（通信与信息系统专业论文）基于sopc的指纹采集与处理系统的研究.pdf

摘要 随着电子商务的发展和消费类电子的普及，越来越多的领域需要指纹识别 系统。目前，基于d s p 的嵌入式指纹识别系统已经成功应用于考勤、门禁、安 检等领域。同时，随着微电子技术的进步，设计开发能应用在小型微型系统( 如 手机、p d a 等) 的a s i c ( 专用集成电路) 指纹识别认证系统，将具有很强的现实意 义和广阔的市场空间。 指纹识别认证系统的首要任务是采集到高质量指纹图像以保证后续任务的 完成。文章针对这一问题进行了研究，提出了选用f p g a 作为指纹识别认证系 统的核心器件，采用s o p c 的设计方法，自定义设计部分i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 核，依次实现指纹图像采集、存储、显示和处理等功能。该系统使用图像传感 器o v 7 6 2 0 实现指纹采集，论文用v e r i l o g 语言设计s c c b 总线控制器、图像采 集控制器和v g a 显示控制器。 自定义设计的i p 核具有通用性，可方便地移植于其它f p g a 或a s i c 平台。 文章对采集到的指纹图像进行了预处理，开发了空间域滤波、图像分割、 频域滤波等算法，实现了极值滤波和中值滤波处理；设计了方向滤波器，对指 纹图像进行了平滑和增强处理，并实现了二值化和细化操作。 采集部分最终实现了分辨率为6 4 0 x 4 8 0 、开窗大小为3 0 0 x 3 0 0 ，采集帧率达 3 0 f p s 的指纹图像的采集，并通过v g a 显示器实时显示。预处理部分对3 0 0 x 3 0 0 像素的指纹图像进行处理，最终实现指纹纹理的细化处理，为下一步的匹配算 法做好准备。 最后对基于s o p c 的指纹采集与处理系统所完成的工作进行简单总结，提 出了系统存在的问题及解决方法，并对以后的工作进行了展望。 关键字：f p g a ，s o p c ，指纹采集，o v 7 6 2 0 ，s c c b ，v g a ，方向图，细化 a b s t r a c t a l o n ew i t h d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i cc o m m e r c ea n dp r e v a l e n c eo f c o n s u m p t i v ee l e c t r o n i c s ，f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi sr e q u i r e db ym o r ea n d m o r ef i e l d s n o w , i n d e p e n d e n tf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e mb a s e do nd s ph a v e b e e na p p l i e dt ot i m e c a r d ，j a n i t o ra n ds a f e t yi n s p e c t i o nf i e l d s a l o n ew i t hd e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , d e s i g n i n gf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na s i cw h i c hc a nb e a p p l i e dt om i n i t y p es y s t e ms u c ha sm o b i l et e l e p h o n eo rp d a h a v es t r o n gp r a c t i c a l m e a n i n ga n dw i d em a r k e t t h i sp a p e rc h o o s ef p g aa st h ec o r em c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) ，a n da d o p tt h e d e s i g nm e t h o do fs o p c ，d e s i g n i n gs o m ei pc o r e s ，a n df i n a l l yr e a l i z e r e a l t i m e c a p t u r i n go ff i n g e r p r i n ti m a g e ，d i s p l a y i n gt h ec a p t u r e di m a g ev i av g aa n d f i n g e r p r i n ti m a g ep r o c e s s i n g t h ep a p e rd e s i g ns c c b b u sc o n t r o l l e r , i m a g ec a p t u r e c o n t r o l l e ra n dv g a d i s p l a yc o n t r o l l e r t h ec u s t o m i z ei pc o r e sh a v eu n i v e r s a lp r o p e r t y , a n dc a l lb et r a n s p l a n t e do t h e r p l a t f o r m so ff p g a o ra s i c t h ep a p e rm a k ep r e t r e a t m e n tt ot h ec a p t u r e di m a g e ，a n dd e v e l o ps o m e a r i t h m e t i cs u c ha ss p a c ef i l t e r , i m a g ep a r t i t i o n ，f r e q u e n c yd o m a i nf i l t e r , a n dm a k e s m o o t h n e s sa n de n h a n c e m e n tv i ad e s i g n i n gs p e c i a lf i l t e r f i n a l l y , t h ep a p e rd e v e l o p i n t e r r e l a t e da r i t h m e t i ca n dr e a l i z eb i n a r yi m a g ea n dt h i n n i n gp r o c e s s i n g i n c a p t u r ep a r t ，t h ep e r f o r m a n c eo fc a p t u r i n gf i n g e r p r i n t r e a c h6 4 0 木4 8 0 r e s o l v i n g ，3 0 0 木3 0 0w i n d o ws i z i n ga n d3 0f p so ff r a m es p e e d t h ec a p t u r e d f i n g e r p r i n ti sr e a l t i m ed i s p l a y e dv i av g a i np r e t r e a t m e n tp a r t ，t h e3 0 0 木3 0 0s i z i n g f i n g e r p r i n ti sp r o c e s s e da n df i n a l l yr e a l i z et h et h i n n i n go ff i n g e r p r i n t i nt h ee n d ，t h ep a p e rm a k eas u m m a r i z eo ft h ew h o l es y s t e ma n dp u tf o r w a r dt h e p r o b l e m si ne x i s t e n c ea n dm a k ep r o s p e c tf o rl a t e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：f p g a ，s o p c ，f i n g e r p r i n tc a p t u r e ，o v 7 6 2 0 ，s c c b ，v g a ，t h i n n i n g l l 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工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了谢意。 期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 飞， 研究生c 签名，：之、田中导师c 签名，：蔹死彳同期2 0 0 7 ； j 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 生物识别技术( b 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 ) 是利用人体 生物特征进行身份认证的一种技术。生物特征是唯一的( 与他人不同) ， 可以测量或可自动识别和验证的生理特性或行为方式，分为生理特征 和行为特征。 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。 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。 生物识别系统对生物特征进行取样，提取其唯一的特征并且转化 成数字代码，并进一步将这些代码组成特征模板，人们同识别系统交 互进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数掘库中的特征模板进 行比对，以确定是否匹配，从而决定接受或拒绝该人。 人类利用生物特征识别的历史可追溯到古代埃及人通过测量人体 各部位的尺寸来进行身份鉴别，现代生物识别技术始于7 0 年代中期， 由于早期的识别设备比较昂贵，因而仅限于安伞级别要求较高的原子 能实验、生产基地等。现在由于微处理器及各种电子元器件成本不断 下降，精度逐渐提高，生物识别系统逐渐应用于商业上的授权控制如 门禁、企业考勤管理系统安全认证等领域。 由于人体特征具有人体所固有的不可复制的唯性，这一生物密 钏无法复制，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 矗、条纹码、磁k 或钥匙则存在着丢 欠、遗忠、复制及被盗川诸多不利冈素。剀此采川，j i 物“钥匙”，可以 武汉理i ：人学硕十：学何论文 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。生物识别技术产品均借助于现代计算机 技术实现，很容易配合电脑和安全、监控、管理系统整合，实现自动 化管理。 用于生物识别的生物特征有指纹、脸形、虹膜、视网膜、d n a 、 脉搏、耳廓等，行为特征有签字、声音、按键力度等。基于这些特征， 人们已经发展了指纹识别、面部识别、发音识别、虹膜识别、签名识 别等多种生物识别技术。 下表对四类主要的人体生物特征的自然属性进行了比较： 自然属性虹膜 指纹 面部d n a 唯一性冈人而异因人而异因人而异亲子相近同 卵双胞胎相 同 稳定性终身不变终身不变随年龄段改终身不变 变 抗磨损性不易磨损易磨损较易磨损不受影响 痕迹残留不留痕迹接触时留有不留痕迹体液、细胞 痕迹l l 含有 从上表列出的特性可以看出，某一应用领域可能特别需要某种 生物特征，如刑侦应用与指纹识别、亲子鉴定与d n a 等。而指纹 识别可以说是当今应用最为广泛的生物识别技术，主要原因在于其 技术发展已颇为成熟而其采集设备价格又比较低廉，不仅在门禁、 考勤系统中可以看到指纹识别技术的身影，市场上还有更多指纹识 别的应用：如笔记本电脑、手机、汽车、银行支付都可应用指纹识 别技术。因此指纹识别领域的市场潜力巨大，对其相关课题的研究 有很大的现实意义。 1 2 指纹识别技术发展和现状 人类的于掌及其于指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凸凹不平产生 武汉理i ：人学硕十学位论文 的纹路会形成各种各样的图案。这些纹路的存在增加了皮肤表面的 摩擦力，使得人们能够用手来抓起重物。人们也注意到，包括指纹 在内的这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是 说，是唯一的。依靠这种唯一性，就可以把一个人同他的指纹对应 起来，通过对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。目f ； ，从实用的角度看，指纹识别技术是优于其他生 物识别技术的身份鉴别方法。这是因为指纹各不相同、终生基本不 变的特点已经得到公认，近二三十年的警用指纹自动识别系统的研 究和实践为保安指纹自动识别打下了良好的技术基础。特别是现有 的指纹自动识别系统已达到操作方便、准确可靠、价格适中的阶段， 是实用化的生物测定方法。 指纹识别系统有基于p c 机和嵌入式两大类，这两类从功能上均可 分为采集和处理两大部分，基于p c 机的指纹识别系统依托于p c 机的 高速c p u 和操作系统平台上完善的开发工具，具有系统速度快、算法 开发容易的特点；而嵌入式的指纹识别系统的速度较慢，开发算法也 较困难，但是其适用范围广，具有更强的通用性。像门禁、考勤领域 所用的指纹识别系统均是嵌入式系统【1 1 。 指纹识别技术经过多年的发展，已广泛应用于社会的多个领域， 技术上也比较成熟，主要体现在r 订场上有多种指纹采集设备可供选择， 有光学摄像头、电容式或电感式的专用指纹传感器；另外，指纹图像 的处理算法也应用于产品，只是其速度和可靠性还需进一步提高。 3 武汉理i ：人学硕t 学恃论文 第2 章系统方案与总体结构设计 本章针对实际应用要求以及日前技术背景，埘自动指纹识别系统 ( a f i s ) 总体结构进行分析，提出研究的目标、重点以及方法，井制定 了具体的设计方案，建立了相应的开发环境。 2 1 系统方案论证 2 1 i 指纹图像采集 指纹图像采集是自动指纹识别系统的最前端，是对指纹处理的第 一步，其原理足通过各种指纹传感器把指纹的纹理特性转化为屯信号， p c 机或嵌入式的m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 对这些电信号进行整理， 从而得到原始指纹图像。 目前市场上采用的指纹传感器从分类上主要分为半导体指纹传感 器和光学指纹传感器。 光学指纹传感器已经有近3 0 年的历史，其原理_ 三要是光学照相和 反射的原理日前国内有厂家可以生产光学指纹传搏秣，其优点是抗 静电能力强，产品成本低，使用寿命长，但对干湿手指的适用性较差。 半导体指纹传感器主要是利用电容、电场( 也即我们所说的电感 式) 、温度、压力的原理实现指纹图像的采集。h 前国内厂家基本上 没有能力7 扛产半导体指纹传感器，主要从国外的进n 。半导体的指纹 传感器又分为由i 状指纹传感嚣( 如图2 1 所示) 和条状指纹传感器( 如图 2 - 2 所示1 。 口口9 同2 - 1 面状半导体传感器图2 - 2 条状半导体传感器图23 光学传感器 武汉理f ：人学硕二 ：学位论文 采用半导体传感器需要定制相应的硬件电路板，而光学指纹传感 器只需设计接口连接板即可，为了降低开发成本，本系统采用光学指 纹传感器，由长春方圆光电技术有限公司生产，如图2 3 所示。 此款传感器采用o m i n i v i s i o n 公司生产的o v 7 6 2 0 作为指纹图像感 光芯片，o v 7 6 2 0 是一款高集成度、高分辨率( 6 4 0 x 4 8 0 ) 的逐行隔行扫 描c m o s 数字彩色黑白视频摄像芯片。其数字视频端口支持6 0h z y c r c b4 ：2 ：21 6 位8 位格式，z v 端口输出格式，r g b 原始数据16 位8 位输出格式和c c i r6 0 1 c c i r6 5 6 格式。内建的s c c b ( s e r i a l c a m e r ac o n t r o lb u s ，串行摄像控制总线) 接口提供了一种简易的控制内 部摄像功能的途径1 2 j 。 o v 7 6 2 0 的功能组成模块框图见图2 4 ，其中包括一个6 6 4 x 4 9 2 的 高分辨率图像数组，一个模拟信号处理器，双1 0b i ta d 转换器，模拟 视频合成，数字数据格式化器和视频输出端口，s c c b 接口及其寄存器， 数字控制包括时序发生器、自动曝光控制和白平衡控制。 v c c n t v c s 。a tfg a m m a 模拟处理 挺 派 8 u o d 刚8 掰雉i 嗣一吲量 v r e q 司 则感嚣放火 iii 曝光检测ll 白平衡检测 引揣黼 s y s - c l r 到说羧时序发生器pi 曩光控别llt o j f t l 蝴l x 型th 。k e fk v s 扣y n c 端h 烈x 赢 y 7 o u v 7 ：o 控制平i l 状d - 寄 存翳维 a w b t h s i ( ) - is b b a 、 r e l t m 图2 4o v 7 6 2 0 功能组成模块框图 5 武汉理l ：人学硕l ：学位论文 2 1 2 指纹图像处理 指纹图像处理是指对采集到的指纹图像进行显示和预处理的操作 过程，具体包括通过v g a 显示器显示所采集到的指纹图像，对指纹图 像执行分割、平滑、增强、二值化和细化等操作。 本系统充分利用f p g a 的高集成度、可定制性的优点，设计了v g a 控制器，实现了对采集到的指纹图像实时显示的功能。 在预处理方面，常用的分割算法有方向图法、狄度值频数法和方 差法，其中方向图法对纹理方向较清晰的指纹图像有较好的分割效果， 狄度值频数法对脊谷对比度较大的指纹图像分割效果较好，而方差法 具有较强的通用性，不但能够分割纹理清晰、脊谷对比度强的指纹图 像，对那些干扰大、指纹图像杂质多的情况也有很强的适用性，故本 论文采用方差法对指纹图像进行分割。 在对指纹图像进行平滑和增强的处理中，方向图的计算是必不可 少的一步，一幅指纹图像的块方向图对后续的平滑和增强等图像处理 具有重要的作用，块方向图的求取一般有两种方法，一种是先计算每 块的点方向图，通过计算点方向的统计平均而得到块方向图；另一种 称为梯度法，通过s o b e l 模板对指纹图像作卷积，得到指纹图像块的 方向。第二种方法得到的指纹方向较精确，但涉及大量的三角函数运 算，不利于系统速度的提升，故本论文采用第一种方法计算指纹图像 的块方向图。 采集到的指纹图像不可避免会有很多杂质，且纹理对比不够清晰， 需要沿方向图设计平滑和增强滤波器，本文根据块方向图的特性，设 计了八方向的平滑和增强滤波器，可以有效地实现指纹图像的平滑和 增强。 二值化是通过设定阈值对指纹图像实现二元狄度的操作过程，分 为固定闽值和自适应阈值两种划分方法，由于指纹图像本身灰度不均 的特点，同定闽值的划分方法已不常用，较常用的是堆二j i 方向图的阈 值设定禾i 块甲均厌度阈值设定这两种自适应的方法，根据指纹图像的 特点，本文提 f 一种新的阈值设定方法一区域自适应阈值法，可以有 效地实现指纹【刳像的二值化处理。 武汉理i ：人学硕l ：学何论文 细化是在不影响纹线连通性的原则下，删除二值图像的边缘像素， 直到纹线为单像素为止。o p t a 算法是较常用的指纹细化算法，但是在 三叉点处细化往往不全，细化后脊线不光滑，有许多毛刺，多个判别模 板也影响处理速度。论文研究实现了更加简单有效的邻域模板索引法， 能够快速准确地实现细化处理1 3 1 2 2 总体方案设计 2 2 1 系统需求分析 传统的指纹识别系统大多基于d s p 或者采用d s p + c p l d 的架构， 这是因为d s p 的运算能力较强，而c p l d 在底层控制方面有优势。而 随着f p g a 技术的发展，现在的中高端f p g a 已集成片内c p u 和乘法 器，高端硬核c p u 的工作频率可达6 0 0 m h z ，再加上f p g a 原有的在 底层时序控制和并行处理方面的优势，使得f p g a 在系统控制和数据 处理方面应用越来越广泛，已经有替代d s p 之势。 本系统的设计目的是实时采集、显示指纹图像，并开发指纹预处 理算法，实现指纹图像的二值化、细化等操作，最终目的是做成高集 成的a s i c 指纹识别硬件芯片。出于这个目的，系统开发过程中选用基 于f p g a 的开发方案，由于要实现较复杂的图像处理算法并考虑提高 整个系统的灵活性，本系统最终决定采用内嵌c p u 的高性能f p g a 。 低端f p g a 由于没有内置c p u ，只能实现硬件逻辑的可编程，无法实 现基于c p u 的软件程序；而高端f p g a 不但可以实现硬件电路的灵活 配置，而且因为内置c p u ，还可以实现基于c p u 的软件程序，实现软 硬件均可编程的s o p c 系统( s y s t e m o n a p r o g r a m m a b l e c h i p ) 。 2 2 3 系统设计方案 根据系统需求分析，又考虑到了- f ：发阶段系统的软硬件需要不断调 试，本系统最终选用x i l i n x 公卅的x u pv i r t e x i lp r o 丌发系统作为主 控端丁f ：发平台，相对于自己设计丌发板，降低了硬件电路丌发的成本， 把系统开发的主要难度集中在f p g a 硬件逻辑电路和指纹处理算法的 武汉理i ：人学硕十学位论文 研究上1 4 i l5 1 。开发板见附录1 所示。 此开发系统的性能指标和资源如下： 幸一颗x c 2 v p 3 0v i r t e xi i p r o 系列f p g a ，集成2 个支持7 0 0 m h z 的p o w e r p c 4 0 5 硬核，集成8 个3 1 2 5 g b p s 的r o c k e t i o 串行收 发器，大约1 5 0 万f - 1 ，3 0 8 1 6 个逻辑单元( l o g i cc e l l ) ，1 3 6 个 1 8 x 1 8 b i t 乘法器， 1 3 6 个1 8 k b 的r a m 块，最大2 4 4 8 k b ，最大分布式r a m 为 4 2 8 k b ，8 个d c m ( 数字时钟管理单元) ，最大6 4 4 个用户i o 。 幸支持最大2 g 的d d rs d r a m 配备s y s t e ma c e 控制器和用于配置f p g a 和数据存储的c f 卡接口 u s b 调试接口 幸高速配置f p g a 的f l a s hp r o m 芯片 宰1 0 1 0 0 以太网m a c p h y 设备 宰r s 2 3 2 串口 宰p s 2 鼠标键盘接口 宰4 个l e d ，4 个开关，5 个按钮 掌6 个带过电压保护的扩展接口 木可用于差分和普通应用的高速i o 接口 簟a c 、9 7 立体声解码器 堆麦克风，线性输入 3 个s a t a 接口，2 个主设备接口，1 个从设备接口 拳最大支持16 0 0 x1 2 0 0 分辨率，7 0 h z 刷新率的s v g a 接口 奉带用户外接时钟扩展的m g t 连接 宰10 0 m h z 的系统时钟，7 5 m h z 的s a t a 时钟 掌支持g o l d e n 和u s e r 模式的f p g a 配置比特流 主控端月：发平台通过扩展连接板( 电路图参见附录2 ) 与前端指纹 采集头相连。整个系统从功能上分为指纹图像采集显示和指纹图像预 处理两部分。 系统结构椎图如i 刘2 5 所示。 8 武汉理i ：人硕1 ：学位论文 平 ：4 0 苎一 _ _ 。_ 。_ 一 、 ，卜 d c r 总线瓯庳i 司 、l 。、 o p b 总线 - _ _ 一。一一7- 一_ h 。一- 一不一r 一一 p l b 总线 p l b 2 0 p bi 一晨一- ) _ ，- 止 、 f 一一一笊一 ；一 j 也 茧 吾 蓑莴暑 o 勺 o 至 on p o 星 宝 为 榨 模硬臀 所有硬件逻辑 模 榨 ，j 制 块件暑 i p 核 块 至 制 。 器 器 器 r $ 2 3 2c f 卡 l l 接控制器| | 总线撺制器li 接控制器l 蔷器l接口控制器接口控制器 按键 ii 指纹采集头 lfp c o t 串口i c f 卡 l 图2 5 系统结构框图 从图2 5 可看出，i p 核通过片内总线与p o w p cc p u 相连，这种总线 接口模型采用i b m 的c o r e c o n n e c t 总线结构，它设计了3 种总线、2 个总 线互连的桥以及两个判优器，分别是o p b ( o n c h i pp e r i p h e r a lb u s ) 、 p l b ( p r o c e s s o rl o c a lb u s ) 、d c r ( d e v i c ec o n t r o lr e g i s t e r ) 总线、o p b 2 d c r 桥、p l b 2 0 p b 桥和p l b 、o p b 总线仲裁器。o p b 总线宽度为3 2 b i t ，主要 用于连接外部设备；p l b 总线宽度为6 4 b i t ，主要用于连接处理器、外 部高速缓存和高速存储器，是解决处理器运算瓶颈的总线；d c r 总线 将所有连接在p l b 上的模块通过雏菊花环的方式进行互联配置，通过 它来分配配置信息，减少对o p b 和p l b 总线的带宽占用；o p b 2 d c r 桥实 现o p b 总线与d c r 总线的连结，简化了片内总线接口的访问设计，用 户通过对o p b 2 d c r 桥的o p b 端口读与【! i 】可实现对d c r 总线上l p 核的操作； o p b 桥实现p l b 总线和o p b 总线的旺联。因为p l b 和o p b 的性能差异， 所以设计中o p b 桥在o p b 总线端相当于一个主o p b 设备，而在p l b 总线 端则相当于一个从p l b 设备。这样侄从p l b 设备发出信号时，主o p b 设 备就根据它的可接收情况进行分拆、碴发等等【6 】【7 1 。 图2 5 中硬件逻辑模块实现底层硬件接口或时序逻辑控制，由系 统内置的l p 核( i n t e l l e c t u a lp r o p er t yc o r e ) 和自定义的i p 核组成。 武汉理l ：人学硕十学位论文 内置的l p 核包括d c m ( d i g i t a lc l o c km a n a g e m e n t ) 、 c h i p s c o p e 、p l b b r a m 、d d r 控制器、c f 卡控制器、r s 2 3 2 接口控制器d c m 模块为系统 提供全局同步时钟及时钟的分 频与倍频，其输入输出接口如 r s t 。 g c p uc l k 。 n r 兰 d c rc l k。 r 模 p l bc l k- 1 0 0 m 晶振。 】央 o p bc l k。 图2 6d c m 输入输出关系图 图2 - 6 所示，其中r s t 信号为系统复位信号，1 0 0 m 晶振提供系统输入 时钟，c p u c l k 为c p u 所用时钟信号，频率3 0 0 m h z ，d c rc l k 、 p l b c l k 和o p b c l k 分别为d c r 总线、p l b 总线和o p b 总线的时 钟，频率为1 0 0 m h z 。c h i p s c o p e 是x i l i n x 提供的片内逻辑分析工具， 可以观测总线波形和片内逻辑信号。d c m 和c h i p s c o p e 这两个模块通 过相应端口与其它模块直接相接，不需挂接在片内总线上。p l b b r a m 与片内p l b 总线相连，采用片内b l o c k r a m 定制而成，d d r 控制器实 现与片外d d r 内存条接口。c f 卡控制器提供了与c f 存储卡的接口， 可以存储程序配置数据或用户数据。r s 2 3 2 接口控制器提供标准r s 2 3 2 接口，主要用于程序调试和数据传输【8 l 。 自定义的i p 核包括s c c b 总线控制器、图像采集接口控制器、v g a 控制器，采用v e r i l o g 语言编写。s c c b 总线控制器可对采用s c c b 总 线的外围设备实现配置操作，本文用来对指纹摄像头的工作方式进行 配置；图像采集接口控制器响应用户采集命令，实现3 0 0 x 3 0 0 像素指 纹图像的采集；v g a 控制器设计了v g a 显示接口的控制时序，实现 显存中图像数据的显示，显示分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，本文用来实时显示 采集到的指纹图像吲，自定义l p 核部分将在第3 章详述。 本文的软件工作主要包括两部分，一部分实现用户交互、配置硬 件模块1 ：作方式等功能，将存第4 章详述；另一部分用来实现滤波、 细化等图像处理算法，将在第5 章详述。 所有硬件模块通过总线与c p u 相连，软件程序通过c p u 来执行， 整个系统以c p u 为核心，实现了高效、灵活的嵌入式解决方案。 l o 武汉理i ：人学硕十学位论文 2 3 开发环境的建立 本系统是基于x i l i n x 公司的f p g a 芯片的开发，需要用其提供的 专用开发工具实现特定的功能，经常用到的是i s e ( i n t e g r a t e ds o f t w a r e e n v i o n m e n t ) 和e d k ( e m b e d d e dd e v e l o p m e n tk i t ) 开发套件。 i s e 主要实现硬件逻辑设计，包括主要用于布局布线的p r o i e c t n a v i g a t o r 和用来生成定制i p 核的c o r eg e n e r a t o r 等附属工具。附录 3 为p r o j e c tn a v i g a t o r 的软件界面。 p r o j e c tn a v i g a t o r 的作用在于把硬件描述语言或者硬件电路原理 图转化为门级网表并根据芯片型号实现布局布线。丌发s o p c 系统时， e d k 软件会自动调用i s e 实现综合和布局布线，因此可以在文本编辑 器中编辑硬件描述语言，如e d i t p l u s 、n o t e p a d 等，比较方便、快捷。 e d k 是x i l i n x 提供的用于设计s o p c 系统的集成软件解决方案， 包含主要用于平台搭建的p l a t f o r ms t u d i o 和主要用于软件开发的s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) ，e d k 软件需要以i s e 为基础，在安装i s e 软件以后才能安装和使用e d k 软件。 p l a t f o r ms t u d i o 用来配置s o p c 系统的硬件平台，所有系统中所要 用到的硬件逻辑i p 核均要通过它挂接到片内总线或实现i p 核间的互 连与配置，最终也由它对总线上的所有i p 核分配一个唯一的寻址空间， 通过这段地址，可以在软件程序中实现对l p 核内部资源的访问。附录 4 是p l a t f o r ms t u d i o 的运行界面。 s d k 是基于自由框架平台e c l i p s e 的集成开发环境，支持c 和c + + 语言的编译。e d k 套件中的p l a t f o r ms t u d i o 也可以实现软件程序的丌 发，s d k 与其相比，最大优点在于其是专门用来开发软件程序，其调 试功能大大加强，可以方便地与c h i p s c o p e 结合，实现软硬件的联合 调试。而p l a t f o r ms t u d i o 则更加侧重于硬件平台的搭建，所有的硬件 逻辑模块以及用s d kj f l ：发的软件程序最终是通过p l a t f o r ms t u d i o 有机 地整合在一齐的。附录5 是sd k | j f 发环境的运行界面。 s o p c 系统是一种以内嚣c p u 为核心，硬件逻辑i p 核通过片内总 线与c p u 村i 迮的嵌入式系统。其丌发辛要分为两部分：f p g a 硬件逻 辑斤发和基于c p u 的软件科序开发。 武汉理i ：人学硕十学位论文 f p g a 硬件逻辑丌发的基本流程如图2 7 所示。根据所丌发系统复 杂性的不同，可能会增加时序仿真和软硬件协同调试等附加步骤。 描述语言通过功能通过综合软件 靳断珊 1 仿真验证 _ l 把逻辑代码 电路原理图 逻辑正确性综合成门级网表 图2 7f p g a 系统开发的基本流程 基于x i l i n x 芯片的s o p c 系统的开发流程如图2 8 所示。其与普 通f p g a 系统开发流程的区别主要有两点：一是硬件逻辑要结合m h s 文件( 硬件配置文件) 来产生，此文件包含用户i p 核与总线接v 1 的信息， 以及一些配置参数；二是多了软件的开发流程，其中的m s s 文件包含 了c p u 、操作系统和底层设备驱动的相关配置信息i l 引。 硬件_ 刀：发流程软歼发流程 1 2 武汉理1 ：人学硕十学化论文 图2 8 基于x i l i n x 芯片的s o p c 系统丌发流程 在硬件逻辑设计的流程中，仿真是非常重要的一步，本文用的是 m e n t o r 公司的m o d e l s i m 软件，它能提供友好的仿真环境，是业界 唯一的单内核支持v h d l 和v e r i l o g 混合仿真的仿真器，编译仿真 速度快，编译的代码与平台无关，是f p g a a s i c 设计的首选仿真 软件【11 1 。 另外，对于大规模的复杂逻辑，实现软硬件协同凋试也同样重要， 本文通过片内逻辑分析仪c h i p s c o p e 实现硬件逻辑的在线调试，与e d k 套件中s d k 的软件调试结合，实现软硬件协同调试。 2 4 小结 本章对系统方案进行了论证，简单介绍了实现指纹图像采集所用 到传感器以及指纹图像预处理所用到的算法；分析了系统的设计需求， 指出基于s o p c 系统的丌发模式较传统丌发模式的优势；为了节省时 问和成本，也考虑到开发阶段系统的软硬件需要不断调试，论文采用 x i l i n x 公司的x u pv i r t e x i ip r o 开发系统作为主控端开发平台，文中 简单介绍了此款丌发板的性能指标和常用资源；简单介绍了x i l i n x 的 s o p c 系统要用到的，i b m 公司制定的c o r e c o n n e c t 总线架构；较详细 地介绍了系统开发流程和体系结构，给出了系统结构框图；最后，介 绍了系统设计所需建立的集成开发环境，以及相关的仿真与调试工具。 1 3 武汉理l ：人 - 7 - 硕十。学化论文 第3 章s o p c 系统的f p g a 逻辑实现 3 1s c c b 总线控制器 3 1 1s c c b 总线简介 s c c b 是o m n i v i s i o n 公司定制的串行摄像头控制总线( s e r i a l c a m e r ac o n t r o lb u s ) 协议，用于对摄像头的寄存器进行读写，以达到对 摄像头工作方式的控制。两线制s c c b 是一种二线制同步串行总线。 s c c b 的数据传输由主器件控制，主器件能够发出数据传输启动信号、 时钟信号以及传送结束时的停止信号。通常主器件都是微处理器，它 寻址访问的设备称为从器件。为了进行通讯，每个接到s c c b 总线的 设备都有一个唯一的地址( i d ) ，使用软件来识别总线上的从器件，省去 了从器件的片选，因此，只需要两根线( 串行时钟线s c l 和串行数据线 s d a ) ，挂接到总线上的器件就能相互进行信息传递。组成s c c b 的 s c l 和s d a 必须经过上拉电阻接到正电源上，连接到总线的器件的输 出级必须为“开漏 或“开集的形式，以便在多个主或从需要仲裁 的情况下完成线与的功能。在s c c b 协议中定义开始和停止条件如下： 在s c l 为高电平时，s d a 出现一个下降沿则s c c b 开始传输；在s c l 为高电平时，s d a 出现一个上升沿，则s c c b 停止传输。除了开始和 停止状态，在数据传输时，当s c l 为高电平时，必需保证s d a 上的数 据的稳定，也就是说，s d a 上的数据只能在s c l 为低电平时改变【1 2 】【”】o s c c b 总线采用简单的三相( p h a s e ) 写数据的方式，即在写寄存器 的过程中先发送设备的i d 地址( i da d d r e s s ) ，然后发送写数据的目地 寄存器地址( s u ba d d r e s s ) ，最后发送要写入的数据( w r i t ed a t a ) 。需要 注意的是：s c c b 总线不支持字节的连续读写，在每次读写一个字节后， 必须发送总线停止条件，爿。能继续下一字1 了的读写。其单字节数据传 输时序如图3 1 所示。 1 4 武汉理l ：人 硕一l ：学 谬论文 蠢簸簟捧溅 餮写蜃叠教蠢摩管弦攮盥警停止囊傅 图3 1s c c b 总线数据传输时序图 3 1 2s c c b 总线控制器逻辑设计 s c c b 总线控制器通过响应o p b 总线传来的读写命令实现对摄像 头工作方式的配置，因此其接口关系包括o p b 总线端和摄像头端，接 口模块如图3 2 所示。 u r dl l j 、 一 l r s t 一s c l 一 o p bc o n t r o l j l rs c c b 总线 9 p b _ a d d r c s s 3 1 翻 控制器 一 s d a o p b _ d a t a 3 1 ：0 一 一 17 图3 2s c c b 总线控制器接口模块 上图中o p bc l k 为o p b 总线的时钟信号，频率为1 0 0 m h z ，r s t 为总线复位信号，o p bc o n t r o l 为o p b 总线与用户l p 核交互的控制信 号，o p ba d d r e s s 和o p bd a t a 分别为o p b 总线接口的地址信号和数 据信号，宽度均为3 2 b i t l l 4j 。 由于s c c b 控制器是挂在c o r e c o n n e c t 总线上，需要根据总线数 掘实时改变功能，与片上总线接l j 订j 是s o p c 系统设计的蓬点和难点 之一。本模块的总线接【 设计代码如f ： c a s e ( s l v r e g w r i t e s e l e c t ) 4 b 1 0 0 0 ： b e g i n 武汉理f ：人学硕f ：学何沦文 f o r ( b y t e i n d e x = o ；b y t e i n d e x = ( c d w i d t h 8 ) 1 ； b y t e i n d e x = b y t e i n d e x + 1 ) i f ( b u s 2 l p b e b y t e i n d e x 】= = 1 ) f o r ( b i t i n d e x = b y t e i n d e x 宰8 ；b i t i n d e x = b y t e i n d e x 8 + 7 ；b i t i n d e x = b i t i n d e x + 1 ) s l v r e 9 0 b i t i n d e x 】 = b u s 2 1 p d a t a b i t i n d e x ； c a s e ( b u s 2 1 p d a t a 3 0 ：31 】) 2 b 0 1 ：s h i f t s t a t e = 2 b 0 1 ； 开始状态 2 b 1 0 ：s h i f t s t a t e = 2 b lo ； 停止状态 2 b