基于arm嵌入式系统的指纹设计硕士学位论文(编辑修改稿)

基于arm嵌入式系统的指纹设计硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

3。 57 5． 2 系统的展望 58 致谢 59 参考文献 59 5 第一章 绪论 引言 “ 生物统计 ” 这个概念在几年前还很少有人知道，就是到了现在，即便它有这么重要的现实意义，大多数人还是不甚了解，很多受到询问的人对 “ 生物统计 ” 这个词毫无概念。 迄今为止，使用过生物统计验证方法的人大都予之以积极的评价，大多数人愿意放弃他们的密码和 PIN，而将生物统计法看成更好的选择。 “ 生物统计学 ” 这个概念由 “ 生物学 ” 和 “ 测量法 ” 两部分组成，其中生物学是关于生物和生命规律性的科学，研究某一种生物的特性或整个自然界的生命特性。 生物统计学是依据可以明确确定归属的人的身体或行为特征对个体身份进行识别或证明的学说。 首次使用一个生物统计系统时，需要存入使用者的参考图案或参考数据组（所谓的 “ 模板 ” ），在以后每次进行识别的时候，就以这个模板和使用者的特征进行比较，然后参照一个允许误差值确定是否属于同一个人，对于每一个特征，系统都会算出相差或相似的程度。 确定模型的技巧在于，要找出一个最为理想的模型，它能将一个人的特征数据与其他人的数据精确地加以区分。 生物统计识别有多种不同的途径：指纹、手指、面部、手掌、虹膜、视网膜、语音、签名以及静脉识别，它们的技术特性和成功标准大大不同。 每个人 (包括指纹在内 )皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同， 6 也就是说，是唯一的，并且终生不变。 依靠这种唯一性和稳定性，我们就可以 把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。 这就是指纹识别技术。 在经历了近 10 年缓慢的自然增长后，指纹识别技术即将迎来一个跳跃性发展的黄金时期。 专家们保守估计，未来 5 年，我国将有近百亿元的市场等待着企业去开拓。 指纹识别技术的巨大市场前景，将对国际、国内安防产业产生巨大的影响。 本课题的意义和主要工作 由于半导体技术的进步， ARM 越来越多的应用在各种电子消费品中，自动指纹采集技术正在向嵌入式的方向发展。 本课题为了跟随指纹识别技术的进步，提出了基于 ARM 为处理器的硅电容式指纹采集系统设计的课题。 将指纹技术的最前端环节指纹传感器、嵌入式中应用的非常广泛的 ARM 处理器融为一体，设计出一套指纹图像采集系统，具有实际的应用价值。 因为本系统所需求的是采集指纹图像并在 PC 机上存储起来，或者可以存贮在系统本身的存储器中，所以在设计过程中，并没有采用偏重于算法的 DSP 处理器，而是采用偏重于控制的 ARM7 作为系统的处理器。 本文所做的工作偏重与设计一个 ARM 的指纹采集方案，其中ARM 采用了资源比较丰富，能够外扩存储器的 Samsung ARM7 处理器S3C44B0X，设计了相关的外围电路、指纹采集电路和指纹图像数据传输电路。 7 第二章 基于 ARM 的指纹采集系统总体设计 在课题的设计实现中，高层的数据处理单元采用的 CPU 是由Samsung 公司生产的 S3C44B0X 处理器，它是一种基于 ARM7 的嵌入式处理器，几乎具有嵌入式处理器的所有特性，本章就嵌入式处理器的共同特性和 S3C44B0X 的重要特点作下简单介绍。 嵌入式处理器概述 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过 1000 种，流行的体系结构有 30 多个系列。 其中 8051 体系占多半，生产这种单片机的半导体厂家有 20 多个，共 350 多种衍生产品，仅 Philips 就有近 100 种。 现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。 嵌入式处理器的寻址空间一般从 64kB 到 16MB ，处理速度为 ~20xxMIPS ，常用封装 8~144 个引脚。 系统设计思想 指纹采集技术是指纹识别技术的关键技术之一，指纹 采集系统原理框图如图 所示。 8 指纹 至 PC 图 指纹采集系统原理框图 处理器控制指纹传感器采集数据，半导体指纹传感器采集指纹数据完毕之后，交由处理器对数据进行预处理、存储。 外设 (PC)通过 USB接口从存储设备中读取并显示数据。 在图中，指纹传感器是 FUJITSU公司的固态指纹芯片 MBF200,微处理器为 Samsung公司的 32位 RISC处理器 S3C44B0X。 USB 采用南京沁恒电子公司的 USB 芯片 CH375。 选择嵌入式处理器时主要考虑的因素有 : (1)处理器性能以及外围功能 嵌入式系统的设计并不要求选择速度最快的处理器，而是在于选取能够达到功能需求的最适合的处理器。 作为一个嵌入式开发平台，其外围功能应该尽量丰富。 (2)开发工具及软件支持 仅有一个好的处理器，没有较好的软件开发工具支持会大大增加开发的难度，增大设计失败的可能性。 (3)功耗以及成本 现在嵌入式系统增长最快的市场是手持设备、手机、智能加电等消费类电子产品。 在这些产 品中，处理器的典型特点是要求高性能、低功耗。 降低成本则是任何一个项目开发都必须遵循的原则。 ARM 嵌入式处理器系列以其小体积、低功耗、低成本和高性能等特点占据了业界领先地位，已经成为一种事实的标准。 在各项指标上ARM 嵌入式处理器都很好的满足了嵌入式开发平台的设计需求。 它指纹传感器 微处理器 USB 9 具有非常高的性能、极为丰富的外围设备、众多种类的芯片、大量的开发工具和丰富的第三方资源 系统总体方案 系统总体设计分为硬件电路设计和软件编程设计两大部分。 系统硬件框图如图 所示。 地址总线 数据总线 片选信号 片选信号 中断信号 读写信号 读写信号 控制信号 数据信号 片选信号 地址总线 中断信号 数据总线 图 系统硬件框图 从图中可以看到，本系统主要有五个模块组成 :指纹数据采集模块、微处理器模块、数据存储模块、逻辑控制 CPLD 模块和 USB通讯模块。 系统以 ARM 处理器为核心，它驱动指纹传感器采集指纹，并将指纹数据放入存储器中，此数据可以被 PC 通过 USB接口获取，也可以永久的保存在数据存储器中。 (1)指纹数据采集模块 系统利用软件查询方式来判断是否进行指纹的采集，当进行指纹采集时，指纹传感芯片按照设定的参数采集指纹并将模拟图SDRAM ARM 全局逻辑控制器 指纹传感器 发光显示部分 通讯接口 FLASH 10 像转换成数字图像，然后在 ARM 的控制下将数据存储在外部数据空间中，等待进行下一步的处理。 (2)微处理器模块 该部分以 ARM 和数据存储器为核心，对采集到的指纹图像进行相应的预处理，并控制发光二极管来显示指纹预处理结束。 (3)数据存储模块 此部分由 FLASH, SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory:同步动态随机存取存储器 )构成。 Flash 中存放的是系统的应用程序和一枚指纹预处理后的数据，系统上电后通过“Boot Loader”功能将程序加载到 FLASH 中以加快程序运行的速度， SDRAM 用于存放指纹图像并提供程序运行时所需要的临时数据空间。 (4)逻辑控制 CPLD 模块 此部分由 CPLD 来完成，实现以下几个方面的功能 :产生系统中各个芯片的片选信号。 产生系统中各个芯片的读写信号。 产生系统中各个芯片的中断信号。 (5) USB 通讯模块 考虑到数据上传的速 度问题，指纹数据的上传采用了 USB 串口方式，大大提高了上传的速度。 根据以上原则，我们确定整个系统的芯片型号。 系统的硬件设计采用 ARM+CPLD 的结构。 ARM 采用 Samsung 公司的 S3C44B0X 处理器，在系统中主要起到一个控制作用。 指纹传感器是 FUJITSU 公司 11 的半导体固态指纹芯片 MBF200,作用主要是采集指纹数据。 CPLD 采用 Altera 公司的 EPM240 芯片，其功能为控制系统各个模块芯片的片选，中断，读写等信号。 USB 采用南京沁恒电子公司的 USB 芯片CH375, USB 不仅让数据在 PC 于系统之间进行传输，而且相对串口通讯来说，在数据通讯速度上得到了大大的提高。 根据硬件的设计和系统的要求，指纹采集系统的软件部分可以概括成两部分，一是系统控制实现部分，二是指纹数据预处理部分。 系统软件框图如图 所示 图 系统软件框图 第三章 系统硬件设计与实现 整个指纹采集系统的设计分为两部分 :系统硬件设计和系统软件设指纹采集系统 预处理部分 控制部分 指纹采集 C P L D逻辑控制 数据上传 图像二值化 图像增强 图像分割 图像细化 12 计。 本章将详细的介绍系统硬件设计。 从系统的每一个具体的功能模块介绍其芯片的选型和接口电路。 本系统的硬件电路的绘制使用Protel99SE 软件。 系统结构框图如图 所示。 图 系统结构框图 从图中可以看出本系统主要有五个模块组成 :指纹数据采集模块、微处理器模块、数据存储模块、逻辑控制 CPLD 模块和 USB 通讯模块。 本章将逐步讲述以上五大模块的硬件设计以及 ARM 的外围电路设计。 指纹传感器与处理器的接口设计 本系统所采集的是活体指纹图像。 下面就主要从传感器的选择、主要特性、采集原理和接口电路的设计几个方面进行详细的介绍。 EPM240 CPLD S3C44B0X ARM K4S641632 SDRAM SST39VF160 FLASH CH375 USB PC MBF200指纹传感器 13 指纹采集设备的选择 考虑到产品价格的因素和所需精度的要求，系统选择了 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。 该芯片是一种触摸式CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconducto: 互补金属氧化物半导体 )传感器件，具有自动指纹检测功能，其传感区域为 * , 256 * 300 传感阵列， 500dpi 分辨率，内置有 8 位模数转换器，可直接输出数字化图像信号，用 8 位表征一个像素点，与其它的指纹传感器相比， MBF200 具有以下特点。 (1)坚固耐用的芯片表层。 MBF200 表面运用专利技术制成，表面涂层异常坚固耐用，能承受超过 8KV 的静电放电，即便在恶劣的环境中也能正常的使用。 (2)采用低功耗设计。 MBF200 具有手指自动检测功能，允许主机在没有指纹时处在低功耗待命模式，当有手指时才唤醒主机进行处理，从而节省整个系统的功耗。 (3) 适应更复杂的手指识别。 MBF200 的图像搜索功能(ImageSeekTm)通过改变电容阵列的参数值可在 1 秒种以内扫描多幅指纹图像并自动选择最好的一幅。 因此 MBF200 可以获得各种类型手指的高质量图像，大大降低了误识率 (FAR)和拒识率 (FRR)。 (4)提供三种接口，更易于集成。 SPI:MBF200 内置的 SPI(Software Process Improvement: 软件过程改进 )接口减小了 MBF200 对硬件的依赖，只需 6 条线就可以与带 14 SPI 接口的微处理器连接。 在 SPI 模式下， MBF200 的图像传输速度为 10 帧 /秒。 USB: USB 核电路，外部不再需要其它 USB控制器，因此可作为标准的 USB设备来使用。 在 USB模式下， MBF200的图像传输速度为 13 帧 /秒。 MCU:通过自动增加行列地址寄存器的 值以及模数转换的路径优化功能， MBF200 内置的标准 8 位微处理器总线的性能大大加强，图像传输速度达到 30 帧 /秒，可以满足连续指纹图像的采集和比对。 MBF200的结构与性能 MBF200 是富士通公司的电容式固体指纹采集传感器，能采集到500dpi 的指纹图像。 它的传感器是 256300 的阵列，可以在 ~5V的宽电压范围内操作。 MBF200 的性能主要有以下几点： ① 集成了一个 8 位 A/D 变换器。 A/D 变换器的输入可以是 MBF200的指纹传感器阵列的输出，也可以是由 MBF200 的 AIN 引脚接入的模拟信号。 ② 带有 3 种总线接口，即 8 位微处理器 (MCU)总线接口、集成的 USB全速接口及串行周边设备接口 (SPI)，使芯片的应用设计更加灵活。 ③ 特有自动指纹检测功能。 MBF200 内部结构图如图 所示 15 P0 P1 D[7:0] A0 RD WR WAIT CS0 CS1 MOSI MISO DP DM EXTINT INTR TEST MODE0 MODE1 图 MBF200 内部结构图 从结构图中，可以看出其中 256 300 点传感阵列用于产生感应电压。 功能寄存器用于对芯片进行操作控制。 控制电路用于传感器与外部接口电路的控制，主要负责数据的读出与写入。 地址索引寄存器与数据寄存器分别用于对功能寄存器的地址选择及数据的读写。 采样保持及 A/D 转换电路用于对传感阵列所产生的电压进行采样。 另外， 功能寄存器 256 300 传感阵列 采样电路 A/D 转换 数据寄存器 索引寄存器 控制电路 晶振电路 SPI USB 16 多频振荡电路用于为芯片提供时钟信号。 MBF200 是可编程的传感器芯片，它所具有的强大功能是。