（信号与信息处理专业论文）基于dsp和射频卡的嵌入式指纹识别系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的快速发展，越来越多的人们认识到生物特征识别技术在身份 认证领域的重要性，而指纹识别是生物特征识别中的一项重要内容，一直以来都 是国内外研究的热点。 。 本文所提出的基于d s p 和射频卡的嵌入式指纹识别系统是指纹识别技术在嵌 入式领域中的应用。传统的嵌入式指纹识别系统在硬件结构上一般都是采用主处 理器( 如d s p ) 配合逻辑芯片( 如f p g a 或c p l d ) 实现，其成本高，功耗大； 同时传统指纹识别系统在指纹匹配过程中是采用1 ：n 的方式进行指纹比对，即将 新采集到的指纹与之前存储在存储器中( n 2 u s h ) 的已注册过的指纹进行一一比对， 当指纹量很大时会严重影响指纹匹配速度，同时对存储器容量有了更高的要求。 本文所提出的指纹识别系统采用一片t i 公司的高性能、低功耗的定点d s p t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a 完成指纹注册、匹配、结果显示等所有功能，在保证系统正常工 作的前提下使系统功耗降到最低，同时降低了系统成本。与传统指纹识别系统不 同，本系统将指纹特征信息存储在射频卡中，在进行指纹匹配时，将新采集到的 指纹信息与射频卡中的指纹信息进行1 ：1 的比对，大大的缩短了指纹匹配时间； 由于本系统中f l a s h 不再保存注册指纹的信息，而只用来存储系统程序，所以n a s h 容量可以大大降低。 本文的主要工作如下： 1 设计了一种高性能、低功耗的硬件系统，包括核心处理模块、指纹传感器 模块、读卡器模块、人机交互模块、电源管理和电源切换模块等。同时，还设计 了各硬件模块的驱动程序，为应用程序提供控制接口。 2 完成了系统应用程序设计。在使用d s p b i o s 实时操作系统的基础上设计 了各系统任务，通过调用驱动程序控制和协调各硬件模块，实现了指纹传感器模 块与读卡器模块、人机交互模块的有机结合。 3 完成算法移植优化处理，使该系统工作正常，并且效率得到了极大的提高。 最终，本系统实现了指纹注册、指纹匹配以及液晶显示等功能，各功能模块 工作稳定。 关键词：嵌入式指纹识别系统，1 m s 3 2 0 v c 5 51o a ，射频卡，d s p b i o s 操作系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lm er 印i dd e v e l o p m e n to fi i l f o 肌a t i o nt e c l l n o l o g y ，m o r e 觚dm o r ep e o p l e r e c o 嘶z et l l a tb i o l o g i ci d e n t i f i c a t i o nt e c l l i l o l o g y i sv c 巧肌p o n a l l ti i lm ef i e l do f i d e m i 锣a u t l l e n t i c a t i o n ，f i n g e 印r i n tr e c o g i l i t i o ni sa i li m p o 煳t e l e m e n ti n 吒i th a sb e e n ar e s e a r c hh o t s p o td o m e s t i c 锄da b r o a d i i lt l ：l i sp a p e r 、ep r o p o s ean e w - 唧l ej f i n g e 印r i n tr e c o g i l i t i o ns y s t e mw h i c hi s b a s e do nd s pa n dr f c a r d ，i ti sak i i l do f 锄b e d d e da p p l i c a t i o no nf i n g e 印r i n t r e c o 驴i t i o nt e c l l i l o l o g y i i lt h ea s p 耐o f h 矾、m a r e ，t h e 舰d i t i o 砌锄b e d d e df i n g e 印r i n t r e c o g l l i t i o ns y s t e mu s u a l l ya d o p tt l l e 、v a yo fh o s tp r o c e s s o “s u c h 嬲d s p ) c o o p e r a t e w 浊l o 西c 出p ( s u c h 觞f p g ao rc p l d ) ，b u tt h i sc o m b m a ：t i o ni s n o to i l l yl l i 曲c o s tb u t a l s op o w e r h u i l g r y a tt l l es 锄et i m e ，t l l ef o n n e re m b e d d e ds y s t c i mu s e dt 0c o m p a r et l l e c 印t u r e df i n g e 印r i n ti m a g et oe a c hf m g e 叫n t sc l l a r 删s t i c s 讹c h a r es t o r e di nf l 础 m e m o r yo ro t l l e rm e m o 巧i na1 ：n 、v a y ，i tw i l l 雄e c tn l es p e e do fm a t c l l i n gb a d l yi f 恤r ea r el a r g en 啪b e r so ff i n g e 印r i n ti 幽m a t i o i l si i lm en 础，i ta l s or e q u nal a r g e m e m o r y s i z e 1 1 1 e n e w - s 哆l ef i n g e 叩r i m r e c o g i l i t i o n s y s t e ma d o p t t i s t m s 3 2 0 v c 5 51o a ，w 1 1 i c hi saf i x e d - p o 缸d s po fl l i 曲p e 响m a i l c ea i l dl o w 。p o w e r ，i t c o m p l e t e s a l lt h e劬c t i o i l sw l l i c hc o n c l u d eo ff i n g e 印r i n te n r o l l i n g ，f m g e 印r i m m a t c 蛐1 9 ，r e s u l td i s p l 咖n g 锄ds 00 nb yi t s e l i nt 1 1 i sm 锄e r ，、张m a k em es y s t e m t o i i l i 幽i z ep o w e rc o l l s 啪p t i o na n da tt ：h e s 锄et i i i l er e d u c es y s t e mc o s t t h en e w e m b e d d e df m g e 印mr e c o 鲥t i o ns y s t 锄s t o r e sm e 铀g e 掣证i n p o 咖a t i o ni i lr f c 莉 w m c hi sd i 圩e r e n t 劬mf o m e rs y s t e m a tt l l ea s p e c to fm a t c l l i n g ，位n e ws y s t e ma d o 呻 m e 、j ，a y o fc o m p 撕n gm en e wc 印n 鹏df i n g e 印r i n t 妇a g e t 0m ef i i i g e 叫m c h 聪赋e r i s t i c sw k c hc 趾b er e a dj j f o m 协er f - c a r d t h em a t c l l i n gt i m ei sm l l c hs h o r t e r t l l a i lf o 珊e re m b e d d e ds y s t e m b e c a u s eo ft l l en e ws y s t e m sf l a s hi s 1 1 0 tu s e dt 0s t o r e 铀g e 叫n ti n f o m a t i o 玛i to l l l yu s e dt os t o r es y s t e mp r o 莎吼，i t sc 印a c 崎c a nb e m i l l i m i z e dv e 巧i n u c h t h ew o r k sa b o u tt t l i st l l e s i sa r em a i l l l yf o c u s e do nt l l ef o l l o 、) ，i n gp a r t s ： 1 al l i 曲p e 墒m 锄c e ，l o wp o w 盯c o n s 啪p t i o nh a r d 咄s y s t e md e s 细i s i i a b s t r a c t p r o p o s e di nt l l i st h e s i s i tc o n s i s t so fs e v e r a lm o d u l e s ，w i l i c ha r ep r o c e s s i n gm o d u l e ， f i n g e 印r i n ts e l l s o rm o d u l e ，r f c a r dr e a d e rm o d u l e ，h u m 趾m a c h i i l ec o m m u l l i c a t i n g m o d u l e ，p o w e rm a n a g e r 锄dp o w e rs 、析t c h o v e rm o d u l e a tt l l es 锄et i m e ，、eh a v e d e s i 印e dm e1 1 a r d w a r em o d u l e s 嘶v e r s ，w h i c h 丽up r o v i d e 硫e r l 沁et om e 印p l i c a t i o i l s 2 d e s i 印j n gt l l ew h o l ea p p l i c a t i o ns y s t e mb 嬲e do nl l a r d 啪p l a t f o mb yu s i n g d s p b i o sr t o s t h ed e v i c e s 嘶v e r sa i l ds y s t e mt a s k sa r ep r o 鲫m m e dt 0a c l l i e v em e c o m b i n a t i o no f f i n g e 叩r i n t s e n s o r m o d u l e ，i 江c a r d r e a d e rm o d u l e锄d h 啪a i l m a c l l i n ec o 姗i c a t i n gm o d u l e 3 t h es y s t 锄se m c i e n c yi se i l l l 鲫c e d b yc o d eo p t i i l l i z a t i o n ， k e y w o r d s ：e m b e d d e df i n g e 甲r i mr e c o 咖t i o ns y s t e m ，t m s 3 2 0 v c 5 51o a ，r f c a r d ， d s p b i o sr e a j - t i m ek e m e l i h 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：龃 日期：。7 年岁月9 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：豸拯盘导师签名： 日期：汐9 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代社会的快速发展，科技的飞速进步，通过盗取个人身份而进行的一 系列犯罪行为臼益猖獗，因此，为了保护公民的个人利益和权利，如何准确的、 快速的识别公民个人身份成了当今社会必须解决的关键性问题。 传统的身份鉴定方法包括身份标识物品( 如钥匙、证件、a t m 卡等) 和身份 标识知识( 如用户名和密码) 但由于主要借助体外物，一旦证明身份的标识物品 和标识知识被盗或遗忘，其身份就容易被他人冒充或取代，其安全性、可靠性差。 而据研究和经验表明，每个人的指纹、虹膜、掌纹等生物特征具有唯一性、稳定 性和普遍性等特点，使他成为一种更为安全有效的身份验证方法，正逐步取代传 统的基于标识或口令的身份认证方法。 1 2 生物识别技术 所谓生物识别技术就是通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学 原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性( 如指纹、脸象、红膜等) 和行为特征( 如笔迹、声音、步态等) 来进行个人身份的鉴定。生物识别技术比 传统的身份鉴定方法更具安全、保密和方便性。生物特征识别技术具有不易遗忘、 防伪性能好、不易伪造或被盗、随身“携带”和随时随地可用等优点。 由于人体特征具有人体所固有的不可复制的唯一性，这一生物密钥无法复制， 失窃或被遗忘，利用生物识别技术进行身份认定，安全、可靠、准确。而常见的 口令、i c 卡、条纹码、磁卡或钥匙则存在着丢失、遗忘、复制及被盗用诸多不利 因素。因此采用生物”钥匙”，您可以不必携带大串的钥匙，也不用费心去记或更换 密码。而系统管理员更不必因忘记密码而束手无策。 由于指纹具备了唯一性、普遍性和永久性的特点，同时制造指纹传感器的技 术越来越成熟，越来越先进，通过传感器能够采集出清晰、真实的指纹，将指纹 作为身份认证领域的首选特征实至名归。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 指纹识别技术 每个人包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，呈现惟一 性且终生不变。据此，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指 纹和预先保存的指纹数据进行比较，就可以验证它的真实身份，这就是指纹识别 技术。 指纹识别主要根据人体指纹的纹路、细节特征等信息对操作或被操作者进行 身份鉴定，得益于现代电子集成制造技术和快速而可靠的算法研究，已经开始走 入我们的日常生活，成为目前生物检测学中研究最深入，应用最广泛，发展最成 熟的技术。 1 4 论文工作简介及章节安排 本论文的主要内容是基于d s p 和射频卡的嵌入式指纹识别系统设计与实现， 其中包括指纹识别系统的硬件部分和软件部分两方面工作。 ( 1 ) 硬件系统设计与调试部分 本部分工作包括嵌入式指纹识别系统原理图设计、p c b 电路板设计和调试。 ( 2 ) 软件开发与调试部分 本部分包括系统各个任务程序的编写，以及后期对指纹识别算法的移植和优 化操作，最后完成了系统上电程序自加载。 全文共分为五章，后面每章的主要内容如下： 第二章嵌入式自动指纹识别系统 介绍了指纹识别技术的基本原理和指纹图像的处理流程，还简要介绍了自动 指纹识别系统，最后简要介绍了基于d s p 和射频卡的嵌入式指纹识别系统的硬件 构架，以及与往届师兄设计的指纹识别系统的不同和优缺点。 第三章基于d s p 和射频卡的嵌入式指纹识别系统硬件平台设计 本章主要介绍了本指纹识别系统各个模块的硬件设计，通过功能分析做出了 芯片选型，通过电气特性以及技术手册完成了硬件连接。同时还介绍了d s p 模拟 s p i 以及u a r t 协议等的模拟驱动编写。 第四章系统应用程序设计 本章详细介绍了该指纹识别系统在使用d s p b 1 0 s 的基础上所完成的指纹注 2 第一章绪论 册、指纹匹配和液晶显示等任务，其中介绍了系统所使用的任务间的同步方式以 及所使用的硬件中断( h w i ) 和任务( t s k ) ，最后介绍了本系统对指纹识别算法 所做的移植和优化工作。 第五章总结与展望 总结了本文所做的工作，并展望了本论文所介绍的基于d s p 和射频卡的嵌入 式指纹识别系统的发展方向。 电子科技大学硕士学位论文 第二章嵌入式自动指纹识别系统 2 1 指纹识别的基本原理 每个人包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，呈现惟 一性且终生不变。据此，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的 指纹和预先保存的指纹数据进行比较，就可以验证它的真实身份，这就是指纹识 别技术。 通常将可以用于验证与匹配的识别指纹主要从两个方面展开：总体特征和局 部特征。 2 1 1 总体特征 总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征。包括纹形、模式区、核 心点和纹数等。 纹形( f i n g e 印血i tt y p e ) ，根据指纹脊线的走向与分布情况一般可以将指纹分 为三大类一环型( 1 0 0 p ，又称斗形) 、弓形( 鼬c h ) 、螺旋形( 、地o r l ) 。 模式区( p a t t e m 觚a ) 即指纹上包括了总体特征的区域，从此区域就能够分 辨出指纹是属于哪一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的数据，有的则 使用所取得的完整指纹。 核心点( c o r ep o 血) 位于指纹纹理的中心部分，在对指纹进行处理时把核心 点作为参考点。 纹数( 雕d g ec o 眦t ) 是指指纹模式区内纹理的数目。 2 1 2 局部特征 通常情况下两枚指纹都会具有相同的总体特征，但是它们的局部特征却不可 能完全一样。指纹的特征点包括实际指纹纹路出现的断点、分叉点和转折点，指 4 第二章嵌入式自动指纹识别系统 纹的这些特征点保证了指纹具有惟一性的特点，这些特征点中最典型的是终结点 和分叉点，其他还包括分歧点、孤立点、环点、短纹等。特征点的参数包括：方 向( 节点可以朝着一定的方向) 、曲率( 描述纹路方向改变的速度) 、位置( 节点 的位置通过册坐标来描述，可以是绝对的，也可以是相对于三角点或特征点的) 。 2 2 指纹处理基本流程 指纹处理过程主要包括：指纹图像分割、增强等预处理操作，因为实际情况 下采集到的指纹图像不是清晰的、顺直的，有时因为传感器或者手指干燥、湿润 等的外界原因，使得采集到得指纹图像效果很差，那么我们就需要通过图像预处 理算法对指纹图像进行优化；随后是指纹图像特征提取过程，这个过程中我们将 需要注册进射频卡的指纹特征点信息提取出来，在今后的注册和匹配过程中要使 用这些信息；最后是指纹特征点匹配过程，指纹图像的匹配是通过计算两组指纹 特征集间的相似度来判断这两枚指纹图像是否来自同一枚手指。对指纹图像处理 的基本流程如图2 3 所示。 2 3 自动指纹识别系统 图2 3 指纹处理基本流程 指纹自动识别系统通过特殊的光电转换设备和计算机图像处理技术，对活体 指纹进行采集、分析和比对，可以自动、迅速、准确地鉴别出个人身份。系统一 电子科技大学硕士学位论文 般主要包括对指纹图像采集、指纹图像处理、特征提取、特征值的比对与匹配等 过程。现代电子集成制造技术使得指纹图像读取和处理设备小型化，同时飞速发 展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上可以进行指纹比对运算的可 能，而优秀的指纹处理和比对算法保证了识别结果的准确性。 在计算机系统中，指纹识别可以用于开机登录身份确认，远程网络数据库的 访问权限及身份的确认，银行储蓄防冒领及通存通兑的加密方法，保险行业中投 保人的身份确认，期货证券提款人的身份确认，医疗卫生系统中医疗保险人的身 份确认等等如将指纹信息记录在特殊用途的卡上，通过现场比对，可以防止冒充 等欺诈行为。例如：信用卡、医疗卡、会议卡、储蓄卡、驾驶证、准考证、护照 防伪等。 在不久的将来，随着各国政府的大力支持，生物特征识别技术将逐渐的走进 人们的生活，基于指纹的自动识别技术也会得到飞速的发展，人们可能越来越习 惯使用指纹作为自己的身份证、银行密码、开门的钥匙。 2 4 基于d s p 和射频卡的嵌入式指纹识别系统 基于d s p 和射频卡的嵌入式指纹识别系统主要包括嵌入式指纹识别系统硬件 结构、指纹识别算法以及管理整个应用程序的d s p 倍i o s 操作系统。本文所描述的 嵌入式系统是针对往届指纹识别系统结构复杂、功耗较大、成本较高、识别率较 低的问题，重新设计而成。分析发现，由于原系统是由t i 的c 6 0 0 0 系列d s p t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 + f p ( 认的处理器结构，t i 的t m s 3 2 0 v c 5 5 x 系列d s p t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 处理器结构。前者虽然提高了匹配速度，但是以增加系统功耗与 成本为代价换来的，后者虽然速度不如c 6 0 0 0 系列d s p ，但足以满足使用需要， 只是所采用的指纹传感器f p s 2 0 0 效果不理想，另外前两种指纹识别系统都是采用 的传统的l ：n 的指纹匹配方式，即将指纹特征信息存储在f l a s h 中，在每次匹配 时将待匹配指纹特征信息与n a s h 中的所有指纹信息一一比对，进而得出匹配结果。 当适用的人数较少时该方法比较适合，但当人数较多( 比如工厂员工) ，n a s h 中需 要存储的指纹特征信息较多时，比如需要存储5 0 0 0 枚指纹时，对f l 础的容量要 求，指纹匹配查找时间的要求都限制了他们的应用。 为了克服功耗大、成本高、指纹图像采集效果不理想、f l a l s h 容量限制以及匹 配时间过长的问题，新的系统重新设计了整个硬件结构，采用高性能、低功耗的 d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 l o a 作为核心处理器，仅仅通过一片d s p 芯片即可完成从 6 第二章嵌入式自动指纹识别系统 指纹图像获取、预处理到指纹匹配等功能，大大降低了系统功耗与成本。指纹传 感器采用瑞典f i n g e r p r i n tc 砌公司生产的电容式指纹传感器f p c i 0 1 1 c ，它使用电 容反射式探测技术，而不是传统指纹传感器的直接探测式技术。在指纹图像数据 存储方面放弃了传统的通过非易失性异步存储器( n a s h ) 存储指纹信息的方法， 而采用将用户指纹特征点信息通过读卡器写入射频卡的方法存储指纹信息，指纹 匹配时，通过读卡器将射频卡中的指纹读出来，与新采集到的指纹进行1 ：1 的匹 配，而不是过去的用新采集到的指纹与f l a s h 中存储的多枚指纹数据进行1 ：n 的 匹配方式，既减小了n a s h 的容量，也提高了指纹匹配的速度。在电源管理模块中 设计了自动电源切换电路，在不需要d s p 控制的情况下，可以自动完成直流电源 供电与电池供电两种供电模式之间的切换，延长了系统可连续使用时间，也使得 该硬件设计方案更具有实用性，可广泛应用于门禁、移动式指纹识别设备等各种 领域。 2 5 本章小节 本章简要的介绍了指纹识别技术的基本原理、指纹识别算法运行流程，并简 单的介绍了指纹的局部特征和全局特征。最后，介绍了自动指纹识别系统，并且 简单的介绍了一种新的基于d s p 和射频卡的嵌入式系统设计方案，。 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章基于d s p 和射频卡的嵌入式指纹识别系统硬件平台设计 通过考察往届师兄的指纹系统，结合本系统设计要求：低成本、低功耗、结 构简单，综合以上考虑后本系统硬件方面决定分为以下几个模块设计：核心处理 器( d s p ) 、系统电源管理、存储设备( s d r a m 和f l a s h ) 、指纹图像采集模块、 人机交互模块( 按键、发光二极管和l c d 液晶屏) 、读卡器模块和数据传输接口 ( u a r t 接口) 。整个系统硬件结构如图3 1 所示。 图3 1 系统硬件结构框图 在本嵌入式指纹识别系统中，我们将单片t i 公司的c 5 0 0 0 系列d s p 作为核 心处理器，由它来单独完成指纹识别算法，同时还要完成d s p b i o s 的系统任务调 度，以及外部指纹传感器、读卡器等设备的控制。 在本嵌入式指纹识别系统中，电源管理模块通过采用开关型电源芯片 t p s 3 6 0 0 d 5 0 、t p s 6 2 0 4 6 、t p s 6 2 0 4 3 将输入范围为4 6 v 的直流电源分别转换成 + 3 3 v 、+ 1 6 v 和+ 5 v 电平，为d s p 内核、d s pi o 口、指纹传感器、l c d 液晶屏 等供电。为了保证本嵌入式指纹识别系统在断电的情况下继续工作，我们还设计 了自动电源切换电路，可以在外接直流电源断电的情况下自动切换为电池供电， 3 第三章基于d s p 和射频膏的嵌入式指纹识别系统硬件平台设计 有效的保证了整个系统的长时间工作。 系统外部存储器s d r a m 存储指纹识别算法中需要的临时指纹图像数据； f l a s h 用于存储整个系统的代码，当出现上电复位信号或者手动复位信号时自动 完成上电程序自加载过程。 电容式反射探测式指纹传感器f p c i o l l c 是f i n g e 印r i n tc a r d 公司推出的新一 代指纹采集设备，具有高图像质量、高耐磨、高抗静电、低功耗等优点，因此被 本系统采用。f p c i 0 1 l c 提供了一个高速的s p i 接口，在本指纹识别系统中我们通 过使用多通道缓冲口( m c b s p ) 模拟s p i 协议的方式将指纹传感器与系统中的主 处理器t m s 3 2 0 v c 5 5lo a 相连。 人机交互模块提供有按键、发光二极管和l e d 液晶屏显示功能。由于系统的 任务不多，所以没必要使用外接的额外键盘来触发各种任务，系统中只使用了4 个简单按键，连接在d s p 的4 个外部中断引脚，通过按键直接触发对应的任务即 可。发光二极管用在系统的调试阶段，通过观察不同二极管的点亮情况得知不同 任务的执行情况。而l e d 液晶屏则做为最终的系统显示方法选择，将显示系统工 作状态、操作提示和指纹识别的结果。 u 越h 串行数据通信接口用以实现d s p 和读卡器的通信，通过d s p 向读卡器 发出特定的命令从而完成指纹特征点数据向射频卡的写入和读出功能。 本嵌入式指纹识别系统硬件设计方案只采用了一片t i 公司的低功耗的c 5 0 0 0 系列d s p 作为主处理芯片完成系统所有任务，使得整个系统具有结构简单、低功 耗、低成本等特点。在本章下面的小节中我们将详细的介绍一下本系统各个硬件 模块的芯片选型和硬件连接设计。 3 1 核心处理器模块 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术 应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或 提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。数字信号处理的 任务在很大程度上需要由数字信号处理器f 2 1 ( d s p ) 来完成，它是以数字信号来处 理大量信息的器件。 3 1 1d s p 芯片特点 9 电子科技大学硕士学位论文 d s p 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 理的高效率实现是d s p 的设计核心。常用的d s p 结构具有以下特点1 2 l ： 1 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 2 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 3 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； 4 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； 5 快速的中断处理和硬件i o 支持； 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 7 可以并行执行多个操作： 8 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。 3 1 2d s p 芯片的分类 d s p 芯片可以按照下列两种方式进行分类： 1 按基础特性分 这是根据d s p 芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率范围 内的任何时钟频率上，d s p 芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能 的下降，这类d s p 芯片一般称为静态d s p 芯片。如果有两种或两种以上的d s p 芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容，则这类d s p 芯片称 为一致性d s p 芯片。例如，美国t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 x 就属于这一类。 2 按数据格式分 这是根据d s p 芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的d s p 芯 片称为定点d s p 芯片，如本文使用的t i 的t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a 。数据以浮点格式工 作的d s p 芯片称为浮点d s p 芯片，如t i 的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 。 3 1 3t m s 3 2 0 v c 5 5 x 系歹i jd s p 由于本文设计的嵌入式指纹识别系统主要用于考勤机，所以为了尽可能的降 低成本和系统功耗，本系统采用了美国t i 公司生产的c 5 0 0 0 系列1 6 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a 【3 1 作为整个硬件系统的核心处理器。该芯片的主要特征如下 f 4 l ： c p u 时钟频率为2 0 0 m l z ，配以双m a c 单元。 1 0 第三章基于d s p 和射频卡的嵌入式指纹识别系统硬件平台设计 芯片采用了改进的哈佛结构。 采用长度可变的指令集。 6 4 k b ”e 片上双读写洲( d 触认m ) ，可以在一个时钟周期内访问两次 片内数据。 2 5 6 k b y t e 片上单读写洲( s a r a m ) ，一个时钟周期内可以访问一次片 内数据。 2 4 kb y t e 的指令缓存器( i c a c h e ) 可以提供三种配置：1 ) 只有一个两路 c a c h e 块；2 ) 一个两路c a c h e 块加一个r a m s e t 块。3 ) 一个两路c a c h e 块加两个r a m s e t 块。 集成了丰富的片上外设。包括时钟锁相环、直接存储器访问控制器、多通 道缓冲串口、增强型主机接口等。 3 2 系统电源管理模块设计 3 2 1 电源转换模块 本嵌入式指纹识别系统需要使用+ 3 3 v 、+ 5 v 、+ 1 6 v 三种直流电源，因此在 系统电路中需要一组稳压电源将输入的+ 5 v 直流电源电压转换成所需要的三种电 压。 本系统采用d c d c 开关式压降芯片实现电源转换，与传统的l d o 低压差线 性稳压芯片相比较，具有电源转换效率高，短路保护，以及在低负载时自动节电 操作的功能。 由于本嵌入式指纹识别系统需要设计为能够在断电的情况下继续通过电池供 电使其正常工作，所以尽可能的提高电源的转换效率，减少在电源转换中的损耗， 本系统采用了三款d c d c 开关式电源转换芯片t p s 6 2 0 4 6 、t p s 6 2 0 4 3 、 t p s 3 6 0 0 d 5 0 。 t i 公司的t p s 6 2 0 4 6 | ) 1 输出电压为固定的+ 3 3 v ，最大可输出1 2 a 的负载电流， 用来为d s p 外围i o 接口以及其他设备供电。t i 公司的t p s 6 2 0 4 3 p 1 输出电压为固 定的+ 1 6 v ，用来为d s p 内核供电。 3 2 2 电源自动切换模块 电子科技大学硕士学位论文 本指纹识别系统主要用于考勤机等场合，如果系统单一的通过外部直流供电， 那么当出现停电的情况下时系统就不能正常工作了，为了解决系统断电不工作的 问题，我们设计了电源自动切换电路，当出现外部断电情况下时，系统会自动检 测到这种状态，同时迅速将电源切换到电池组供电，保证系统长时间、不间断的 持续工作。 图3 2 电源自动切换电路 本电源自动切换电路如图3 2 所示，通过采用t i 公司的t p s 3 6 0 0 d 5 0 | 5 j 这款芯 片来完成。t p s 3 6 0 0 d 5 0 能够监视和控制处理器的活动。当出现供电不足的状况时， t p s 3 6 0 0 d 5 0 的备用电池转换功能开始工作，使处理器和它的外设在备用电池的支 持下工作，在这个过程中不会插入复位信号。上电期间，当输入电压( v d d 或者 v b a t ) 高于v r e s ( 参考电压) 时插入一个复位信号r e s e t ，随后，t p s 3 6 0 0 d 5 0 电压监视器会检测输出电压v o u t ，在v o u t 低于阀值电压期间复位信号r e s e t 一直有效。b a 兀o k 引脚用来输出备用电池的状态，当电池电压v b a t 低于v b o k ( 4 7 1 v ) 时，b 肌k 引脚会发生一个高电平到低电平的跳变，此时l e dd 2 会 被点亮，提示我们此时需要更换备用电池。b a l 例输出信号可以使我们知道此 时备用电池是否在工作，当备用电池工作时，b a t t o n 会输出高电平信号，此时 l e dd 1 被点亮。m s w i t c h 引脚用来选择供电电源使用外接直流电源还是电池组。 3 3 存储器模块设计 在本嵌入式指纹识别系统中我们使用了四种存储器，t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a 内部的 1 2 第三章基于d s p 和射频卡的嵌入式指纹识别系统硬件平台设计 d a r a m 和s a r a m ，外部的s d r a m 和f l a s h 。 3 3 1 片内存储器 t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 “4 】片内提供了一共3 2 0 k b y t e s 的内存空间，一共分成了4 0 个 内存块，每个内存块的大小为8 k b y t e s ，其中d a r a m 分为8 块，s a r a m 分为3 2 块，每个内存块都支持独立的操作。这样我们可以通过将程序和数据放在不同的 内存块，从而使程序的执行不会阻塞，使程序得到优化。 3 3 1 1 片内d a r a m t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a 内部有3 2 k 木1 6 - b i t 大小的d a r a m ( 6 4 k b 叽e s ) ，该d a r a m 由8 个块组成，每个块的地址空间如表3 1 所示。在一个时钟周期内我们可以对该 存储空间进行两次数据访问。同时，由于d s p 访问片内存储器的速度远远大于 d s p 访问片外存储器的速度，所以我们将指纹识别算法中需要反复运算的指纹图 像数据和变量存放在d a r a m 中，可以大大的提高整个指纹识别系统的处理速度。 表3 1d a r a m 地址空间 字节地址范围存储器块 0 0 0 0 0 0 h o olf f f hd a r a m o 0 0 2 0 0 0 h 0 0 3 f f f hd a r a m l 0 0 4 0 0 0 h 0 0 5 f f f hd a r a m 2 0 0 6 0 0 0 h 0 0 7 f f f hd a r a m 3 0 0 8 0 0 0 h 0 0 9 f f f hd a r a m 4 0 0 a o o o h o o b f f f hd a r a m 5 0 0 c 0 0 0 h 0 0 d f f f hd a r a m 6 0 0 e 0 0 0 h 0 0 f f f f hd a r a m 7 3 3 1 2 片内s a r a m t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a 内部有1 2 8 k 宰1 6 - b i t 大小的s a r a m ( 2 5 6 k b y t e s ) ，该s a r a m 由3 2 个块组成，每个块的地址空间如表3 2 所示。每个s a r a m 块可以在一个周 期内完成一个读操作或者一个写操作。该存储空间可以被d s p 内部的程序总线、 电子科技大学硕士学位论文 数据总线和d m a 总线直接访问。 表3 2s a r a m 地址空间 字节地址范围存储器块字节地址范围存储器块 0 1 0 0 0 0 h 0 1 l f f f h s a r a m 00 3 0 0 0 0 h 0 31f f f hs a r a m l 6 0 1 2 0 0 0 h 0 1 3 f f f hs a r a m l0 3 2 0 0 0 h 0 3 3 f f f hs a r a m l 7 0 1 4 0 0 0 h 0 1 5 f f f hs a r a m 2 0 3 4 0 0 0 h 0 3 5 f f f hs a r a m l 8 0 l6 0 0 0 h 0 17 f f f bs a r a m 30 3 6 0 0 0 h 0 3 7 f f f hs a r a m l 9 0 18 0 0 0 h 一0 19 f f f hs a r a m 40 3 8 0 0 0 h 一0 3 9 f f f hsa ra 哇2 0 0 1 a o o o h 0 1 b f f n ls a r a m 50 3 a o o o h 0 3 b f f f hs a r a m 2 1 0 1c o o o h o ld f f f l ls a r a m 60 3 c o o o h 0 3 d f f f hs a r a m 2 2 0 1 e 0 0 0 h 0 1 f f f f hs a r a m 70 3 e o o o h 0 3 f f f f hs a r a m 2 3 0 2 0 0 0 0 h 一0 21f f f hs a r a m 8 0 4 0 0 0 0 h 0 4 1f f f h s a r a m 2 4 0 2 2 0 0 0 h 0 2 3 f f f hs a r a m 90 4 2 0 0 0 h 0 4 3 f f f hs a r a m 2 5 0 2 4 0 0 0 h 一0 2 5 f 1 下h s a r a m l 00 4 4 0 0 0 h 0 4 5 f f f hs a r a m 2 6 0 2 6 0 0 0 h 0 2 7 f f f hs a r a m l l0 4 6 0 0 0 h 0 4 7 f f f hs a r a m 2 7 0 2 8 0 0 0 h 0 2 9 f f f h s a r a m l 20 4 8 0 0 0 h 0 4 9 f f f h s a r a m 2 8 0 2 a 0 0 0 h 0 2 b f f f hs a r a m l 30 4 a o o o h 0 4 b f f f hs a r a m 2 9 0 2 c o o o h 0 2 d f f f hs a r a m l 40 4 c o o l 弧0 4 d f f f hs a r a m 3 0 0 2 e 0 0 0 h 加2 f f f f hs a r a m l 50 4 e 0 0 0 h 0 4 f f f f hs a r a m 3 1 3 3 2s d r a m 接口设计 t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a 的内部存储空间只有3 2 0 k b y t e ，由于在本嵌入式指纹识别 系统中，在指纹识别算法运算过程中需要同时保存几幅指纹图像作为中间变量， 1 4 第三章基于d s p 和射频卡的嵌入式指纹识别系统硬件平台设计 所以3 2 0 k b y t e s 的存储空间远远不够用，系统需要外扩s d 洲来保存这些临时数 据。 s d r a m 是同步动态随机存取存储器的缩写，他的主要特点为：一是同步访问， 读写操作都需要时钟；二是动态存储，芯片需要定时刷新。 本系统采用了一片m i c r o n 公司的8 m b ”e s 的3 2 位m t 4 8 l c 2 m 3 2 8 1 6 】用做算法 中需要为临时指纹图像开辟的空间。该s d r a m 映射在d s p 的c e 2 和c e 3 空间 内，起始地址为8 0 0 0 0 0 h( b y t ea d d r e s s ) 。t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a 必须通过外部存储 器接口访问该空间。图3 3 为本文s d 洲硬件接口电路7 1 。为了使s d r a m 能 够正常工作，我们需要根据所选s d r a m 的数据手册配置外部存储器接口控制寄 存器。 网 e d 【3 1 ：o 】1 t e a 【1 1 ：2 】啼 ，黧翟篙鬈】二= = ： v c 5 5lo a ，s d r a s 严i 愿d w el - - c l k m 匪m 3 3 3f l a s h 接口设计 c k e d 【3 1 ：o 】 a f 9 ：o 】 胖鬯m t 4 8 l c ，s d c a s 。 ，s d r a s 2 m 3 2 b s d w e c s ，d q m f 3 ：o 】 c i 。k 图3 3s d r a m 硬件接口电路 由于s d 洲、d 触