（信号与信息处理专业论文）基于dsp的嵌入式虹膜识别系统硬件设计与驱动开发.pdf

摘要 摘要 生物识别技术在当今世界中已经得到了广泛的应用。虹膜身份识别是一种新 兴的生物身份识别技术。由于虹膜具有唯一性、稳定性、非侵犯性等优点，近年 来，虹膜识别技术研究和应用方面都得到了长足的发展，并表现出广阔的应用前 景和较大的市场需求。因此，基于虹膜识别技术的身份识别系统是目前国内外发 展很快的一个研究热点。 本文提出了以3 2 位浮点型d s p 为核心的嵌入式虹膜身份识别系统设计方案， 设计开发一种由d s p 、c p l d 、u s b 和c m o s 图像传感器组成的嵌入式实时图象 处理硬件平台。该平台包括硬件系统设计与应用程序开发两个方面。硬件方面由 六个模块组成，分别是电源监控管理及复位、虹膜图像采集、虹膜图像处理、系 统存储器、人机交互以及u s b 2 0 主机通信数据传输接口等。应用程序方面则针 对各个功能器件分别进行了c p l d 、d s p 和u s b 的程序设计。本文对应用器件的 功能与特点、p c b 设计的要点、所涉及到的信号完整性分析和i b i s 模型、1 2 c 总 线协议、d s p b i o s 、u s b 2 0 通信标准、w d m 驱动程序模型、d r i v e r w o r k s 开发 及i n f 制作等多方面的知识，进行了简要的介绍。 本文的主要工作如下： 在硬件设计方面：系统中图像传感芯片、电源、c p l d 、d s p 、系统存储器和 u s b 2 0 接口等部分的设计实现。系统电路板p c b 的制作和信号完整性分析。 在软件开发方面：c m o s 图像传感器芯片的配置代码开发、c p l d 在高速图 像采集中的v h d l 应用程序开发、d s p 应用程序中一部分代码的开发和全部u s b 系统软件代码( 固件程序、w d m 功能设备驱动程序和界面应用程序) 的开发。 目前，嵌入式虹膜识别系统硬件平台已经构建成功，系统软件代码程序也已 经开发完成。本系统能够实现高速图像采集、嵌入式操作与虹膜识别算法、u s b 2 ，0 数据通信等功能，具有速度快、稳定性高、体积小、功耗低等特点，为虹膜识别 算法提供一个较好的验证平台。 采集系统能够实现3 0 帧每秒的数字视频流图像数据的输出，并由c p l d 负 责高速( 1 2 m b s ) 完成一幅6 4 0 4 8 0 数据量的图像采集。 d s p 负责系统的嵌入式操作，包括系统的控制和虹膜识别算法的实现。虹膜 摘要 识别算法移植在d s p 应用程序之中，能够高效运行并实现虹膜识别处理。本系统 从p c 机上下载c a s i a 虹膜数据库，对库中的虹膜图片进行虹膜识别处理，对单 个虹膜处理的时间小于0 2 秒，并且对测试结果进行统计得出算法在本系统平台 上的e e r ( 等错误概率) 为3 9 。 u s b 2 0 接口进行数据传输，其固件程序、w d m 设备驱动程序和界面应用程 序相互配合，可以实现2 0 m b s 的高速通信。 关键词：嵌入式虹膜识别系统，t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b ，d s p b i o s ，u s b 2 0 ，w d m 设 备驱动 i i a b s t r a c t a b s t r a c t i r i sr e c o g n i t i o ni san e wb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi sw i d e l yu s e d t o d a y b e c a u s eo fi t su n i q u e n e s s ，r e l i a b i l i t y , a n da g a i n s ta r t i f i c em e r i t s ，i r i sr e c o g n i t i o n t e c h n o l o g yh a sb e e nm a k i n gf a s td e v e l o p m e n t f u r t h e r m o r e ，i tw i l lb ep r o v e d t o w i d e l ya p p l y t h e r e f o r e ，h o wt od e v e l o pa ni r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m i st h eh o tf i e l d t h i sp a p e rp r o p o s e san e wp r o j e c to ni r i sr e c o g n i t i o ns y s t e mw i t ho n ee m b e d d e d k e r n e l ，w h i c hi st h e3 2 一b i tf l o a t i n g p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s i tw i l lb ed e s i g n e d a so n ee m b e d d e dp l a t f o r mf o rr e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n g ，w h i c hi sc o m p o s e do fd s p , c p l d ，u s b ，a n dc m o si m a g es e n s o r t h e r ea r et w op a r t ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，o f t h i sp l a t f o r m o nt h eh a r d w a r ep a r t ，t h e r ea r es i xm o d u l a r , t h ep o w e rm o d u l a r , a n dt h e i r i si m a g ec a p t u r es y s t e m ，t h ei r i si m a g ep r o c e s s i n gm o d u l a r , t h es y s t e mm e m o r y s p a c e ，t h el c d a n dk e y b o a r dd e s i g n ，a n dt h eu s b 2 0i n t e r f a c e o nt h es o f t w a r ep a r t ， i ti si m p o r t a n tt od e v e l o pa p p l i c a t i o np r o g r a mf o rc p l d ，d s p , a n du s b o t h e r w i s e ，i n t h i sp a p e r , i tw i l li n t r o d u c et h ef e a t u r eo fi cc h i p s ，t h ek e yp o i n to np c bd e s i g n ，t h e i m p o r t a n c eo fm a k i n gs i g n a li n t e g r i t y , a n dt h eu s a g eo ft h ei b i s m o d u l a r i tw i l l i n t r o d u c et h ek n o w l e d g eo fi 2 cb u sp r o t o c o l ，d s p b i o s ，u s b 2 0p o r t o c o l ，w i n d o w s d r i v e rm o d e l ，d i r v e r w o r k s ，a n di n e t h e r e f o r e ，t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rd e s c r i b e da sf o l l o w e d ： o nt h eh a r d w a r ep a r t ，i tt a k e sc h a r g eo ft h es c h e m a t i cd e s i g no fi m a g es e n s o rc h i p ， p o w e r , c p l d ，d s p , m e m o l y , a n du s b 2 0i n t e r f a c e a l s oi t t a k e sc h a r g eo fp c b d e s i g na n ds i g n a li n t e g r a t e ，a n dt h eh a r d w a r ed e b u g 0 nt h es o f t w a r ep a r t i tt a k e sc h a r g eo ft h ec m o si m a g es e n s o rc o n f i g u r ec o d e ， t h ec o d eo fc p l df o ri m a g ec a p t u r i n g ，t h ee m b e d d e dc o d ef o rd s po p e r a t i o n ，a n dt h e t r i l o g yo nu s bd e v e l o p m e n t ，w h i c ha r et h ef i r m w a r e ，t h ed i r v e r ，a n dt h ea p p l i c a t i o n p r o g r a m t h ee m b e d d e di r i sr e c o g n i t i o ns y s t e mh a l d w a r ep l a t f o r ma n dt h es o f t w a r ec o d e h a v eb e e nd e v e l o p e ds u c c e s s e d w i t hh i g hs p e e d ，h i g hs t a b i l i t y , s m a l ls i z e ，a n dl o w e r p o w e rr e q u i r m e n t ，t h i ss y s t e mp r o v i d e s o n ew e l lp l a t f o r mf o ri r i sr e c o g n i t i o n i i i a b s t r a c t a l g o r i t h m s t h ec a p t u r es y s t e mc a nm a k e3 0f p sd i g i t a lv i d e od a t ao u t p u t ，a n dt h ec p l dc a n r e c e i v eo n ef r a m eo f6 4 0 4 4 8 0i m a g ed a t aw i t h1 2 m b s t h ee m b e d d e ds y s t e mo p e r a t i o ni su n d e rt h ec h a r g eo fd s f , w h i c hi n c l u d i n gt h e c o n t r o lc o d ea n dt h ea l g o r i t h m o p e r a t e do nt h i s p l a t f o r m ，t h ei r i sr e c o g n i t i o n a l g o r i t h mc a nm a k ei r i sr e c o g n i t i o nw i t h i n0 2s e c o n d s t e s t i n gc a s i a i r i sl i b r a r yo n t h i s p l a t f o r m ，t h es t a t i cr e s u l ts h o w st h a tt h ea l g o r i t h m se e r ( e q u a le r r o rr a t e ) i s 3 9 i ta l s oc a nm a k eh i 曲s p e e d ，u pt o2 0 m b s ，c o m m u n i c a t i o nw i t hp cb yu s i n gt h e u s b 2 0j n t e r f a c e h o w e v e r , i no r d e rt oi m p r o v et h ep a r to ft h ei r i sc a p t u r es y s t e md e s i g n ，w em u s t i m p r o v eo nt h el e n sa n dt h ep r e c i s i o nt 0 0 1 k e y w o r d s ：e m b e d d e d - i r i s r e c o g n i t i o n s y s t e m ，t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b ，d s p b i o s u s b 2 0 ，w i n d o w sd r i v e rm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丝看尘吼纱年循日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：2 熊导师签名： 日期爱阴 第一章引言 1 1 引言 第一章引言 随着电脑、a t m 机、移动电话、门禁控制系统等电子设备不断地进入我们的 日常生活中，安全方便的身份认证技术变得越来越重要。生物识别技术是近年来 兴起的身份识别技术，由于它利用了人体的某些具有终生不变性与唯一性的特征， 使得这种技术不但具有极高的可靠性，而且操作方便快捷。这些生理特性包括指 纹，掌纹，声音，签名等。因为生理特性既不会象密码一样被遗忘，也不会象钥 匙一样被遗失，所以生物识别技术被认为是一种更为可靠的个人身份验证方法。 一般而言，能够用来鉴别身份的生物特征必须具有以下特点：广泛性，每个 人都具有这种特征；唯一性，每个人拥有的特征各不相同；稳定性，所选择的特 征不随时间变化而发生变化；可采集性，所选择的特征便于测量。虹膜识别则有 其独到的优点：虹膜图像通过非接触方式获取，更容易被人们接受；虹膜纹理结 构复杂，特征数多，不易被伪造；虹膜不易发生病变或受伤，稳定性好因此， 虹膜识别被认为是可靠性最高的生物识别技术，近年来成为了生物识别技术的热 点之，一。 1 2 虹膜识别技术 作为一种新兴的生物识别技术，虹膜识别由于具有稳定性好、准确率高等特 点而逐步受到人们的重视。近些年虹膜识别技术的研究和应用方面都得到了长足 的进步，并表现出广阔的前景和市场。 1 2 1 虹膜纹理特征 如图1 1 所示，人眼由巩膜、虹膜和 瞳孔三部分组成。巩膜是眼球外围的白色 部分，约占人眼的3 0 。虹膜位于巩膜和 瞳孔之间，包含了丰富的纹理信息，约占 图1 - 1 眼睛外观图 电子科技大学硕士学位论文 人眼的6 5 。瞳孔是人眼最中心的部分，随入射光强度的变化会产生收缩或扩张， 牵动虹膜变化。 虹膜是眼球壁的第二层色素膜的最前部，呈圆盘状，其表面有呈现高低不 平的放射状排列、互相交错的纹理。虹膜是人体唯一能从外部看到的内部器官。 在虹膜可见的特征中有连接组织的梳状韧带、基质的胶原组织、睫状体、收缩的 褶皱、腺窝、围绕瞳孔的环状色素，有时还有斑点，因此可以看到明显的纹理。 虹膜纹理结构复杂，特征数多，因此虹膜识别被认为是可靠性最高的生物测定识 别技术。 1 2 2 虹膜识别技术的特点 与其他生物识别技术相比，虹膜识别有着得天独厚的优点： ( 1 ) 高独特性。虹膜具有丰富的纹理信息，不同人的虹膜具有随机的细节特 征和纹理图像。经解剖学和生理学证明，世界上没有任何两个虹膜是一样的，任 意两个虹膜纹理相同的概率小于1 0 。3 5 ，即使是双胞胎的虹膜也是不一样的。这就 为虹膜身份鉴别提供了最基本的物质基础。 ( 2 ) 高稳定性。虹膜作为人体器官并不是直接暴露在外，它受到眼皮、角膜 的保护，外界物质不易侵入眼内对其造成伤害。而且虹膜总是受到体内液体的润 滑，很少发生病变。这样避免了指纹、掌纹识别等易因外伤引起个人特征变化的 问题。另一方面，虹膜在一岁左右就已发育完成，随着人的生长发育虹膜细节基 本不会改变，也就是说，虹膜在人的一生中是相当稳定的。 ( 3 ) 天然防伪性。虹膜的生理特性为虹膜识别系统提供了鉴别伪造虹膜的依 据。首先，虹膜包围的瞳孔具有不稳定性，它会因肌纤维震颤而不停变化；其次， 瞳孔会因光线的变化而引起非常明显的收缩或舒张。通过对瞳孔大小的检测( 虹 膜内边缘定位) ，我们可以很容易地分辨虹膜的真伪。而目前应用较广的指纹识别 系统则基本无法分辨伪造指纹。据报道，伪造的橡胶指纹套有6 0 的可能性可以 通过市面上的指纹识别系统。 ( 4 ) 无侵犯性：虹膜识别过程中只需用户位于采集设备前而无需进行物理的 接触，避免了疾病传播，容易被用户接受。而指纹识别、掌形识别等需要待检测 者与传感器接触，会带来不舒适感。 当然，虹膜识别作为一种发展中的识别技术还有其自身的缺点。一个最重要 的缺点是获取虹膜图像的硬件设备造价太高。一个能拍摄虹膜的摄像头要能够自 2 第一章引言 动调焦，同时要警鸯红辨照明光源，在国外这群匏摄像头缀赞约为4 0 0 0 美元。这 也鞭制了虹膜识剐技术的发展。 l + 2 3 虹膜识别技术的发展历史和研究现状 使用虹膜进行身份识别的想法，最初鼹由眼科专家f r a n kb u r c h 在1 9 3 6 年提 出来的。1 9 8 7 年，美国眼科专家l e o n a r d f l o m 和a r a ns a f i r 提出了自动虹膜识别 系统敬概念，但怒他们没有开发出一个实繇的应用系统。盥到1 9 9 1 年，美国洛颠 阿拉莫斯国家实验室的j o h n s o n 才实瑷了第一个自动虹膜识别系统。1 9 9 3 年，英 国划桥大学的j o h nd a u g m a n 博士提出了一个基于g a b o r 变换的虹膜识别技术和 分布式虹膜数据库的虹膜识别系统，引起了人们的广泛的重视。后来很多的虹膜 识裂箕法都是敦戴为基礁震开黪。嚣磊，美瓣普拣囊顿d a v i ds a m o 霾羲秀究中心戆 r i o h a r dr w i l d e s 教授研究了种采用多尺度匹配识别方法的虹膜识别系统。1 9 9 7 年，澳大利亚q u e e n s l a n d 大学的b o l e s 提出了一种基于小波变换的虹麒识别方法， 有效豹克鼹了漂移、旋转、比鲷缩放、琢竣亮度变化积噤声绘系统带来蕊影响。 誉前，国外许多高技术公霹正在试图髑虹膜识别取代人们手中的信用卡或密 码，并且已经开始在机场、银行和各种电子设备上进行了实际应用。如o k i 电气 工业公司和日本赛马协会联合研制的赛马虹膜身份识别系统；s i e m e n sn i x d o r f 公 司又着手将s e n s a r 公司静蛭袋努傍识亵按零集藏在继翻秘蠡动取款辍上。 目前国内在虹膜识别理论上的研究比较深入。王蕴红，朱勇，谭钦牛给出了 采用g a b o r 滤波和d a u b e c h i e s 一4 小波变换摄取特征，匹配采用方差倒数加权欧氏 距懑方法。落叠洲，时虎年绘如了用h o u g h 变换技出虹骥中心及其拳绞，裁爱其 半径求出眈例阌予，用相关系数测度匹配结莱的方法。缀然在算法上有了一些酶 成聚，但在虹膜识别系统的礤件上我国与教达国家还有很大的差别。近年中国科 学赡自动化所、上海交通大学、浙江大学、电子科技大学等都在进行棚关的研究。 茭中，中辩院蠡动诧矮已经突戏了避簇谖裂兹实验室除致稳磅究，荠曼牵请了薤 膜采集装置的专利，其成果处于国内领先地位。 t 2 4 盔工膜识剐技术的应溺麓景 综合虹膜的各种特征考虑，虹膜识别是种很有发展前景的生物识别技术， 可广泛应用在电予金融、电子贸易、网络安全领域，可应用在金库、海关、地铁、 3 电子科技大学硕士学位论文 机场等通道控制系统。另外，虹膜识别还可应用在个人电脑加密，用于居室安全， 甚至可以代替驾驶证、身份证等证件。 我们可以展望，在不久的将来，在各国政府的重视与推动下，虹膜识别技术 将越来越深入到人们日常生活中，以身份证、护照为基础的虹膜识别技术的应用 将在社会生活各个方面开始大规模应用。人们可能越来越习惯使用虹膜作为自己 的身份证，使用虹膜作为自己的银行密码，使用自己的虹膜作为开门的钥匙。 1 3 课题来源和目标 本课题来源于国家自然科技基金项目( n o 6 0 4 7 2 0 4 6 ) 。 本课题目标是升发出快速实用的虹膜身份识别系统。主要分为两部分：虹膜 识别算法研究和嵌入式硬件系统实现。 1 4 论文内容概括与章节安排 本论文的内容是课题中的嵌入式硬件系统实现部分，包括硬件设计与调试部 分和软件开发与调试部分两个方面。 ( 1 ) 硬件设计与调试部分 硬件设计与调试部分包括系统硬件原理图设计、硬件电路板设计和硬件调试。 主要是基于c m o s 图像传感器的图像传感模块原理图设计、图像传感模块电路板 的设计及其硬件调试；由c p l d 、d s p 、存储器以及u s b 2 0 功能器件所组成的系 统主板的原理图设计、电路板设计制作和硬件调试。 ( 2 ) 软件开发与调试部分 软件开发与调试部分包括各个功能模块代码的开发与调试。主要是c p l d 实 现虹膜采集的程序编写、仿真和调试；部分d s p 应用程序的开发和调试；u s b 2 0 功能芯片的固件程序、w d m 型u s b 设备驱动程序和界面应用程序的开发和调试。 本论文的的章节安排如下： 第一章绪论部分 介绍项目的研究背景，研究现状及发展动态。论文内容及全文概括。 第二章嵌入式虹膜识别系统 简要介绍了虹膜识别技术的基本原理，描述了虹膜图像处理的一般流程。介 绍了嵌入式虹膜识别系统的基本概念。分类介绍了系统所涉及到的功能器件的结 4 第一章引言 构、特点等，包括c m o s 图像传感器、数字信号处理器d s p 芯片、复杂可编程 逻辑c p l d 器件及通用串行总线u s b 2 0 协议及e z u s bf x 2 功能芯片。 第三章嵌入式虹膜识别系统硬件平台 主要介绍整个系统硬件平台的构成，详细介绍了d s p ：芑= 片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 的特点及其资源，u s b 2 0 功能：占片e z u s bf x 2 的硬件设计。本章还介绍了各个 模块的硬件电路设计方案。并且，本章还详细介绍了电路板信号完整性分析、i b i s 模型以及电路板设计的要点。 第四章图像传感器设置与c p l d 程序丌发 主要介绍d s p 芯片利用1 2 c 总线进行图像传感器的设置、c p l d 虹膜图像采 集程序的开发。并且对结果进行分析，指出问题及解决方案。 第五章d s p 应用程序开发 主要介绍如何利用t i 公司的d s p 集成开发环境c c s 开发d s p 应用程序。本 章详细介绍了嵌入式实时操作系统d s p b i o s 的强大功能，还介绍了如何运用 c s l 提供的a p i 函数初始化和控制d s p 片上外设，以及进行程序代码优化的方 法。 第六章e z u s bf x 2 固件程序开发 主要介绍u s b 的固件程序开发。详细介绍了固件程序框架、设备描述符表、 e z u s bf x 2 的g p i f 工作模式及其h p i 操作和e d m a 传输。详细介绍了波形描 述符的机制以及设计开发工作。 第七章u s b 设备w d m 驱动开发 主要介绍w d m 驱动程序的工作原理、驱动模型和层次结构，利用 d r i v e r s t u d i o 进行w d m 型u s b 设备驱动程序的开发。详细介绍了u s b 驱动代码 的设计开发、i n f 文件的制作以及驱动的调试。最后详细介绍了界面应用程序的 设计开发。 第八章总结及展望 总结全文，并提出了未来工作的方向。 附录 给出嵌入式虹膜识别系统p c b 实物照片，列出辅助性表格。明确指出系统硬 件研发的分工以及学位论文相关内容一致性的说明。 5 电子科技大学硕+ 学位论文 第二章嵌入式虹膜识别系统 2 1 虹膜识别基本原理 一个完整的虹膜识别算法由图像采集、质量评估、图像预处理、特征提取和 编码，模式匹配五个部分组成。图像的预处理包括虹膜定位、归一化、图像增强 等步骤。虹膜识别算法的流程如图2 - 1 所示。 图2 - i 虹膜识别算法流程图 6 第二章嵌入式虹膜识别系统 2 1 1 虹膜图像采集 人类虹膜的直径约为1 厘米。为了获得足够信息量，虹膜图像通常要求由特 制的摄像器材组成的采集系统，拍摄距离一般不超过十几厘米。适度的照明对于 虹膜图像采集也是非常重要的，太强的照明会令人眼感到不适，光照太弱则图像 缺乏必要的灰度对比，增大量化误差。另外，在图像采集的过程中照明光源常常 会在虹膜上留下较明显的光斑，形成了噪声污染。 2 1 _ 2 质量评估 实际应用中，并非所有采集到的图像质量都能够满足识别算法的要求，系统 必须能够自动拒绝质量差的图像，并提示用户重新拍照。造成图像质量差的主要 原因有：( 1 ) 由于定焦不准或眼球运动而使成像模糊。( 2 ) 过多的睫毛和眼睑的 干扰使得有效的虹膜区域太小。 因此，我们通过图像清晰度和虹膜完整度两方面来进行质量评估。 2 1 3 虹膜定位和归一化 采集的图像包含了大量的非虹膜区域( 例如部分人脸、眼巩膜、眼睫毛等) 信息，这些信息不能为虹膜识别所利用，需要进行虹膜定位( 即确定虹膜的内外 边界) 以去除这些无用的信息。所做的研究工作是快速精确地从包含大量非虹膜 部分的图像中定位虹膜，并对其边界或位置用数学模型进行描述。 图像采集时不同的两次拍摄人眼到镜头的距离不可能保持完全一致，造成虹 膜图像有一定的尺寸差异。如果当拍摄时人的头部的倾斜，也会造成图像有一定 角度的旋转。进行图像归一化可以避免上述情况带来的误差。归一化后的虹膜图 像具有瞳孔缩放不变性，消除了人眼球转动和瞳孔缩放对图像识别的影响。所做 的研究工作是如何利用几何变换抵消拍摄时的虹膜图像变形的干扰。 2 1 4 特征提取和编码 图像归一化完成后，我们需要利用较小数据量的特征矢量来描述一幅较大数 据量的虹膜图像，即提取有用的虹膜特征信息。这种信息必须具有唯一性、完备 7 电子科技大学礤士学位论文 拣。为减小虹艨特征在系统中占雳鲍存镰空闼，并且馁予系绞蛙膜特缝数据库的 建立和维护，需蓑对虹膜特征信息进行编襁。 2 1 5 模式匹配 获取一幅鳃膜图像，经过预处理、特镬提取与编码的处理，得到该虹膜特征 信息的编码，将该编码与系缆虹膜特征数据库中的编码遂一进行比较，利用编码 之阍的相似程度加以判决，褥到识别结果。 2 2 虹膜识别系统概况 可强于实现蛙貘识裂箕浚粒系统鸯嚣秘，耱是连接p c 掇豹大懋瘦弱系统， 一种是基于徽拣带器的嵌入式虹膜识别系统。连接p c 机的大型应用系统具有灵 活的系统结构，运算能力极强，并且可以多个系统共事个虹膜识别设备，可以 建立大型的数摄痒应用，实现海量虹膜识别。嵌入式系统则是一个鞠对独立的完 熬系统，它不需饕连接葵链设备或诗算辊赣霹以猿立完成蛭貘识翳功能，其功能 较为单一，常用于对灵活性鼷求很高的场合。本系统所实现的虹膜识别系统就是 嵌入式系统。而嵌入式系统锻关键的就是漩入式微处理器的应用与开发。 2 3c m o s 图像传感器 c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 图像传感器是随着超大 瓣模集或电籍( v l s i ) 翻造技术豹菠震舔逡速发震莛采匏国体成像嚣释。c m o s 图像传感器将图像传感部分和控制电路商度集成在同一芯片内，具裔体积小、重 量轻、功耗低、编程方便、易于控制及平均成本低等优点。c m o s 图像传感器一 般凌感光瘁酬、驱动电路、毽号处理龟臻、a d 转换毫黪、接口电路簿部分组成。 0 v 7 1 4 t 愚o m n i v i s i o n 公司的黑白低功耗型c m o s v g a 制式图像传感芯片， 在低光照条件下具有高敏感性，能提供6 4 0 4 8 0 成像和鼹高3 0 帧秒视频流数据。 具有可编程设爨自动曝光控制，自动增益控铡，自动自平衡，自动鞠亮度控制， 螽凌带通滤滚器，自动黑度称尺等功雏。黼辩具有篱鼙豹信号整理静功能，鼋疆 伽玛校正、锐化( 边缘增强) 、背光补偿等。o v 7 1 4 1 工作的核电平鼹+ 2 5 v 、i o 引脚电平为+ 3 0 v ，工作状态下功耗是4 0 m w ，而在待机状态下仅为3 0 u w 。 s 第二章嵌入式虹膜识别系统 o v 7 1 4 1 内部8 位双通道a d 转换使其可根据需要输出多种标准的数字视频 信号。其数据输出接口包括像素时钟p c l k 、8 位数字数据总线y 7 ：0 、垂直场同 步v s y n c ( 一帧图像开始的标志) 、行窗口输出参考h r e f 。 上位机利用o v 7 1 4 1 提供的s c c b 接口，通过设置o v 7 1 4 1 的内部寄存器， 可以设置其工作状态、工作模式、感应窗口大小、扫描方式以及数据的输出格式 等。s c c b 接口是o m n i v i s i o n 公司为其c m o s 图像传感芯片所设计的配置接口， 与1 2 c 接口相似。不同之处在于s c c b 有一个接口使能引脚s c c b e 。在s c c b e 为低的条件下，其s i o c 、s i o d 引脚的作用分别与1 2 c 的s c l 、s d a 相同。o v 7 1 4 1 内部总是使能s c c b 接口，因此其s c c b 就是1 2 c 。 2 4 数字信号处理器d s p s 信息社会的发展在很大程度上取决于信息与信号处理技术的先进性。数字信 号处理器d s p s 作为数字信号处理的核心技术，具有广泛的应用，包括数字信号 处理、通信领域、语音处理、图形图像、军事、工业领域、仪器仪表、医疗仪器、 消费类电子电器等。 2 4 1d s p s 的结构 d s p s 作为一种微处理器，是为完成数字信号处理任务而设计的。数字信号处 理算法的高效实现是d s p s 的设计核心。常用的d s p s 结构具有以下特点： ( 1 ) d s p s 总线结构采用哈佛结构或改进的哈佛结构。 现代通用微处理器一般采用冯诺依曼结构，程序和指令共用一个存储空间 以及单一的地址和数据总线。而d s p s 采用哈佛结构，将程序和数据存储空间分 开，并有着各自独立的程序总线和数据总线。因此d s p s 可以同时对数据和程序 进行寻址，从而大大地提高了数据处理能力。改进的哈佛结构在数据总线和程序 总线之间进行局部的交叉连接。这一改进允许数据存放在程序存储器中，并被算 术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。只要调度好两个独立的总线就可使 处理能力达到最高，以实现全速运行。改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓 存器中( c a c h e l ，省去了从存储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度。 ( 2 ) 采用流水线技术。 d s p s 大多使用了流水线技术。在流水线操作中，指令的取指、译码、执行可 9 电子科技大学硕士学位论文 以同时进行。也即是说，第一条指令完成取指操作之后，在进行译码的同时，可 进行第二条指令的取指。d s p s 指令系统的流水线操作是与哈佛结构相配合的，增 加了处理器的处理能力，把指令周期减小到最小值，同时也就增加了信号处理器 的运算速度和吞吐量。 ( 3 ) 具有硬件乘法器和m a c 单元。 在一般的计算机上，算术逻辑单元( a l u ) 只能完成两个操作数的加、减及逻 辑运算，而乘法( 或除法) 则由加法和移位来实现。因此，在这样的计算机的汇编 语言中虽然有乘法指令，但在机器内部，实际上还是由加法和移位来实现的，因 此它们实现乘法运算就比较慢。由于数字信号处理算法往往涉及到大量的乘法和 累加运算：因此d s p 郝有专门的硬件乘法器和m a c 乘加指令，使乘法运算和累 加运算可以在一个指令周期内完成，大大提高了d s p 在作乘法和累加时的运算速 度。 ( 4 ) 特殊的运算指令。 为满足f f t 、卷积等数字信号处理的特殊要求，当前的d s p s 在指令系统中 设置了循环寻址以及位倒序指令等特殊的运算指令。在进行此类运算时，寻址、 排序的速度将大大提高。 ( 5 ) 片内存储器。 由于d s p s 面向的是数据密集型应用，因此存储器访问速度对处理器的性能 影响很大。数字信号处理算法的特点是需要大量的简单计算，其程序比较短小， 存放在d s p s 片内可以减少指令的传输时间，并有效缓解芯片外部总线接口的压 力。除了片内程序存储器外，d s p s 内一般还集成有数据r a m ，用于存放参数和 数据。片内数据存储器不存在外部存储器的总线竞争问题和访问速度不匹配问题， 因此访问速度快，可以缓解d s p 的数据瓶颈，充分利用d s p s 强大的处理能力。 2 4 2d s p s 的分类 按照所支持的数据类型不同，d s p s 分为定点和浮点两大类。定点d s p s 进行 算术操作时，使用的是小数点位置固定的有符号数或无符号数。浮点d s p s 进行 算术操作时，使用的是带有指数的小数，小数点的位置随着具体数据的不同进行 浮动。定点器件在硬件结构上比浮点器件简单，具有价格低和速度快的特点，因 而应用得最多；而浮点器件的优点是精度高，不需要进行定标和考虑有限字长效 应，因此编程较方便，但是其成本和功耗相对较高，速度较慢，适合于对数据动 1 0 第二章嵌入式虹膜识别系统 态范围和精度要求高的特殊应用。 t i 公司c 6 0 0 0 系列是速度最快的一代d s p ，应用对性能要求较高的场合。本 系统使用到的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b ( 以下简称c 6 7 1 3 b ) 就属于c 6 0 0 0 系列d s p 。 2 4 3c 6 7 1 3 b 的特点 c 6 7 1 3 b 是t i 公司的一款高性能的3 2 位浮点d s p 。其工作频率最高可达 3 0 0 m h z ，可每秒执行2 4 0 0 m i p s 和1 8 0 0 m f l o p s ，非常适合在大数据量的图像 处理场合中使用。 c 6 7 1 3 b 具有以下的特点： 采用了改进的哈佛结构和流水线技术。 d s p s 核采用v l l w 结构，允许设计者开发高效的类r i s c 指令。 片内具有8 个独立的功能单元，包括2 个乘法器和6 个算术逻辑单元( a l u ) ，为 单精度和双精度的i e e e 浮点数运算提供硬件支持。 采用二级缓存架构。l 1 固定有4 k 程序缓存和4 k 数据缓存。l 2 缓存集成2 5 6 k 字节r a m ，其中的6 4 k 可配置用做二级缓存c a c h e 。 3 2 位高性能外部存储器接口( e m i f ) 与s r a m 、s d r a m 、s b s r a m 等同步 异步存储器无缝连接接口，兼容8 1 1 6 3 2 位外部存储器总线。 集成了丰富的片上外设。包括p l l 、时钟模块、多通道e d m a 控制器、多通道 缓冲串口( m c b s p ) 、1 2 c 接口、h p i 接口等。 2 5c p l d 专用集成电路( a s i c ) 芯片现场可编程逻辑器件的出现，特别是现场可编程 门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) ，使得a s i c 的应用更加广泛， 开发周期大大缩短。 2 5 1f p g a c p l d 特点 f p g a 与c p l d 都是可编程逻辑器件，规模较大、体系结构和逻辑单元灵活， 适合于时序、组合等逻辑电路应用场合。虽然c p l d 与f p g a 在很大程度上具有 1 1 电子科技大学硕士学位论文 类似之处，但由于内部结构上的差异导致了它们在功能与性能上的差别。主要表 现在如下几个方面： ( 1 ) 布线能力。c p l d 独特的内连线结构使其内连率很高，不需要人工布局 布线来优化速度和面积。与f p g a 有限的布线线段相比，更适合于电子系统设计 自动化中芯片设计的可编程器件验证。 ( 2 ) 延迟可预测能力。c p l d 的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀 的和可预测的( 即设计输入不变的情况下每次布局布线后其时序延迟是一定的) 。 与f p g a 分段式布线结构导致的不可预测延时相比，更加方便设计人员设计电路。 ( 3 ) 适用场合。c p l d 和f p g a 都可集成成千上万门的数字逻辑电路。但比 较面言：c p l d 更适合于完成组合逻辑，而f p g a 更适合完成时序逻辑。 本系统选用a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 s 系列的c p l d 来完成虹膜采集功能，并 且还要实现+ 5 v 电平的器件与+ 3 3 v 电平器件之间的数据通信功能。m a x 7 0 0 0 s 系列c p l d 具有以下特点： 以第二代多阵列矩阵( m a x ) 结构为基础的高性能c m o se e p r o m 器件。 基于i e e e l l 4 9 1 标准的边界扫描测试方式。可通过j t a g 口实现在线编程。 逻辑密度为6 0 0 5 0 0 0 个可用门。 引脚到引脚的逻辑延时最快为5 n s ，计数器工作频率可达1 7 5 4 m h z 。 引脚具有集电级开路选择。可兼容多种电平。 可编程宏单元触发器具有专用的清除、置位、时钟和时钟使能控制。 2 5 2m a x 7 0 0 0 s 结构 m a x 7 0 0 0 s 系列c p l d 的结构中包括逻辑阵列块( l a b ) 、宏单元、扩展乘 积项、可编程连线阵列( p i a ) 和i o 控制块五个部分。 l a b 由1 6 个宏单元组成。每个宏单元由逻辑阵列、乘积项选择矩阵和可编 程触发器组成，能够单独配置为时序逻辑和组合逻辑工作方式。多个l a b 通过 p i a 和全局总线连接在一起。全局总线由所有专用输入、i o 引脚和宏单元来馈给 信号。i o 控制块允许把每个i o 脚配置成输入、输出或双向工作方式。 根据v h d l 程序的综合、仿真结果，我们选择了e p m 7 1 9 2 s 。e p m 7 1 9 2 s 是 一款有1 9 2 个逻辑宏单元和3 7 5 0 个可用门的c p l d ，其端到端延时为1 0 n s ，并且 1 2 第二章眈入式虹膜识别系统 适用于3 3 v 和5 v 混合电压系统。 2 6 通用串行总线u s b 本系统作为一个嵌入式虹膜识别系统，虽然设计了较大的存储空问，但其容 量毕竟有限，系统存储的虹膜特征数据库的更新以及维护等工作，需要由p c 机 负责，因此也需要设计与p c 机通信的接口。u s b 由于其低成本、热拔插、即插 即用、体积小、低功耗、性能可靠、设计灵活和通信速度快等特性，已经成为p c 机外围设备扩展中的标准接口。本系统设计的u s b 2 0 接口，负责与p c 机进行数 据传输。通过该接口，我们既可以实时读取采集到的虹膜图像信息，并在p c 机 上进行处理，也可以把系统处理后的虹膜特征信息上传到p c 机，或者从p c 机下 载数据以更新系统的虹膜特征数据库，当然也可以完成对系统d s p 应用程序的升 级。 2 6 1u s b 系统简述 在终端用户看来，u s b 系统就是外设通过一根u s b 电缆和p c 机连接起来。 u s b 在外设和p c 机之间提供通信服务，通常把外设称为u s b 设备，把其所连接 的p c 机称为u s b 主机，且把指向u s b 主机的数据传输称为上行通信，把指向 u s b 设备的数据传输称为下行通信。u s b 的数据传输是基于令牌的，其所有的通 信( 不论是上行通信还是下行通信) 都是由u s b 主机启动。 u s b 主机内部含有u s b 主控制器，负责完成主机和u s b 设备之间的物理数 据传输。u s b 采用层次星型的总线拓扑连接结构，一个u s b 主控制器最多可连 接1 2 6 个外设。u s b 主机还含有客户软件( u s b 设备驱动程序和界面应用程序) ， 用于和指定的u s b 设备进行通信，以实现其特殊功能。客户软件是专用的，根据 具体设备的不同而不同，需要开发人员自行编写。 u s b 设备依照功能的不同，分为集线器和功能设备两类。功能设备可以和 u s b 主机进行数据和控制信息的交互，并为主机提供额外的功能。在每个功能设 备内部都包含有描述符合配置信息，主机在使用功能设备前必须先对其进行配置。 功能设备通常是独立的外围设备，具有开发人员所设定的功能