基于Nios II與FPS200的半導體指紋采集系統(tǒng)設計

引言

信息化時代，生物識別技術作為信息安全和個人身份識別技術越來越受到人們的重視，指紋作為人體中最明顯的外表特征之一，具有唯一性、穩(wěn)定性、普遍性和易于采集等優(yōu)點，成為人們的一種活的身份證。

指紋圖像的采集技術是指紋識別系統(tǒng)中的關鍵技術之一[2]，在指紋識別系統(tǒng)中具有非常關鍵的作用，altera公司提供的Nios II是一種軟核處理器，用于可編程邏輯器件的開發(fā)環(huán)境，可以加入自定義指令或自定義外設，使用硬件來實現(xiàn)軟件執(zhí)行起來最耗時的那部分程序，因此在很大程度上提高了系統(tǒng)的性能，縮短了執(zhí)行時間，并可以將其嵌入到低成本的cyclone II等芯片中，具有較高的性價比，本設計以DE2開發(fā)板為硬件平臺，配以指紋傳感器芯片和VGA接口控制電路，實現(xiàn)一種嵌入式自動指紋采集方案。

1 指紋采集技術發(fā)展與現(xiàn)狀

目前市場上有多種不同的指紋采集系統(tǒng)，指紋采集技術主要有光學指紋采集、半導體指紋采集和超聲波指紋采集[2]。

1)光學指紋采集技術。其原理是利用光的全反射(FTIR)，成像區(qū)域大，功耗高，成本高。

2)超聲波指紋采集技術，它被認為是指紋采集技術中最好的一種

，獲取的圖像是實際指紋紋路凹凸的真實反映，圖像質(zhì)量非常好，但成本很高，而且還處于實驗室階段。

3)半導體指紋采集技術，根據(jù)采用傳感器的不同，可分為3種：硅電容指紋傳感器通過電子度量來捕捉指紋圖像，半導體壓感式傳感器，指紋的外表地形(凹凸)壓在具有彈性的壓感介質(zhì)材料，轉(zhuǎn)化為相應的電子信號，產(chǎn)生具有灰度級的指紋圖像，半導體溫度感應傳感器，通過感應壓在設備上較近脊線和較遠谷線的溫度的不同獲得指紋圖像。優(yōu)點是成像區(qū)域小、功耗低、成本低、集成度高，適合于目前的指紋采集及其識別。目前是最為流行的指紋采集技術。

2 硬件設計

本設計采用體積小巧的Veridicom公司的FPS200[3]指紋傳感器來獲取指紋圖像。FPS200是電容式固態(tài)指紋傳感器，采用CMOS技術，具有性能高、功耗低、價格低、尺寸小、耐靜電能力強、集成度高等優(yōu)點，該傳感器提供3種接口方式：8位微機總線接口、USB全速接口和SPI接口，其傳感區(qū)域為256×300陣列，分辨率為500dpi，內(nèi)置8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作電壓為3.3-5V，本設計選取MCU接口方式，Nios II處理器與指紋傳感器FPS200取MCU接口模式如圖1所示，圖2為Nios II系統(tǒng)的硬件架構(gòu)框圖。

Nios II處理器可提供高性能內(nèi)核、低成本內(nèi)核和標準內(nèi)核3種內(nèi)核，且具有可編程、可配置等特點[4]，所有內(nèi)核可以方便地增加指令和自定義外設，大大增強了SOPC系統(tǒng)的整體能力，在Nios II嵌入式處理器自定義指令和自定義外設的操作控制下，硬件可以優(yōu)化那些軟件執(zhí)行起來最耗時的那部分程序，使其能夠在FPGA中運行，從而大大地提高了系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)吞吐量，本設計中FPS200指紋采集模塊和VGA顯示部分使用了自定義外設的形式通過AVALON總線與Nios II CPU連接，簡化了系統(tǒng)設計，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.1 自定義指紋采集模塊外設

指紋采集模塊核心部分為FPS200傳感器芯片，該芯片是一種觸摸式CMOS傳感器件，本指紋采集系統(tǒng)采用傳感器的微處理器總線(MCU)模式，傳感器的8位數(shù)據(jù)線直接與DE2開發(fā)板的擴展口相接，采用Nios II自定義外設的接口形式來對FPS200指紋圖像傳感器進行初始化控制和圖像讀取。

2.2 自定義VGA顯示輸出模塊外設

圖像的顯示有許多種設備，常見得有VGA、SVGA、LCD等，本設備采用VGA顯示指紋圖像采集的過程，可以很直觀地顯示指紋的清晰圖像。使用640×480模式，顯示器刷新頻率為60赫茲，普通的顯示器都滿足工業(yè)標準，因此在設計VGA控制器和自定義外設時參考了顯示器的技術規(guī)格，VGA顯示輸出模塊包括顯示器及其相應的接口控制電路，采用Nios II處理器自定義外設的形式來對VGA接口進行操作，通過直接對顯存的讀/寫來控制圖像的顯示，最大可以顯示640×480(即顯存為300KB)像素、刷新頻率為60赫茲的256級的灰度圖像，能夠滿足指紋圖像的顯示以及處理結(jié)果的輸出需求。

3 軟件設計

FPS200內(nèi)含13個寄存器，其中，DTR和DCR寄存器用于指定放電電流時間，RAH、RAL、REH、REL寄存器用于指定要采集的行;CAL、CEL寄存器用于指定要采集的列;CTRLA、CTRLB、CTRLC三個為控制寄存器，主要用于控制傳感器的初始化、時鐘的選擇及P0、P1的輸出;PGC寄存器用于指定采集指紋圖像的增益。

傳感器初始化是指對DTR、DCR、PGC三個寄存器進行配置，以便在獲得整幅圖像之前啟動傳感器并對圖像參數(shù)進行調(diào)整，根據(jù)外界環(huán)境和指紋表面的特性設置好相應參數(shù)。

本系統(tǒng)采用集成MCU接口，指紋采集的程序流程如圖3所示。首先初始化FPS200的各個寄存器，主要是放電電流寄存器(DCR)、放電時間寄存器(DTR)和增益控制寄存器(PGC)的設置;然后查詢等待，指紋被FPS200采集進入數(shù)據(jù)寄存器后，再讀入內(nèi)存，根據(jù)指紋采集流程圖在Nios II IDE下編寫相應的C語言代碼，具體如下：

用HDL語言編寫指紋采集芯片F(xiàn)PS200和VGA的外設與開發(fā)板連接，創(chuàng)建Nios II CPU時包括以下內(nèi)容：選擇標準的Nios II CPU內(nèi)核[5]，根據(jù)需要添加相應的components。在Interface to user logic中添加自定義指紋采集和VGA圖像顯示外設，在SOPC Builder中添加FPS200和VGA兩個自定義外設，生成的Nios II CPU如圖4所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

啟動Nios II IDE環(huán)境下，創(chuàng)建系統(tǒng)軟件控制部分后，運行程序即可采集指紋圖像，本系統(tǒng)環(huán)境下采集的指紋圖像5所示。

圖6為作參考比較的光學采集指紋圖像，指紋圖像容易受指紋表面的雜質(zhì)影響，手指干燥、潮濕和帶有灰塵都會使成像模糊。圖5為采集原始指紋后用軟件讀取得指紋圖像，在手指干燥、潮濕和帶有灰塵的情況下都可采集到很好效果的指紋圖像，兩種不同技術所采集的圖像相比而言，光學采集的指紋比較模糊，從圖5顯示的結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)可以簡便快速地獲取比較清晰的原始指紋灰度圖，圖像質(zhì)量好，失真較小，保留了指紋紋線的邊緣細節(jié)和固有形態(tài)，指紋的谷線和脊線明顯，線條連接緊密。在指紋處理得處理過程中有利于提取指紋的特征參數(shù)，可以很好地應用于指紋識別系統(tǒng)及指紋分類系統(tǒng)的各種后端任務[3]，如指紋自動識別系統(tǒng)的建庫和各種查詢工作。

5 小結(jié)

本文設計了一種基于Nios II處理器，采用高性能指紋傳感芯片F(xiàn)PS200的MCU接口方式的指紋采集系統(tǒng);詳細地闡述了指紋采集系統(tǒng)的自定義外設及指紋采集程序編寫。本系統(tǒng)采集的原始指紋圖像質(zhì)量高，效果好，能夠滿足嵌入式指紋識別系統(tǒng)的要求。