基于ARM的指紋采集儀的設計與實現(xiàn)

1 引言

　在個人身份識別領(lǐng)域，指紋識別作為目前最為成熟的生物識別技術(shù)之一沛愕，成為很多應用場合的首選顺雪。和PC環(huán)境相比，嵌入式系統(tǒng)有著體積小果邢，功耗低的特點晚沙，由于功能相對專一，在穩(wěn)定性辙恨，可靠性和安全性上有一定優(yōu)勢喝赎。所以現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)不僅應用在移動設備上，而且在固定場合的身份識別系統(tǒng)也被越來越多的采用赡模。

　WinCE．Net嵌入式操作系統(tǒng)是微軟公司推出的一種全新開發(fā)的操作系統(tǒng)田炭，具備搶先式多任務功能以及強大的通訊能力，專門應用在信息設備漓柑，移動應用教硫，消費類電子產(chǎn)品以及嵌入式應用等非PC領(lǐng)域，目前已經(jīng)發(fā)展到5．0版本辆布。本文涉及的指紋采集設備工作在以ARM920T為內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)上瞬矩。設計這套系統(tǒng)的目的是進行便攜式指紋識別儀器應用研究，并提供一個指紋識別算法平臺锋玲。

2 指紋采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　系統(tǒng)采用嵌入式32位ARM器件S3C2440作為主控CPU景用，由指紋圖像的采集模塊，核心處理模塊嫩絮，RAM丛肢，EEP一ROM，外部存儲器剿干，LCD顯示模塊蜂怎，接口模塊7個部分組成穆刻。圖l給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

　　2．1 指紋采集模塊

　現(xiàn)有的光學傳感器的體積都較大登彪，成像結(jié)果要經(jīng)過變換才可以使用籍勘。該采集系統(tǒng)采用Veridicom公司的FPS200固體指紋識別傳感器設計而成。FPs200是一種性能優(yōu)越标狼，功耗低挤胃，價格便宜的指紋識別傳感器。由于其特殊的EDS保護纠徘，特別窄小的物理尺寸君博，以及獨特的省電特性，使傳感器尤其適合嵌入式系統(tǒng)使用暴雕。主要原理是慧贩，在指紋圖像感知區(qū)域集成了二維金屬電極陣列，每根電極充當電容一極豫鞭，在傳感器表面抡悼，二極之間有一層鈍化層作為電容的介電層。由于指紋的脊和谷與傳感器接觸時會產(chǎn)生不同的電容值鬓预，測量這些不同的數(shù)值即形成圖像篮烈。

　與同類產(chǎn)品相比，F(xiàn)PS200的性能特點如下：

　 (1)支持多接口模式购岗。FPS200有3種接口模式汰聋，8位的系統(tǒng)總線接口，集成全速的USB接口和集成的串行外設接口藕畔，使芯片的應用設計更加靈活马僻。芯片集成USB控制器庄拇，大大減少了USB電路設計的工作量注服，同時USB接口協(xié)議支持更高的傳輸速率；

　 (2)自動指紋檢測功能措近。FPS200可自動檢測手指是否放在傳感器上溶弟，如果有，則進入工作狀態(tài)瞭郑；否則辜御，進入睡眠狀態(tài)。此設計不需輪詢檢測指紋屈张，提高了芯片的丁作效率擒权；

　 (3)FPS200內(nèi)部包括一個新的二階的A／D轉(zhuǎn)換器，功耗低(75％)讽益；FPS200傳感器單元間距變小逊床，提高了傳感器陣列的機械強度遥喘。

　系統(tǒng)采用USB接口模式，設計中請注意：①FPS200的工作電壓是3.3~3．6 V蚪库，而USB的供電電壓是5 V纯殖，所以要用電壓轉(zhuǎn)換芯片實施電壓轉(zhuǎn)換；②FPS200通過MODEl和MODEO 2個引腳來實現(xiàn)接口模式的選擇人杜。在USB接口模式下动荚，將微處理器接口模式和SPI予以屏蔽。此時MODE[1：0]=l0b皱蝙，采用FPS200內(nèi)部ROM悉通；其他部分引腳CS0,CSl，MOSI矮层，MOSO被屏蔽坠地，引腳懸空；XTAL1與XTAL2之間接12MHz晶體電路殉俗；FPS200內(nèi)部的多頻振蕩器不工作圾纤。圖2給出FPS200傳感器和系統(tǒng)的連接電路。

　　2．2 數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)微處理器模塊采用ARM2440開發(fā)系統(tǒng)倦逐，該系統(tǒng)采用Samsung公司的ARM處理器S3C2440譬正，由6層板設計。該開發(fā)系統(tǒng)在盡可能小的面板上(120mmx90mm)集成64MBSDRAM,64MB NAND Flash檬姥，lMB B00T Flash曾我，RJ一45 網(wǎng)卡，音頻輸入和輸出健民，USB Host抒巢，USB Slave，標準串口秉犹，SD卡插座等設備接口蛉谜，支持LCD／STN液品屏接口，可以接各種單色崇堵，偽彩型诚，真彩液晶屏，并含有觸摸屏接口鸳劳。通過預留的USB口可實時地將數(shù)據(jù)導入U盤或者PC機硬盤中狰贯。

　現(xiàn)在的SD卡成本低，容量大念澜，所以存儲模塊采用SD卡進行圖像存儲吼闽。

　液晶顯示模塊采用Samsung公司的3．5寸TFT(帶觸摸)，通過液晶屏的觸摸功能或USB鼠標禾样，可以方便的對測試系統(tǒng)進行窗口化操作驱香。

3 系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn)

　采用EVC工具開發(fā)上位機軟件帚孔，可直接在Windows CE[5]環(huán)境下運行。上位機軟件是控制系統(tǒng)運行的重要部分摇昌，主要完成人機接口泉档，指紋圖像的采集并處理系統(tǒng)和采集模塊的通訊。系統(tǒng)軟件可分為主程序模塊净耍、通許模塊和指紋采集模塊健需。主程序模塊主要完成界面顯示，人機接口嘉警，模塊調(diào)用等功能蕴来；指紋采集模塊完成指紋圖像的采集；通訊模塊負責接受數(shù)據(jù)和發(fā)送由人機接口控制的寄存器的修改指令拼缝。

　為了能夠采集指紋娱局，首先必須初始化FPS200的相關(guān)寄存器，按照傳感器的技術(shù)要求咧七，初始化寄存器CTRLB衰齐，DTR，DCR和PGC的值继阻，以設置傳感器的工作方式耻涛，調(diào)整傳感器靈敏度，為指紋采集做好準備瘟檩。改變DTR的值可以改變電容的放電時間抹缕，DCR控制放電電流的大小，PGC控制放大器增益墨辛，當DTR和DCR值增大時卓研，圖像變白，對比度降低睹簇。

　通過寫寄存器CTRLA可選擇采集指紋的方式奏赘，有3種指紋采集方式：采集某行(GETROW)；采集子圖像(GETSUB)带膀，采集整幅圖(GETIMG)欣慰。選擇不同的采集方式市黔，需要初始化的行列寄存器則不同诅订。圖3給出系統(tǒng)軟件流程圖。

4 試驗結(jié)果分析

　圖4給出采集部分試驗結(jié)果插棱，對比圖像后發(fā)現(xiàn)乡羹，F(xiàn)PS200的放電參數(shù)DCR，DTR和PGC對指紋的清晰度有一定影響肘何。其中DTR參數(shù)控制電容的放電時間矫震，延長放電時間可減少指紋圖像的背景噪聲裁甘；增加DCR參數(shù)值同樣能起到減少指紋背景噪聲的作用，但升高DCR同時減少DTR時可維持圖像的清晰度控屡；PGC參數(shù)控制指紋圖像和背景的對比度区蛹，需要根據(jù)不同的工作條件進行參數(shù)調(diào)整。圖4(a)的圖像是在DCR=0x0l峻维，DTR=0x40艺挽，PGC=0x0B(g=3)下采集的；圖4(b)的圖像是在DCR=Ox0l桐猬，DTR=0x23麦撵，PGC=Ox00(g=1)下采集的。當手指情況較好時溃肪，圖4(a)的參數(shù)要比圖4(b)的參數(shù)得到的圖像更好免胃。

5 結(jié)語

　本文設計了一個基于ARM的指紋采集系統(tǒng)，使用FPS200固體指紋傳感器作為指紋采集元器件惫撰。減少了許多軟件優(yōu)化圖像的過程羔沙。以Samsung的S3C2440為硬件平臺，WindowsCE系統(tǒng)為軟件平臺．非常容易地對外實施擴展厨钻，為下一步的指紋識別打下了良好的基礎(chǔ)撬碟。系統(tǒng)操作簡單，攜帶方便莉撇，尤其適合不宜使用基于PC構(gòu)架的指紋采集儀器的場合呢蛤，且成本低廉，易于推廣棍郎。

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