写信号通过DSP 的R/W 信号的非运算后再与/MSTRB进行或运算得到;同理将DSP的/IOSTRB 与R/W进行相类似的逻辑运算便可得到I/O 空间的读写信号。采用Altera公司的Maxplus II软件进行VHDL语言编程，可较为容易的实现该系统所需的逻辑功能。

表1 映射到I/O空间的外围设备编址

功能/名称	A15/A14/A13/A0状态	I/O空间地址/区域	操作
MBF200命令寄存器	0\0\0\0	0x1000-0x1FFE(A0=0)	8位可读写
MBF200数据寄存器	0\0\01	0x1001-0x1FFF(A0=1)	8位可读写
LCD命令寄存器	0\01\0	0x3000-0x3FFE(A0=0)	8位可读写
LCD数据寄存器	0\011	0x3001-0x3FFF(A0=0)	8位可读写
CH375命令寄存器	01\0\0	0x5000-0x5FFE(A0=0)	8位可读写
CH375数据寄存器	0111	0x5001-0x5FFF(A0=0)	8位可读写
小键盘数据寄存器	10\0x	0x5001-0x5FFF	16位可读写

2、程序与数据空间的扩展
    系统要访问的存储器有三个：TMS320VC5402 内部16KW 的DRAM，系统外扩的256KW 的FLASH和SRAM。对于本系统使用的DSP,其数据空间的寻址范围为64KW，而系统扩展的SRAM 为256KW，怎样对高地址的196KW 的数据空间进行访问， 借鉴TMS320VC5402程序空间分页寻址的方法，对数据空间进行分页寻址，方法如下：将SRAM的16根数据线(D0-D15)、低16位地址线 (A0-A15)与TMS320VC5402对应的数据线、地址线直接相连，而将HD0-HD1通过寄存器GPIOCR编程设置成输出作为SRAM 的A16、A17的地址发生信号，即当HD0=0、HD1=0时访问数据空间的第一页，HD0=0、HD1=1时，访问数据空间的第二页，依次类推就把外 扩的SRAM 分成容量为64KW 的四页。由于DSP访问其内部的16KW 的DRAM 时，外部地址线保持为高电平， 所以其内部的自带的16KWDRAM 占据了每一页的低16KW 的数据空间，这和程序空间的分页扩展是类似的，这样的数据空间地址分别为：0x4000~0xFFFF(HD1=0、HD0=0)、 0x14000～0x1FFFF (HD1=0、HD0=I)、0x24000～0x2FFFF(HD1=1、HD1=0)、0x34000～0x3FFFF (HD1=1、HD1=1)，在编程访问时必须首先配置HD0、HD1的相应状态，才能正
确对数据空间进行访问。至于FLASH芯片的与DSP的连接，由于系统运行时用不到FLASH 的高地址空间，所以可将它们的地址线、数据线对应连接就可以了。

3、指纹采集与识别部分硬件设计
    该部分主要由TMS320VC5402和指纹传感器MBF200组成。MBF200提供三种接口：
(1)SPI：只需6条线就可以与带SPI接口的微处理器连接;
(2)USB：可作为标准的USB设备来使用;
(3)MCU：MBF200内置的标准8位微处理器总线。
    本文采用了MBF200的MCU模式获取指纹图像。它与DSP和CPLD的硬件连接如下：传感器的8位数据线直接与TMS320VC5402 的低8位数据线相连，读写信号线由EPM3032AE控制(具体实现方法见本文逻辑控制部分)，通过编程可将采集到的指纹图像数据直接存储到SRAM 四页中的任意一页或两页中， 由于SRAM 每页最多只能提供48KW 的数据空间，为了后续编写指纹识别程序的方便，编写程序设置MBF200的寄存器将采集图像数据控制在48KB以内，本文所采集的指纹图像像素为 220×220，存于SRAM的第一页。另外，需要注意的是MBF200的两种起振方式：采用内部多谐振荡器起振，将MBF200的FSET 管脚通过者外接晶体振荡电路，使用外部时钟时通过XTAL1．XTAL2连接晶体电路来产生时钟信号。本文通过设置MBF200寄存器CTRLB的 XTALSEL位为低采用第一种起振方式。指纹采集部分的硬件连接如图2所示。
 
图2 指纹采集部分硬件连接图
4、模块的USB接口扩展
    考虑到模块板可能需要外挂海量存储器存储指纹模版及与PC机等上位机进行通信，采用CH375扩展了系统的USB接口，它是一个USB总线的通用设备接口 芯片，无需用户编写驱动程序，CH375以C语言子程序库提供了USB存储设备的文件级接口，这些应用层接ISIAPI包含了常用的文件级操作，可以方便 移植并嵌入到各种常用的单片机程序中，这样对USB 设备的通信就几乎和访问本地硬盘一样。它具有8位数据总线(D0-D7)、读(/RD)、写(/WR)、片选控制线(/CS)以及中断输出(/INT)， 可以方便地与TMS320VC5402进行连接。另外CH375有一个地址线A0，它占用两个地址位，当A0引脚为高电平时选择命令端口，可以写入命令; 当A0引脚为低电平时选择数据端口，可以读写数据，其硬件连接如图3所示。
 
图3 USB扩展硬件连接图

三、嵌入式软件系统框架的构建
    在各功能模块软硬件调试通过后，就要考虑构建整个模块的软件系统，使其能完成预定的工作，模块的预定工作流程如图4所示，主要包括以下几个部分：
(1)系统初始化
    该部分的工作主要包括系统工作时钟设置、中断设置和各寄存器的设置。
(2)密码识别
    该部分主要实现确认用户ID和更改用户ID 的功能。
(3)指纹图像的采集与识别
    该部分主要实现指纹图像的采集与识别的功能。
(4)USB接口通信
    该部分实现系统与上位机进行USB接口通行和访问外挂海量储存器的功能。
 
图4 模块程序流程图
    TMS320VC5402提供了四个外部中断，系统设计时将INT0用于触发密码识别，INTI用于触发指纹图像采集和识别，INT2用于触发USB接口 通信。在软件程序的开发中，为了减小中断服务程序的程序量，引入WINDOWS消息触发的编程思想，在程序中设计了一个队列，在中断服务程序中，只是将中 断类型添加入该队列中，在主程序的死循环中不断扫描中断队列是否有中断，有则取出队列中的第一个中断类型，进行相应处理，没有中断就使模块进入节电模式， 程序框架如下：
main()
{
int i,ImageFlag,intType1,intType;
/**********初始化目标板*********/
Init_Board();
InitQueue(&q);//初始化队列
while(1)//进入死循环
{
if(!emptyQueue(&q))
{/*删除队列中的首节点，并返回该节点的值域*/
intType1=outQueue(&q);
/*根据中断类型触发各个功能模块*/
switch(intType1)
{
case 0:
PassWord_Get();//调用密码识别程序
case 1:
ImageGet(0x4000,0x01);//获得指纹图像
FVSStart0; break;//调用指纹识别程序
case 2:
CH375();break;//进行USB接口通信
default: break;
}
}else Idle1();//进入节电模式
}
}
/*外部中断0触发密码验证模块*/
interrupt void Int0()
{
intType=0;
enQueue(&q,intType);//在队列尾加入新的中断
}
interrupt void Int1()/* 外部中断1触发图像采集及识别模块*/
{
intType=1;
enQueue(&q,intType);//在队列尾加入新的中断
}
interrupt void Int2() /*外部中断2触发USB接口通信模块*/
{
intType=2;
enQueue(&q,intType);//在队列尾加入新的中断
}

四、结论
    本文采用了基于TMS320VC5402和MBF200的嵌入式技术，设计了一个能独立运行的嵌入式自动指纹识别系统，并根据各硬件模块的组成构建了系统 的嵌入式软件框架。实验表明本系统板能实现快速的指纹图像采集和用户ID识别，采集的指纹图像如图5所示。在此基础上加入指纹图像预处理、指纹特征提取以 及指纹匹配等指纹识别算法程序，能够构成一个完整的指纹识别系统。