（信号与信息处理专业论文）基于dsp的虹膜识别系统设计及实现.pdf

摘要 摘要 在信息技术高度发达的现代社会，人们日常生活的各个方面都需要用到身份 鉴别。虹膜识别技术就是当前身份鉴别中一种非常有潜力的识别技术。与其他识 别技术( 密码口令、指纹识别、面部识别、声音识别等) 相比较，具有稳定性、 唯一性、可采集性、非接触性等众多优点。因此，虹膜识别具有广阔的应用空间 和良好的经济效益，引起了国内外学者越来越多的重视。 目前，嵌入式虹膜识别系统大多是基于d s p + f p g a 的系统架构，而本系统仅 用一片d s p 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 就能够完成图像的采集，图像的处理，外围电路 的通信功能。整个系统不仅可以降低成本，降低功耗，还可以缩短开发周期。 本文完成的是嵌入式虹膜识别系统开发，主要工作由以下几个部分组成。 1 虹膜识别的硬件团队一起完成了整个嵌入式虹膜识别系统的硬件系统架 构，包括d s p 处理器模块、电源模块、存储模块、视频接口模块等几部分。 2 虹膜识别硬件团队一起调试了整个系统的硬件模块，并书写了对应模块的 底层驱动。 3 在t m s 3 2 0 d m 6 4 2 上完成嵌入式操作系统u c o s i i 的移植，使其能够在 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 上稳定的运行。 4 在u c o s i i 基础上，结合底层驱动的标准接口，完成整个虹膜识别系统的 应用程序开发，使整个系统能够满足虹膜识别的实际需要。完成虹膜识别算法在 d s p 上的移植和优化。 5 完成开源t c p i p 协议栈l w i p 在t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的移植与应用。完成 了一个简易的嵌入式网络服务器，并能够与外界稳定的通信。 最终，本文完成了硬件系统架构、底层驱动开发、嵌入式操作系统和t c p i p 协议栈的移植、系统应用程序开发等工作。各个模块都能够稳定的工作，整个系 统能够实现嵌入式虹膜识别系统的基本功能。由于本系统在设计过程中，软硬件 都是按照标准的模块化设计，便于将来对系统进行升级或者二次开发。 关键词：虹膜识别，d s p ，u c o s i i ，l w i p ，c c s ，嵌入式系统 a b s l r a ( 了r a b s t r a c t h lm 曲i n f o r m a t i o nm o d e ms o c i e t y , p e o p l en e e dt ou s et h ei d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n i nd a i l yl i f e i r i sr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi sap o t e n t i a lr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi nt h e c u r r e n ts t a t u so fi d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n c o m p a r e sw i mo t h e rr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y , t h ei r i sr e c o g n i t i o nh a sm a n yo t h e ra d v a n t a g e s ，s u c h 嬲t h es t a b i l i t y , u n i q u e n e s s ，c 觚b e c o l l e c t e d ，n o n c o n t a c ta n ds oo n s ot h ei r i sr e c o g n i t i o nh a st h eb r o a da p p l i c a t i o ns p a c e a n dt h eg o o de c o n o m i ce f f i c i e n c y , a t t r a c t sd o m e s t i ca n df o r e i 印s c h o l a r sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n a tp r e s e n t , 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 m sa r em o s t l yb a s e do nd s p + f p g as y s t e ma r c h i t e c t u r e ，b u tt h i ss y s t e mu s eo n l yo n ed s pc o r e ( t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ) ， w h i c hc a nc o m p l e t ei m a g ea c q u i s i t i o n , i m a g ep r o c e s s i n g , a n dc o m m u n i c a t i o nw i t ht h e p e r i p h e r a l c i r c u i t s t h ew h o l es y s t e mn o t o n l y c a nr e d u c e c o s t s ，s h o r t e nt h e d e v e l o p m e n tc y c l e ，a n da l s oc a nr e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e di r i sr e c o g n i t i o n s y s t e m t h ew o r ki sc o m p o s e do ft h ef o l l o w i n gs e v e r a lp a r t s i r i sr e c o g n i t i o n sh a r d w a r et e a mh a sc o m p l e t e dt h ea r c h i t e c t u r eo fe m b e d d e di r i s r e c o g n i t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed s pp r o c e s s o rm o d u l e ，p o w e rm o d u l e s ，m e m o r y m o d u l e s ，v i d e oi n t e r f a c em o d u l ea n ds oo n t h ei r i sr e c o g n i t i o nh a r d w a r et e a mt o g e t h e rd e b u g st h ew h o l es y s t e m sh a r d w a r e m o d u l e ，a n dd e v e l o p st h ec o r r e s p o n d i n gl o w - l e v e ld r i v e rm o d u l e s c o m p l e t e dt h et r a n s p l a n to ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c o s i io n t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，i tr u n ss t a b l yi nt h et m s 3 2 0 d m 6 4 2 c o m p l e t e dt h ee n t i r ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to fi r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m ，b a s e do n u c o s - - i ia n dt h el o w l e v e l d r i v e r , t r a n s p l a n t e dt h ei r i sr e c o g n i t i o na l g o r i t h mt ot h e s y s t e mw i t hcl a n g u a g e ，a n do p t i m i z e dt h ep r o g r a mt h r o u g hm a n yw a y s t r a n s p l a n t e dt h eo p e n - s o u r c et c p i pp r o t o c o ls t a c kl w i pi nt m s 3 2 0 d m 6 4 2 c o m p l e t e das i m p l ee m b e d d e dw e bs e r v e r , a n di ti sa b l et oc o m m u n i c a t ew i t ht h e o u t s i d ew o r l d s t a b i l i t y f i n a l l y , t h ep a p e rc o m p l e t et h ed e s i g no fh a r d w a r es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h e h d e v e l o p m e n to fl o w - l e v e ld r i v e r , t h et r a m # a n to fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s a n d t c p i pp r o t o c o ls t a c k t h ed e v e l o p m e n to fs y s t e ma p p l i c a t i o n a n ds oo n e a c hm o d u l e c o d d 眦s t a b l y , t h ew h o l es y s t e mc a na c h i e v ea ne m b e d d e d i r i sr e c o g n i t i o ns y s t 锄s b 勰i c 如n c t i o 璐b e c a u s et h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o l l o w st h es t a n d a r d ，i t f a c i l i t a t e ss y s t e mu p g r a d e so rs e c o n dd e v e l o p m e n ti nf u t u r e k e y w o r d s ：i r i sr e c o g n i t i o n , d s p , u c o s - i i ，l w i p , c c s ， 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：邀，垒 日期：0 2 p 年s 月? 手日 论文使用授权 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：遂导师签名： 日期：必卜年s 月2 午日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在当今这个科技高度发达的信息社会，人类生活的各个方面都需要使用身份 识别。传统的身份识别方法( 如使用身份证、护照、钥匙、智能卡、密码、口令 等) 都存在很多问题，如携带不方便、易伪造、易遗失、因使用不当而损坏或不 可读、密码容易被破解等，其安全性、可靠性差，给身份认证的使用者带来了诸 多麻烦和危险。因此，传统的身份识别技术已经远远落后于时代的要求，人类必 须寻找更为安全可靠、使用方便的身份识别方法。生物特征识别就是在这种背景 下产生的一种新型身份识别技术。 生物识别【l 】是指通过计算机利用人体所固有的生理特征或者行为特征进行个 人身份认证的一种技术。这些生理特征包括指纹、掌纹、脸型、虹膜、视网膜、 声音等用于识别个人的身份。用于生物识别的生理特征通常需要具备以下几个特 征： 普遍性：每个正常人都应该具有这种特征 唯一性：每个人的具有的生理特征都应该不同 可采集性：所选择的生理特征能够通过特殊的仪器进行采集 稳定性：所选择的生理特征至少能够在相当长的一段时间内不变，并且该特 征不随条件和环境的变化而变化 在这些生物识别技术中，虹膜识别技术的起步较晚，但是由于虹膜识别具有 唯一性、稳定性、非接触性等诸多优点，使得它的识别率、错误率等方面的性能 指标都优于其他的生物识别技术。因此，虹膜识别是目前身份识别技术中最有发 展前途的技术之一。 1 2 虹膜识别概述 1 2 1 虹膜的生理结构 人的眼睛的外观图由巩膜、虹膜、瞳孔三部分构成。巩膜即眼球外围的白色 电子科技大学硕士学位论文 部分，约占总面积的3 0 0 , 6 ；眼睛中心为瞳孔部分约占5 ，它会随着光线强弱的变 化，产生收缩或扩张，牵引虹膜变化：虹膜位于巩膜和瞳孔之间，呈近似圆形， 其中包含了最丰富的纹理特征，占据6 5 。从表面上看，虹膜由许多腺窝、皱褶、 色素斑等构成，是人体中最独特的结构之一。虹膜的形成由遗传基因决定，人体 基因表达决定了虹膜的形态、生理、颜色和总的外观。当人类长到8 个月大小的 时候，虹膜整体结构就基本上发育到了足够尺寸，大概在2 3 岁的时候，虹膜进 入了相对稳定的时期。除非极少见的反常状况、身体或精神上大的创伤才可能造 成虹膜外观上的改变，虹膜形貌可以保持数十年没有多少变化。另一方面虹膜 是外部可见的，但同时又属于内部组织，位于角膜后面。要改变虹膜外观，需要 非常精细的外科手术而且要冒着视力损伤的危险。虹膜的高度独特性、稳定性 及不可更改的特点，是虹膜可用作身份鉴别的物质基础。人眼外观图如图l 一1 。 22 虹膜识别的特点 图1 - 1 人瞩外观圈 。o 虹膜识别技术与其他生物识别技术相比较，有以下的优点： ( 1 ) 高独特性：经过科技人员的多方证明，任意两个人的虹膜纹理信息相同的 概率是1 0 - 3 5 e ，即使是同卵双胞胎的虹膜和同一个人的左右眼的虹膜，都是完全 不同的。这个特性是虹膜进行识别的最根本的基础。 第一章绪论 ( 2 ) 高稳定性：虹膜位于人体的眼睛内部，被眼皮和角膜包围着，没有直接暴 露于外面，不容易被外界物质损伤，而且它的内部有体液流动，使得虹膜很少发 生病变。在稳定性方面，相比于那些容易受到外界伤害，而导致特征信息更改的 生物识别来说，虹膜识别具有绝对的优势。 ( 3 ) 天然的防伪性：由于虹膜中间的瞳孔会随着光线的强弱，引起非常明显的 收缩或扩张。就可以通过检测瞳孔的变化来判断被检测虹膜是否是活体且真实的 瞳孔。 ( 4 ) 无接触性：虹膜识别系统进行虹膜采集时，只需要被检测者靠近虹膜采集 仪就可以，无需物理接触。相比于指纹识别、掌纹识别这些接触式采集，虹膜识 别会让使用者更加舒适、卫生。 1 2 3 虹膜识别与其他生物识别的对比 测试机构分别对生物识别技术中的虹膜识别、指纹识别、掌型识别和面部识 别进行了大量的科学测试【2 1 ，得到了如表1 1 所示的结果。 表1 1 各种生物识别的安全等级 方法编码方式误识率误拒率 安全等级 虹膜识别虹膜结构1 1 2 0 00 0 0 0 1 - 0 2 高 指纹识别指纹纹理 1 1 00 0 02 0 - 3 o 中 掌型识别手掌面积、长1 1 0 0 0 l o 0 低 度、厚度 面部识别脸部轮廓、形状1 1 0 0 1 0 - 2 0 低 和眼鼻分布 其中，误识率是指系统将冒充者误认为生物特征拥有者的错误率。误拒率是 指系统拒绝真正的生物特征拥有者而造成的错误率。从表中，我们可以看出虹膜 识别在生物识别技术中安全等级和准确度都是最高的。虽然虹膜识别技术拥有上 面的优势，然而不可否认的是虹膜识别技术对虹膜采集仪的要求非常苛刻，导致 了其产品的成本过高。总而言之，虹膜识别技术是当前生物识别技术中最值得推 广的技术之。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 虹膜识别技术的历史和现状 1 3 1 虹膜识别技术的历史 1 9 世纪8 0 年代就有人用虹膜进行身份识别，但是直到最近二十年，虹膜识别 技术才有质的发展【2 1 。 1 9 8 5 年，a l p h o n s eb e r t i l i o n 在巴黎的监狱中利用囚犯的虹膜结构和颜色用于 区分同一监狱中的不同囚犯。 1 9 8 7 年，眼科专家a r a ns a f i r 和l e o n a r df l o m 第一次提出了利用虹膜图像进 行自动身份识别的概念，但是他们并没有实际设计出一个虹膜识别系统。 1 9 9 1 年，j o h n o s n 在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室内实现了人类文献记载的最 早的自动虹膜识系统。 1 9 9 3 年，d a u g m a n 在英国剑桥大学率先提出了基于g a b o r 变换的虹膜识别系 统算法，它的这个算法使虹膜识别技术有了突破性的发展。 1 9 9 4 年，w i d e s 在普林斯顿大学提出了基于图像注册技术的虹膜认证系统， 为虹膜的注册和匹配打下了基础。 1 9 9 7 年，b o l e s 在昆士兰大学提出了基于零交叉小波变换的虹膜识别算法，该 算法解决了以往系统受漂移、旋转和比例缩放带来的局限。 1 3 2 虹膜识别技术的现状 美国的i r i d i a nt e c h n o l o g y 公司是虹膜识别厂商中技术最为先进的，它的大部 分技术都来源于虹膜识别算法的鼻祖d a u g m a n 教授的专利，而且它还和国际上知 名的电气设备供应商合作，开发出多款产品，已经在北美和欧洲应用。美国德克 萨斯州联合银行的三个营业部都已经应用了l r i d i a nt e c h n o l o g y 公司的虹膜识别产 品，储户每次办理业务时，只需要扫描一次眼睛，就可以根据需求办理业务了， 再也不用记忆密码或者携带银行卡了。 美国眼票公司设计的“虹膜通行证”已经在美国北卡罗来纳州夏洛特道格拉 斯机场正式启用了，大大减小机场安检人员的工作，而且加快了旅客进出港的速 度。 韩国的l g 公司和i r i s c a n 公司联合开发了的具有网络通信功能的虹膜识别门 禁，该产品在虹膜识别技术的基础上，再加上强大的网络系统，使得该产品使用 更加方便，应用更加广泛。 4 第一章绪论 由于虹膜识别技术本身的难度，国内在虹膜识别技术的研究上起步较晚。目 前，中科院自动化所已经在2 0 0 1 年成功开发出具有我国自主知识产权的虹膜识别 系统原型，其成果在国内属于领先，并申请了很多关于虹膜识别的专利。上海交 通大学、浙江大学等几所院校的科研团队也对虹膜识别技术进行了深入研究，并 取得了不错的成果。原先虹膜识别技术的核心算法只有发达国家的少数几个公司 拥有，现在国内的虹膜识别研发单位都已经拥有了自己的核心算法，硬件外设问 题也已经攻破，并设计出产品的原型，但是相比国际水平还有一点的差距。但是， 我们相信随着信息安全技术在国内逐渐被重视，虹膜识别技术也将在未来的几年 内有跨越式的发展。 1 4 课题的研究内容及章节安排 1 4 1 课题来源 本学位论文的主要研究内容得到了中山市科学技术局项目“基于虹膜的识别 方法研究”( 编号2 0 0 3 a 0 2 4 ) 、广东省科技计划项目“实时虹膜识别系统研究( 编 号2 0 0 6 8 3 7 4 3 0 0 0 2 ) 、国家自然科学基金“虹膜识别理论及其应用研究 ( 编号 6 0 4 7 2 0 4 6 ) 的资助。 1 4 2 课题的研究内容 本课题主要研究的内容是基于d s p 的嵌入式虹膜识别系统。工作有如下几个 方面： ( 1 ) 与虹膜硬件团队一起，根据嵌入式虹膜识别系统的实际需求，设计出满足 要求的嵌入式虹膜识别系统的原理图。 ( 2 ) 与团队一起调试设计的硬件电路板，使核心处理器和外设电气设备都能够 正常工作。 ( 3 ) 负责嵌入式虹膜识别系统的底层驱动开发。 ( 4 ) 在嵌入式操作系统u c o s i i 的基础上，结合底层驱动，完成嵌入式虹膜 识别系统的应用程序开发。 ( 5 ) 完成基于d s p 的虹膜识别算法的移植和优化。 ( 6 ) 测试整个虹膜识别系统。 电子科技大学硕士学位论文 1 4 3 论文的章节安排 本文所设计的虹膜识别系统总体可以分为两个部分：第一部分就是虹膜识别 系统的硬件开发，第二部分就是虹膜识别系统的软件开发。硬件部分主要介绍了 整个系统的核心芯片和外设接口。软件部分主要围绕整个嵌入式虹膜识别系统的 应用程序开发介绍。 本文共分为六章，每章的内容如下： 第一章本章主要介绍了虹膜识别系统的研究背景和意义，对虹膜识别系统的 历史和现状进行了介绍。并总结了本文的主要内容和各章节的内容安排。 第二章本章首先介绍了虹膜识别的原理，然后介绍了整个嵌入式虹膜识别系 统的核心处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的架构和基本外设。 第三章本章围绕虹膜识别系统的硬件框架图，依次介绍了整个系统的外设连 接图及其原理，并结合实际使用，介绍了整个硬件系统的驱动开发。最后，总结 了一些硬件调试经验。 第四章本章首先介绍了嵌入式操作系统在d s p 上的移植，然后介绍了嵌入式 虹膜识别系统的应用程序开发。最后，介绍了虹膜识别算法在d s p 上的移植与优 化。 第五章本章首先介绍了t m s 3 2 0 d m 6 4 2 网络模块的底层驱动，然后介绍了 t c p i p 协议栈l w i p 的工作原理，然后介绍了l w i p 在d s p 上的移植与应用 过程。 第六章对整个嵌入式虹膜识别系统做一个总结，同时指出当前系统存在的不 足，提出将来工作的方向。 6 第二章虹膜识别系统 第二章虹膜识别系统 2 1 虹膜识别系统的基本原理 虹膜识别系统的算法包括五部分，它们分别是：虹膜图像的采集，虹膜图像 的预处理，虹膜的定位和归一化，虹膜信息的编码，虹膜信息的匹配。虹膜识别 系统的算法流程图如图2 1 所示。 图2 1 虹膜识别算法流程图 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1 虹膜图像的采集 虹膜图像的采集是整个虹膜识别系统中第一步，也是最重要和困难的一步。 因为虹膜的直径大概为l 厘米，不同肤色的人的虹膜颜色有着非常大的差别。正 是由于虹膜的特殊性，所以虹膜的采集装置都需要由特殊的摄像器材制成。要求 它的镜头能够自动对焦并且有一定深度的景深，否则很难采集到清晰且可供后期 处理的图像。虹膜采集的过程对光线有非常严格的要求，普通的照明光线照在虹 膜上，只能形成一块一块的光斑，不能把虹膜的细节表现出来；光线太强，对入 眼的刺激太大，光线太弱，不能把虹膜的细节显示出来。目前国际上的虹膜采集 装置都是用的红外光线来克服上述困难，我们在本次设计中也采用红外光线作为 虹膜采集仪的光源。 2 1 2 虹膜的预处理 为了提高虹膜图像的质量，我们在设计虹膜采集仪时做了很多工作。但是实 际使用时，所采集到的图像并不能全部都满足后续的图像处理要求。所以我们这 一步就通过设定一定的阀值，把那些质量不高的图像筛选掉，并重新开启采集过 程。造成虹膜图像质量不高的原因有：( 1 ) 由于人体在虹膜采集的过程中，不可 能达到完全静止，这样会导致采集到的图像有运动模糊，使得采集到的虹膜信息 不足，甚至丢失。( 2 ) 采集时，眼睛睁开的不大，导致下眼皮或者睫毛遮挡了虹 膜区域，使得有效的虹膜区域太小。这些原因都会导致后面的图像处理出错，最 终出现拒识或者误识。因此，我们增加了预处理这一步，为后续工作做准备。 2 1 3 虹膜定位和归一化 采集到的虹膜图像包含很多非虹膜区域，例如：眼睫毛，人脸，瞳孔等，这 些区域对虹膜识别没有任何用处，我们通过虹膜的内外圆定位算法来去除这些无 效区域。由于每次采集时人眼与采集仪的距离都不可能完全相同，这就造成了同 一个人采集到的虹膜图像大小不一样；每次采集时人头与采集仪的角度也不可能 完全相同，这也会造成同一个人采集的虹膜图像的角度不一样。为了解决上诉问 题，我们采用了归一化( 对原图进行坐标变换) 的方法，因为归一化后的虹膜图 像具有旋转不变性和瞳孔收缩不变性。 8 第二章虹膜识别系统 2 1 4 虹膜信息编码 归一化后的图像，数据量非常大，不易存储而且也不易进行后续的匹配工作， 所以我们通过对虹膜信息进行编码，把对匹配有用的信息进行编码，形成对应的 特征向量，这样就易于后面的存储和匹配了。 2 1 5 虹膜信息匹配 虹膜信息匹配就是把编码后的特征向量和虹膜库里的特征向量进行逐一的比 对，通过计算对应的汉明窗来判断是否属于同一个人的虹膜。 2 2 虹膜识别系统简介 目前国际上通用的虹膜识别系统主要有两种开发平台，一种是p c 平台，另一 种是嵌入式平台。p c 平台的虹膜识别系统的优点是：运算速度快，可以存储海量 的虹膜特征向量，建立巨大的虹膜库，但是它的缺点也非常明显，就是整套设备 的体积巨大，可移动性差：所以它常用于那些数据库大，且要求识别速度快的场 合。嵌入式平台的虹膜识别系统则是一个相对独立的系统，可以在不连接计算机 或者其他设备的情况下实现虹膜识别，常用于移动性要求高，且数据库不大的场 合。我们的这个虹膜识别系统就是在嵌入式平台下开发的，而整个系统的核心芯 片用的是t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，下面这一小节将具体介绍这款芯片。 2 3t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 介绍 原来的嵌入式虹膜识别系统是由t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b + f p g a 构成， t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 主要完成图像处理算法和与外围电路的通信的工作，f p g a 主要 完成图像的采集工作。而t m s 3 2 0 d m 6 4 2 由于已经有了图像采集模块，所以我们 仅仅一个单d s p 就能够完成原来d s p + f p g a 才能完成的工作。这样不仅节约了产 品的成本，还缩短了开发周期，降低了开发难度。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是t i 公司针对数字多媒体推出的一款定点d s p 。d m 6 4 2 在主 频7 2 0 m h z 下处理速度达到5 7 6 0 m i p s ，非常适合在数据量非常大的图像处理中应 用。片上的资源也非常的丰富，只要设置对应模块的寄存器，就能够使d s p 全速 运行，并能稳定且安全的与外围电路通信。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 3 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的特点 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 主要用于多媒体的音视频信号处理领域，所以它在运算速度和 外围接口方面表现非常突出【3 1 。其主要特点如下： 采用了哈佛结构和流水线技术 系统时钟频率：5 0 0 、6 0 0 、7 2 0 m h z ，每个周期可以执行8 条3 2 位指令 片内采集两级l 1 l 2 高速缓冲结构。1 6 k b 的l 1 p 程序缓冲( 直接映射) ， 1 6 k b 的l i d 数据缓冲( 两路结合设置) ，2 5 6 k b 的l 2 标准映射片内r a m 高速 缓存( 可以自由选择) 片内有6 个a l u ，每个功能单元支持每个时钟周期3 2 位算术操作，或双 1 6 位比特算术操作，或4 个8 位比特算术操作：2 个乘法器支持每个时钟周期4 个1 6 1 6 位的乘法或者8 个8 * 8 位乘法 存储器是以字节编制，数据和程序空间统一编制。 6 4 位外部存储接口，支持异步存储器( s r a m 和e p r o m ) 和同步存储器 ( s d r a m ，s b r a m ，z b ts r a m 和f i f o ) ，总共有1 0 2 4 m b 可寻址的外部存储空间 集成了丰富的片上外设。它们分别是：g p i o 通用输入和输出模块，m c a s p 多通道音频串口模块，t i m e r 定时器模块，m c b s p 多通道缓冲串口模块，1 2 c 模 块，l o m 1 0 0 m 以太网控制器模块等。 2 3 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c p u 结构 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c p u 结构图如图2 2 所示。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c p u 有两组功能单元和两组寄存器组。每组功能单元包含 4 个小功能单元。一组功能单元有l 1 、s 1 、m 1 、d 1 这四个小功能单元，另一个 组有d 2 、m 2 、s 2 、l 2 这四个小功能单元。两组寄存器组包含3 2 个3 2 位寄存器， 总共6 4 个通用寄存器。如图2 2 的a 、b 两侧就是由上述两组带有寄存器组的功 能单元组成。每侧的四个小功能单元可以自由的共享属于该侧的3 2 个寄存器，另 外，每侧都含有一个“交叉通道”，用于访问另一侧的所有寄存器。这样在 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 中所有的小功能单元都可以通过这个交叉通道访问到所有需要的 操作数。下面就分别介绍这个8 个小功能单元的作用。 2 组数据寻址单元( d 1 和d 2 ) 负责所有的数据在寄存器和存储区之间进行交 换。 2 组m 功能单元主要执行所有的乘法操作，每个m 单元可以在每个时钟周期 l o 第二章虹膜识别系统 内执行2 个1 6 1 6 位乘法，或者4 个8 * 8 位乘法。m 单元也能执行1 6 3 2 位乘法、 带有加减的二重1 6 1 6 位乘法、带有加法的四重8 * 8 位乘法。 2 组s 功能单元和1 组l 功能单元能执行一般算数运算、逻辑运算和分支程序。 其运算结果在每个时钟周期都可以用。 图2 - 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c p u 结构图 2 3 3t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c a c h e 结构 随着现代科技的高速发展，处理器的运行速度已经远远超过了存储器的读写 速度。结果，导致处理器原本只需要一个时钟周期就可以读取出数据，由于存储 器的速度太慢，处理器必须得花费两个时钟周期才能读取出数据。我们同样也可 电子科技大学硕士学位论文 以使用那些高速的存储器，不过它的价格太贵，像我们这种对内存需量较大的系 统使用高速内存的话，会导致开发成本成倍的增加。为了解决上述矛盾，现代的 高速处理器都在其内部开发了c a c h e 这种缓冲结构。它的运行原理如下，当c p u 需要访问存储器中的数据时，它就先在c a c h e 中查找，如果找到了这个数据，它 就直接读取出来，如果没找到这个数据，它就从下一级c a c h e 或者存储器中去查 找，找到后，就把数据传给高速处理器，并在c a c h e 中该地址对应的位置记录下 数据，以供处理器下一次使用。由于c a c h e 设计的非常巧妙，通常处理器访问 c a c h e 命中率较高，而且c a c h e 的运行速度非常快，这样就可以大大缩短处理 器读写数据的时间。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c a c h e 缓冲有两级组成 4 1 。其结构如图2 3 所示。第一级 是l ic a c h e 。它由1 6 k b y t e 的l l 数据c a c h e 和1 6 k b y t e 的l l 代码c a c h e 组成，我们无法控制这一级的c a c h e ，它的整个控制过程都是由d s p 自动完成 的。第二级是l 2c a c h e ，它是由数据和代码c a c h e 公用的，它的大小最大为 2 5 6 k b y t e ，因为这2 5 6 k b y t e 可以根据用户的需要，拿出来一部分作为片上r a m ， 剩下的作为l 2c a c h e 。由于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 有c a c h e 缓冲结构，使得d s p 在 处理大型数据时，运行速度非常的快。 图2 3t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c a c h e 结构 1 2 第二章虹膜识别系统 2 3 4t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的硬件配置 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的硬件配置与t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 其他系统的d s p 稍有不同。主 要的差异在于p l l 模块。其他系列的d s p 的p l l 模块，都是用户在程序中去配置， 而t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的p l l 模块，是用户通过拉高或者拉低c l k m o d e 引脚来实现。 图2 - 4 p l l 模块的结构图 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的p l l 模块的结构图如图2 - 4 所示。c l k m o d e 0 ：l 】控制了 c 删的倍频效果。其倍频结果如表2 1 所示。我们选择的c l k i n 频率是5 0 m h z ， c l k m o d e 0 ：i 配置为o l ，这样它的p l l 的倍频结果就是c p u 工作频率是 6 0 0 m h z 。从图中可以看出，e m i f a 模块需要的频率是由a e a 2 0 ：1 9 控制，我们 把a e a 2 0 ：19 设置成o o ，那么e m i f a 的频率就是由e c l k i n 外部引脚单独提供。 我们把它的频率设置成1 3 3 m h z ，这样能够满足s d r a m 的工作频率。 表2 - 1p l l 倍频结果 c l l 洲o d e lc l k m o d e oc l k m o d ec l k i nc p uc l k o u t 4 c l k o u t 6 ( m h z ) c l o c k ( m h z )( m h z ) ( m h z ) 00 掌1 ( 旁路) 3 0 7 5 3 0 k 7 5 7 5 l8 8 5 1 2 5 ol木63 0 7 51 8 m 4 5 04 5 1 1 2 53 0 7 5 1o，1 1 23 0 7 536 0 , - - 6 0 09 0 1 5 06 0 1 0 0 ll 保留 1 3 电子科技大学硕士学位论文 我们通过配置t o u t i l e n d i a n 引脚上拉，选定了系统的存储模式为小端存 储，通过把a e a 【2 2 ：2 1 】设置成l i b ，选择了系统的上电方式为8 位f l a s h 自举上 电方式。整个f l a s h 自举上电过程将在后面的章节做详细说明。 2 3 5t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的e m l f a 接口 d s p 需要访问片外存储器时，必须通过外部存储器接口( e m i f a ) 。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的e m i f a 能够与多种位宽的存储器通信，如8 位、1 6 位、3 2 位 等。当e m i f a 要访问1 6 位、3 2 位、6 4 位宽度的存储器时，t m s 3 2 0 d m 6 4 2 能够 自动的把字节打包成对应的宽度。 e n h a n c e d d a t am e m o r y c o n t r o l l e r e m i f c o n t r o l r e g i s t e r s a r d y s o e 3 _ _ _ - 棚 a o f _ j s d r a s s o e i m u x e d aresdcassadsisreasynchronoussdram a w f _ j s d w e s w ej s y n c h r o n o u sm e m o r yc o n t r o l h o l d h o l d a b u s r e q p d t s d c k e l 图2 5e m i f a 的硬件接口图 如图2 5 所示t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的e m i f a 硬件接口图。它的主要特点有： t m s 3 2 0 d m 6 4 2 支持目前大部分的存储器。如：s b r a m 、s d r a m 、s r a m 、 r o m 、f i f o 等，大大方便了我们系统的架构。由于t i 公司对应于每种器件都有 对应的a p i 函数可供使用，这样也大大降低了我们的开发难度。 e m i f a 模块的时钟选择也非常自由。可以单独外接一个高频晶振，或者使 用p l l 倍频了的时钟频率。 本系统只使用了e m i f a 接口中的c e 0 和c e l 空间。其中，c e 0 空间接的是 s d r a m 存储器，c e i 空间接的是f l a s h 存储器。详细的连接和配置过程，将在 1 4 酷引纽田时治引懈眦固睡 、l_j 删瞅瞅 丽 黜一黜耐附一呷蔚 第二章虹膜识别系统 后面的章节做具体说明。 2 3 6t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的外设模块 ( 1 ) t i m e r 模块 d m 6 4 2 中有三个t i m e r 模块，它的计数时钟可以来自外部晶振，也可以来 自内部的p l l 模块。通过t i m e r 模块，可以产生一个外部脉冲，可以对d s p 产 生一个时钟中断，可以触发d s p 的一个e d m a 通道。 本系统中的t i m e r 模块，主要在u c o s i i 操作系统中使用，用于任务的超 时计数。 ( 2 ) i 2 c 模块 d m 6 4 2 只有一个标准的1 2 c 模块的接1 2 1 。1 2 c 模块的传输速度可以达到 4 0 0 k b p s ，可以在不到5 0 n s 就消除掉传输端的噪声，并且能工作于主从模式。 本系统主要用1 2 c 来配置音频编解码芯片和键盘控制芯片。由于d s p 只有一 个1 2 c 模块，所以我们就通过使用g p i o 模块控制一个选择器，把原本一个1 2 c 模 块扩展成2 个1 2 c 模块。 ( 3 ) m c a s p 模块 d m 6 4 2 有一个m c a s p 模块，用于建立通用的音频串行接口。它允许的协议 主要有1 2 s ( i n t e r - i n t e g r a t e ds o u n d ) ，t d m ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) ，d i t ( d i g i t a l a u d i oi n t e r f a c et r a n s m i s s i o n ) 。 本系统主要用它来和语音编解码芯片连接，在系统做一个语音提示功能。 ( 4 ) e m a c 模块 e m a c 模块为d s p 和网络系统建立一个有效的通道。e m a c 模块可以在双工 或者半双工模式下，传输速度达到1 0 m b p s 或者1 0 0 m b p s 。而且t i 公司有很强大 的e m a c 模块开发包，大大降低了网络接口的开发难度。 ( 5 ) g p i o 模块 d m 6 4 2 有1 6 个g p i o ，很多都是与其他模块的功能引脚复用。g p i o 的引脚 可以配置为输出或者输入。作为输入时，用户可以通过读取g p i o 模块的寄存器来 读取g p i o 引脚的电平信息。作为输出时，用户可以通过往g p i o 模块的寄存器写 入值，来控制g p i o 引脚的电平。由于g p i o 模块操作的灵活性，用户可以根据传 输协议，自己去模拟对应传输协议的时序，不过这种方法的开发难度较大。 本系统的g p i o 有三个作用。一个是用于接收虹膜采集仪的测距信息。一个是 1 5 电子科技大学硕士学位论文 用来选择1 2 c 模块的通路方向，最后一个是外接一个l e d ，检测处理器是否正常 工作。 2 4 本章小结 本章首先对虹膜图像的基本原理做一个粗略的说明：然后对当前已有的虹膜 识别系统的平台做一个简要的介绍；最后介绍我们这个虹膜识别系统的核心处理 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的整体架构和外围硬件接口。本章没有对外围硬件电路进行 展开性的描述，只是大概讲解了它的功能和作用，因为后续章节将会做详细的描 述。 1 6 第三章嵌入式虹膜识别系统硬件及其驱动设计 第三章嵌入式虹膜识别系统硬件及其驱动设计 在第二章我们已经介绍了本系统与其他系统相比，就是用单d s p 完成图像采 集、传输、识别、输出结果的功能。在本章中，我们将首先介绍整个系统的硬件 框架图，然后再分模块介绍对应的硬件及其驱动的设计。 3 1 嵌入式虹膜识别系统整体硬件框图 图3 - 1 虹膜识别系统整体硬件框图 整个虹膜识别系统分为6 个模块：电源管理模块、图像采集模块、存储模块、 人机接口模块、音频模块、网络接口模块。这个系统中的虹膜采集仪是我们教研 室找镜头公司专门订做的，因为我们之前设计的几个虹膜采集仪，始终无法采集 到高质量的虹膜图片，所以这次我们找公司特制了一个虹膜采集仪。当整个系统 上电后，虹膜采集仪就始终处于监控状态，判断是否有虹膜位于镜头前。当采集 仪