在各種生物識別技術(shù)中,，指紋識別技術(shù)是最成熟、準(zhǔn)確和最易使用的,。而指紋采集作為指紋識別系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)也越來越受到人們的重視，高質(zhì)量的指紋采集技術(shù)已成為一個重要的研究課題,。指紋圖像的采集是自動指紋識別系統(tǒng)（AFIS-Automation Fingerprint Identification System）的重要組成部分,，采集到的指紋圖像的質(zhì)量好壞，直接影響到后續(xù)的指紋圖像處理過程,。高質(zhì)量的指紋圖像可以大大簡化指紋圖像處理的算法,，提高識別率，減小拒識率,。
隨著新型半導(dǎo)體指紋采集傳感器件和DSP,，CPLD技術(shù)的發(fā)展，自動指紋識別技術(shù)正向著小型化和嵌入式的方向發(fā)展,。本文介紹的就是基于DSP的指紋采集系統(tǒng),。
本系統(tǒng)的原理
本系統(tǒng)中的指紋傳感器采用FPS200固態(tài)指紋芯片，其成像原理如圖1所示,。由圖1可以看出,，一個像素點上有一個金屬電極，手指皮膚是另一個電極,，兩者之間形成了電容CP,。手指皮膚上的脊（ridge）和谷（valley）將產(chǎn)生不同的CP。由于CP很小,，無法直接測量,，所以使用以下方法：先以一固定時間對CP充電（SW1關(guān)且SA2開），接著以一固定時間對CP放電（SW1開且SW2關(guān)）,，放出的電能將轉(zhuǎn)儲到Cc中,。每一次充電放電周期中，由于充電電壓相同,，充電時間相同,，所以不同的CP值將導(dǎo)致CP存儲不同的電能。這些電能在CP放電時將轉(zhuǎn)儲到Cc中導(dǎo)致Cc電壓的增高,。所以CP值的不同將導(dǎo)致一次充電放電周期結(jié)束后Cc電壓增高值的不同（成正比）,，最后將導(dǎo)致Cc電壓增高到參考電壓所需的充電放電周期次數(shù)的不同（成反比），這樣就可以通過充電放電周期次數(shù)來測量CP了,。
傳感器陣列包括256列×300行的傳感器電極,，每一列都有兩個采樣—保持電路與之相聯(lián)系,。采集一個指紋圖像時獲取一行數(shù)據(jù)，而此過程共有兩個階段,。第一階段,，傳感器電極中被選擇的行預(yù)充電到VDD電平，一個內(nèi)部信號允許第一采樣—保持電路集合保存預(yù)充電行的電平,。第二階段,，行傳感器電極以一定電流放電，每個單元的放電率跟“放電電流”成比例,。經(jīng)過一段時間（即“放電時間”）后,，一個內(nèi)部信號允許第二采樣——保持電路集合保存最終電極的電平。預(yù)充電與放電后的電極電平之間的差別在于傳感器電容量,。行獲取結(jié)束后,，就可以對行中的每個單元進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換了。芯片的敏感度可以通過調(diào)整放電時間與放電電流來控制,；電流源的參考值由外接于ISET和地之間的電阻來決定,，其由放電電流寄存器（DCR）控制；放電時間由放電時間寄存器（DTR）控制,。
當(dāng)指紋中的凸起部分置于傳感電容像素電極上時,，電容會有所增加，通過檢測增加的電容就能進(jìn)行指紋采集,。傳感器中的像素點大小為45μm2,，間隔為50μm，像素陣列的分辨率略高于500dpi,，基于一種標(biāo)準(zhǔn)的單一多晶硅三層金屬0.5μm CMOS工藝,。
處于指紋的凸起下的像素（電容量高）放電較慢，而處于指紋的凹處下的像素（電容量低）放電較快,。這種不同的放電率可通過采樣保持（S/H）電路檢測并轉(zhuǎn)換成一個8位數(shù)字量輸出,，這種檢測方法對指紋凸起和低凹具有較高的敏感性，并可形成非常好的原始指紋圖像,。指紋圖像依次進(jìn)行逐行采集,，每個金屬電極均作為電容的一個極，與之接觸的手指則是電容的另一個極,。在器件表面有一層鈍化層,，作為電容兩個電極間的電介質(zhì)層。將手指置于傳感器上時,，指紋上的凸起和凹進(jìn)會在陣列上產(chǎn)生不同的電容值,，并構(gòu)成用于認(rèn)證的一整幅圖像。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)的工作主要由以下部分構(gòu)成：指紋圖像采集部分、程序與數(shù)據(jù)存儲部分,、全局邏輯控制部分以及數(shù)據(jù)通信部分,。
指紋圖像采集部分：系統(tǒng)利用軟件查詢方式來判斷是否進(jìn)行指紋的采集。當(dāng)進(jìn)行指紋采集時,，指紋傳感芯片按照設(shè)定的參數(shù)采集指紋并將模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像,，然后在DSP的控制下將數(shù)據(jù)存儲在外部數(shù)據(jù)空間中，等待進(jìn)行下一步的處理,。
程序與數(shù)據(jù)存儲部分：此部分由SRAM和DSP片內(nèi)DARAM構(gòu)成,，SRAM用于存放指紋圖像并提供程序運(yùn)行時所需要的臨時數(shù)據(jù)空間。
全局邏輯控制部分：此部分由CPLD來完成,，實現(xiàn)以下三方面的功能：①對DSP的數(shù)據(jù)空間進(jìn)行分時尋址,；②產(chǎn)生系統(tǒng)中各個芯片的片選信號；③產(chǎn)生系統(tǒng)中各個芯片的讀寫信號,。
數(shù)據(jù)通信部分：該部分設(shè)計了串口通信以及USB通信兩種模式，均可以單獨(dú)工作,。串口通信采用的是TI公司的異步串行收發(fā)芯片TL16C550,，配合一片MAX232即可實現(xiàn)計算機(jī)與目標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通信；USB通信部分采用了南京沁恒電子公司的USB通信芯片CH375,。
1 TMS320VC5402芯片
TMS320VC5402具有優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu),，內(nèi)部有1個40位的算術(shù)邏輯單元（包括一個40位的桶式移位寄存器和兩個獨(dú)立的40位累加器），一個17×17的乘法器和一個40位專用加法器,，16K×16bit RAM空間和4K×16bit ROM空間,；共20根地址線，可尋址64K×16bit數(shù)據(jù)區(qū)和1M×16bit程序區(qū),，具有64K I/O空間,；處理速度為100MIPS，速度高,、功耗低,。
2 存儲器電路的設(shè)計
通常一個DSP系統(tǒng)除了DSP芯片之外，還需要外部存儲器,。外部存儲器一般有兩種,，即存儲程序和固定數(shù)據(jù)的EPROM和可讀寫的快速RAM。本系統(tǒng)采用的存儲器為CY7C1041,，是一款256K×16bit的靜態(tài)RAM,。從接口方式考慮，外部存儲器分為串口存儲器和并口存儲器2種,。在DSP系統(tǒng)中,，由于要求高速交換數(shù)據(jù)，一般都采用并口存儲器。
由DSP的程序空間選擇信號PS作為外部程序存儲器的片選線,，讀寫線R/W作為外部存儲器的讀寫控制線,，存儲器選通信號MSTRB作為外部程序存儲器的使能線，地址線A0～A17作為地址線尋址256K×16程序存儲空間,。在DSP與外部數(shù)據(jù)存儲器的接口中,，讀寫線R/W作為外部存儲器的讀寫控制線，由數(shù)據(jù)空間選擇信號DS作為外部數(shù)據(jù)存儲器的片選信號,，存儲器選通線MSTRB作為外部數(shù)據(jù)存儲器的使能線,，因為C54XX系列DSP地址線只有A0～A15才能作為外部數(shù)據(jù)存儲器和I/0口尋址，所以要尋址空間超過64KB,，必須擴(kuò)展地址線,。
3 DSP與FPS200的接口設(shè)計
本系統(tǒng)TMS320VC5402與指紋傳感器FPS200的接口實現(xiàn)采用微處理器接口模式，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(yīng)地址的數(shù)據(jù)寄存器。
指紋傳感器通過目錄地址表去選擇它的功能寄存器,。芯片內(nèi)有8位數(shù)據(jù)線（D[7:0]）和一個地址選擇線（A0）,。此地址線用來選擇目錄寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。若A0為低,，則選中目錄地址,；若A0為高，則通過目錄地址選中數(shù)據(jù)寄存器,，而目錄寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)保持原值,，直至被重寫或者芯片復(fù)位。
芯片有四個控制輸入引腳：RD,、WR,、CS0、CS1,。若使CS0為低且CS1為高,，則選中芯片，數(shù)據(jù)被鎖存在寫（WR）的上升邊緣,。
系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件實現(xiàn)包括兩大部分,，一是指紋數(shù)據(jù)采集控制部分，二是指紋數(shù)據(jù)通信傳輸部分,。
指紋數(shù)據(jù)采集控制部分是使用C語言實現(xiàn),，而指紋數(shù)據(jù)傳輸采用C/C++語言實現(xiàn),，之后調(diào)用TMS320VC5402 C編譯器將其編譯成匯編語言，然后再送TMS320VC5402匯編器進(jìn)行匯編,。
本系統(tǒng)的指紋圖像采集工作是由DSP來控制FPS200指紋傳感器進(jìn)行的,，基于DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS2.0下的軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。
本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示,。
結(jié)語
本系統(tǒng)將DSP技術(shù)引入指紋采集領(lǐng)域,，這些器件比傳統(tǒng)的單片機(jī)、分立元件不僅在可靠性,、處理速度,、穩(wěn)定性上大大提高，而且使得設(shè)計的板卡體積大大減小,，功耗大大降低,，為指紋技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域創(chuàng)造了有利條件。