便攜式指紋識別系統設計及實現工程碩士論文-資料下載頁

　　

【正文】 分為兩類：由DSP控制的加載模式和由外部主機控制的加載模式。并行外部寄存器（EMIF）加載、標準串口加載以及串行外設接口（SPI）加載都是由DSP控制的加載模式。通用I/O引腳的電平設置決定了引導方式，如表32所示。GPIO0GPIO1GPIO2GPIO3引導模式0000保留0001串行（SPI）24位地址EPROM引導0010USB0011保留0100保留0101HPI復式引導模式0110HPI非復式引導模式0111保留1000在CEI空間開始執行1001串行（SPI）16位地址EPROM引導1010保留1011在CEI空間16位異步存儲引導1100保留1101保留1110在McBSP0標準的串行引導（16位）1111在McBSP0標準的串行引導（8位）32 系統引導方式設置表表(2) 引導過程GPIO0、GPIOGPIOGPIO3四個引腳在處理器上電初始化時候的狀態決定了C5509采取什么樣的引導方式。在引導的過程中，C5509將固化在外部存儲器上的程序代碼導入片內的RAM中，使得程序能快速地運行。 本章小結本章將各種嵌入式指紋識別系統的性能進行了比較，對我們所要開發的嵌入式指紋識別系統的原型系統進行分析，依據系統的便攜和省電的實際需求，確定了以DSP芯片為核心的指紋識別系統框架結構，實現一個既可聯機又可脫離計算機獨立運行的自動指紋識別系統。在DSP的選型上，由于TI公司生產的C5509在實時性和低功耗方面具有非常明顯的優勢，正成為通信和個人消費領域的主流DSP產品之一，最后詳述了DSP芯片的結構特性和程序加載方式，為后面的系統設計做好鋪墊。第四章 滑動式指紋傳感器與圖像重組算法 指紋傳感器概述 活體指紋傳感器活體指紋采集最重要的部分是前端的傳感單元，這是指紋圖像形成的重要部分。由于指紋采集的應用場合不同，所需要的指紋識別系統的性能也不盡相同，應該針對不同的應用環境，選擇合適的指紋傳感器，以達到好的識別效果。目前市場上指紋傳感器根據不同的成像原理，大致有光學式、半導體式和超聲波式三種類型。(1)光學采集器光學衰減全內反射技術(FTIR)是最早使用的活體采集技術。手指觸碰玻璃棱鏡的頂部，當脊線與棱鏡表面接觸時，谷線卻保持一定的縫隙，用散光從棱鏡的左邊照射，照射進來的光線在谷線部位被反射，而脊線部位卻吸收了，反射回來的光線通過透鏡聚焦CCD上，這種反射的差別就很容易分辨脊線和谷線。但是光學指紋采集設備存在諸多不足之處，主要表現在以下四個方面：首先，用塑膠假手指，能夠在光學傳感器上得到與真手指非常相近的指紋圖像，因此，必須開發新的技術來增強傳統光學傳感器分辨真偽的能力；其次，光學傳感器一般體積都比較大，而且成本較高，這樣就對應用的范圍提出了限制；最后，手指在臺板上按完后留下的潛在指印嚴重時會導致兩個指印的重疊。另外臺板上的涂層(膜)和CCD陣列隨著時間的推移會有損耗，精確度會降低。近年來光學指紋采集家族中新出現的紅外線指紋傳感器采用對指紋的真皮層反射，能夠較好地區分手指的真假。但是其設備尺寸大，成本高，不適合應用于嵌入式的便攜式產品[52]。(2)半導體采集器半導體傳感器是1998年在市場上才出現的，這些含有微型晶體的平面通過多種技術來繪制指紋圖像。晶體采集器的傳感單元都排列著像素，每個像素是一個微小的感應元素。用戶把手指按壓在傳感單元表面后直接把指紋信息轉換成電子信號，不需要光學裝置也不需要任何外部 CCD。根據電壓產生原理的不同，主要分為以下四類：電容型，電場型，熱量型和壓電型采集器。① 硅電容性采集器是當今最為常用的。在半導體金屬陣列上能結合大約100000個電容傳感器，其外面是絕緣的表面。傳感單元中電容的一極呈二維排列，每個微電容的另一級就是手指皮膚。當手指置于傳感器上時，在手指和電容器之間產生電荷，電荷的大小與手指表面和電容器極性之間的距離有關。采集器利用此原理敏感地感應脊線與谷線之間電荷的不同。硅電容性采集器和光學采集器一樣需要第四章 滑動式指紋傳感器與圖像重組算法三維的手指輸入，這樣不容易被指紋圖片欺騙。這種采集器的關鍵部位是感應面，硅晶體芯片需要被保護防止手指汗液中化學物質的侵擾。但是太厚的表面，脊線與谷線間的差別降低，導致感應單元的不敏感性。特別是在手指條件比較差的情況下，谷線的深度只有微米級，所以保護層在保證可以抵制外界磨損的情況下，要盡可能的薄一些。另外，還應考慮從手指帶來的靜電對傳感器的損壞作用。因此，一些合適的保護措施應該被運用，防止靜電、化學侵蝕、物理刮傷等。該類型采集器的優點是可以改變電子參數，在手指條件差的情況下也能獲取不錯的指紋圖像。② 壓電型傳感器的設計原理是根據壓力大小產生不同的電信號。該表面用一種不傳導的介電材料做成，當有來自手指壓力時產生微弱的電流信號。電流的大小與壓力的大小有關，脊線與谷線的壓力是不同的。不理想的是，這些材料對壓力不十分敏感，且保護層可能損壞指紋圖片。另外，這種傳感器只能得到二值圖像，信息量較小。③ 熱量型采集器中有一種化學物質可以根據溫度的不同產生不同的電流，指紋的脊線因為與傳感器表面相接觸可以產生與遠離表面的谷線不同的溫度。應用中利用電加熱保持傳感器表面較高的溫度，增加表面和手指的溫度差。當手指觸碰感應器表面，溫度差形成指紋圖像，但是當溫度達到平衡后，圖像會很快消失。④ 電場型采集器包括一個能夠產生正弦信號驅動環和一個能夠接受由驅動環傳遞、手指皮膚調制的微弱信號的接收器矩陣。采集時，手指必須同時觸碰傳感單元和驅動環。為了得到指紋圖像，矩陣中每個單元的模擬信號被增強、合并、數字化。(3)超聲波采集器超聲波采集原理是基于發送聲學信號并捕捉回聲信號，回聲被用來計算指紋的行列圖像和脊線結構。采集器有兩個主要部件：發射機——產生短聲波脈沖；接收器——接受從指紋返回的聲波信號。這種方法可以忽略污漬、油脂帶來的干擾，獲取到較好的指紋圖像。然而因為采集器體積較大，價格昂貴，另外采集圖像費時，基本還處于實驗室階段。隨著手機、掌上電腦以及筆記本電腦等手持電子設備的不斷發展和普及，同時人們對電子商務安全和個人信息安全也越來越重視，以功耗低、體積小為優勢的半導體指紋傳感器的市場需求量將會不斷增加。 指紋輸入方法指紋輸入方法有兩種：觸碰法和掃描法。當今流行的采集器大多使用觸碰法：手指簡單置于采集器表面，不需要移動手指，等待采集器的采集。該方法優點是操作簡單，低齡用戶經過訓練也能使用，其缺點為：(1) 手指移開后，可能在傳感器上留下指紋印痕；(2) 指紋的旋轉帶來識別的問題，有些算方法不支持指紋的旋轉；(3) 價格和感應區尺寸的折中問題。指紋輸入的另一種方法是掃描法。手指置于感應區，慢慢移動手指等待采集器輸入指紋圖像，并從眾多圖像切片中進行指紋圖像重構。使用這種技術可以減少感應區尺寸，價格會大大降低。半導體傳感器的制造成本主要集中在傳感器的半導體場效應像素陣列上，要想有效的降低半導體指紋傳感器的成本就要想辦法減少半導體場效應像素陣列的面積。滑動式指紋傳感器正是實現這一目標的途徑，它的有效場效應像素陣列面積約占手指指尖部分的1/5。本文采用的就是基于掃描輸入法的指紋傳感器LTTSS500，是臺灣Ligh Tuning公司生產的新型滑動式硅電容場效應陣列指紋傳感器。 滑動式指紋傳感器LTTSS500的結構特性LTTSS500是臺灣祥群科技科技有限公司（Ligh Tuning）生產的一款專為嵌入式系統設計的高性能、低功耗的滑動式指紋傳感器，可以很方便地集成到各種 Internet設備，如：便攜式電腦、PDA、移動電話等。LTTSS500芯片主要技術參數可歸納為：封裝：18個引腳掃描區面積：* 傳感器陣列：192*16分辨率：500256個灰度級集成了8位的模數轉換器工作電壓：正常工作電流：閑置狀態電流：幀速率：小于400LTTSS500芯片主要應用領域：計算機外圍設備：如鼠標、鍵盤移動設備：如PDA、手機需要身份認證的電子商務系統 指紋傳感器LTTSS500的電路設計 LTTSS500指紋傳感器工作原理LTTSS500傳感陣列為192*16或者192*8兩種，其成像原理與其他電容式硅晶體指紋傳感器一樣，傳感器單元檢測到金屬板和手指之間電容并將電容轉換電壓。由每個傳感單元所產生的電壓，依次輸出到電壓放大器。放大器放大電壓以增加靈敏度。然后嵌入的模數轉換器將放大的電壓轉化成8位數字信號。有4個8位的控制指令，這些指令由SCK和SDA來設置。控制邏輯產生控制信號，CLK是系統時鐘，CLK最高頻率為15。LTTSS500有兩個接口方式：普通模式和SPI模式。其結構框圖如下圖41和42所示：圖41 普通模式圖42 SPI 模式 (1) 普通模式在普通模式下，指紋傳感器和相關的設備（如ADC和AMP）始終處于通電狀態。接觸的傳感器是活躍。LTTSS500會感知圖像并每12個時鐘周期傳遞一個像素數據。信息傳輸期間，F_SYNC代表幀的開始，P_SYNC表示開始新的像素。如果在此模式下RST設置為“logic 0”， LTTSS500停止傳輸并進入閑置模式。(2) 閑置模式處于閑置模式時，LTTSS500的功耗最低。當RST設置為“logic 0”時， LTTSS500進入此模式。在此模式下，LTTSS500所有模擬器件和邏輯控制器處于電源關閉狀態。只有串行控制接口是處于電源接通狀態的。當閑置模式轉為普通模式或通信狀態時，用戶必須重新進行指令設置。圖像增益控制LTTSS500有內部的PGA (Program Gain Amp)，可以用來調整圖像增益。放大器增益調整適當能夠提高指紋圖像的質量。A/D轉換器LTTSS500指紋傳感器內置8位模數轉換器（ADC），ADC每12個時鐘周期輸出一個像素。ADC的最高參考電壓（VRT）和最低參考電壓（VRB）分別取決于VT[4:0]和VB[3:0]的設置。－，－，VRB必須始終比VRT的值低，如果ADC的輸出電壓高于VRT，輸出為255，如果ADC的輸出電壓低于VRB，輸出0。因此，適當的VRT和VRB取值可以大幅度提高圖像的質量。串行控制接口串行控制接口與外部控制器進行通信。用戶可通過串行控制接口對指令賦值。首先，外部控制器必需產生一個啟動信號來引導外部通信。在啟動狀態下，從SDA轉變成“logic 0”到SCK轉變成“logic 0”至少需要4個時鐘周期。啟動后，控制器需發送7位串行地址，來決定寫入哪個指令。第8位需設定為0用于寫數據。9－16位串行數據，用來存放指令。串行地址和數據的第一位是MSB，最后一位是LSB。串行地址和數據傳輸完后，控制器需產生一個停止信號，使內部的通信結束。進入停止狀態時，從SDA轉變成“logic 1”到SCK轉變成“logic 1”也至少需要4個時鐘周期。 注意：TT7至少是4個時鐘周期 圖43 LTTSS500 初始化時序圖STFM（指令地址0h的第7位）設置為“Logic 0”，LTTSS500進入指令設置狀態，如果設置成“Logic 1”，LTTSS500將進入普通模式。因為STFM是在指令地址0h的第7位，是指令的指令，所以指令0h必需是最后才設置的。 當“RET”初始化LTTSS500后（如圖43所示），LTTSS500將再次進入指令設置狀態。LTTSS500的數據是串行輸出的，輸出秩序，是由上到下，從左至右。 用戶可以通過RWS （地址1h的第5位）的設置來選擇傳感器LTTSS500的傳感陣列是192*16或是192*8，如圖44所示，當使用192*8傳感陣列時，只有中間8行被掃描。圖44 192*16和192*8的傳感陣列　　　LTTSS500輸出時序圖如圖45所示，如果是普通類型的接口，圖像垂直掃描，而所有像素是連續輸出的。如果是SPI型的接口方式，會用到3個輸出引腳：SCLK, MOSI和/SS。當有像素輸出時，傳感器LTTSS500為主方，微處理器是從方，在SCLK的上升沿MOSI的值做一次改變，時序圖如圖45。 圖45 LTTSS500信號輸出時序圖 指紋采集模塊的硬件設計指紋采集模塊的主要構成是C5509 DSP，滑動式傳感器LTTSS500，外部擴展Flash ROM SST25VF010三大部分。另外，系統采用了SST公司的1Mbit SPI FLASH SST25VF010來進行外部存儲器的擴展，用來存儲指紋特征和程序代碼，對于外部擴展的FLASH的選型和設計本文做了深入的分析，會在第五章做詳細的說明，采集模塊硬件電路如圖46。圖46 C5509與LTTSS500電路連接圖 條狀指紋圖像重組算法的研究TTSS500由于它的高性能、低功耗、低價格、小尺寸，可以很方便地集成到各種Internet設備，如：便攜式電腦、PDA、移動電話等，因此具有廣泛的市場前景。但是它的缺點是滑動式硅電容傳感器輸