（电路与系统专业论文）基于MBF200和USB的数据采集设计方法的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 现代科学技术的发展使得生物技术的应用成为可能，指纹识别技术是新近发 展起来的一项高新技术。指纹识别是利用人体指纹的唯一性及其不变性等生理特 征，将指纹图像进行采集并根据其特征进行应用的一种技术。 指纹数据采集是指纹技术中很重要的环节，因此设计一种性能好、传输速度 高、方便易用的数据采集系统就变得非常重要了。本论文深入地探讨了一种指纹 数据采集系统的设计和实现，对指纹采集部分中的每一部分的原理及其实现方法 进行了详细而彻底的解释。首先，在系统硬件方面，对指纹传感器m b f 2 0 0 、u s b 接口芯片，给出了它们在采集系统中的使用方法以及与微控制器的通信方法，而 在软件方面，本文对采集系统中的上位机软件和下位机软件两大部分分别进行了 设计和实现，下位机软件主要是c 5 1 微控制器与指纹传感芯片、u s b 接口芯片之 间的控制与数据传输程序，而上位机软件主要是数据采集设备驱动程序和用户应 用程序。 本论文深入地研究分析一种具有u s b 接口指纹数据采集系统的设计方法，为 更高性能的采集设备的设计奠定了基础。对于将要进行具有u s b 接口的数据采集 的设计人员来说，具有一定的参考价值。 关键词：m b f 2 0 0p d i u s b d l 2 指纹传感器u s b 低功耗w d m 设备驱动 l l t h em o d e ms c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t c a u s e st h eb i o l o g i c a l t e c h n o l o g yi n t ot h ea p p l i c a t i o nt ob ep o s s i b l e ，t h ef i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y w a sah i 【g h t e c h n o l o g y a n dan e wt e c h n o l o g yw h i c hr e c e n t l y d e v e l o p e d t h e f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ni so n ek i n do ft e c h n o l o g yw h i c hg a t h e r st h ef i n g e r p r i n ti m a g e a n da c t s t oc a r r yo nt h ea p p l i c a t i o na c c o r d i n g 的i t sc h a r a c t e r i s t i cu s i n gh u m a nb o d y p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s f i 器s u c ha st h ef i n g e r p r i n tu n i q u e n e s sa n di t si n v a r i a b i l i t y t h ef i n g e r p r i n td a t aa c q u i s i t i o ni st h ev e r yi m p o r t a n tl i n ki nt h ef i n g e r p r i n t t e c h n o l o g y , t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g no n ek i n do ff i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o n w h i c hi sh i g hs p e e d ，c o n v e n i e n ta n dp e r f o r m sw e l l t h ep r e s e n tp a p e rt h o r o u g h l yh a s d i s c u s s e do n ek i n do ff i n g e r p r i n td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g na n dr e a l i z a t i o n ，a n d d e t a i l e dt h ep r i n c i p l e so fe a c hp a r ta n dr e a l i z a t i o nm e t h o di nt h ef i n g e r p r i n t a c q u i s i t i o n f i r s t ，i nt h es y s t e mh a r d w a r ea s p e c ti th a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i st o f i n g e r p r i n ts e n s o rm b f 2 0 0 ，t h eu s bc o n n e c t i o nc h i pa n ds h o w e dt h ea p p l i c a t i o n m e t h o d a n di nt h es o f t w a r ea s p e c t ，t h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i s ：f i r m w a r c p r o c e d u r ee s t a b l i s h m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md r i v e re s t a b l i s h m e n ta n d u s e r a p p l i c a t i o np r o c e d u r ee s t a b l i s h m e n t t h r o u g ht h ep r e s e n tp a p e rr e s e a r c ha n a l y s i s ，y o uc a nu n d e r s t a n dt h ed e s i g n m e t h o da n di th a st h ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et od e s i g np e r s o n a l sw h oa ng o i n gt o c a r r yo nt h es y s t e mo nu s b k e yw o r d s ：m b f 2 0 0 p d i u s b d l 2 f i n g e r p r i n ts e n s o r u s b l o w p o w e r l o s sw d m e q u i p m e n t d r i v e r 硝拈工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的来源和意义 随着电子科学技术的发展，特别是传感技术、电子信号处理技术、计算机 数据管理技术、计算机网络技术的飞速发展，为指纹识别技术的成型提供了强 大的硬件支持。指纹识别技术是上世纪六十年代兴起的，利用人体指纹的唯一 性与不变性生理特征，将指纹作为人的一种“活的身份证”或一个随身携带的 特殊印章来进行身份识别的一种技术。作为生物特征识别的一种，由于其有着 其他方法不可比拟的优点，从而使得指纹识别技术得到了广泛的应用。 正因为如此，对指纹识别系统中数据采集部分的研究就变得更加有意义了。 数据采集随着科学技术的发展而变得越来越重要，在日常生活和工业领域中尤 为如此，因此提供一种性能优越的数据采集系统的设计方法是非常必要的数据 采集系统一般应该满足两个方面的要求：一方面要求接口简单灵活而且数据传 输率高，另一方面由于指纹采集数据量一般都比较大，因此要求主机能够对实 时数据作出快速响应，且能够进行及时处理和分析。1 9 9 8 年u s b 接口出现，它 是通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的英文简称，它是目前计算机上广泛使 用的外部设备接口由于其价格的低廉、方便灵活的使用方式，u s b 一推出就受 到了广泛的关注。与其它接口不同，u s b 接口规范是完全开放的，获得了前所未 有的生命力。到现在几乎所有的新型的计算机硬件都将其作为新一代的接口， 传输速率由开始的1 1 版本的1 2 m b i t s 到现在2 0 版本的4 8 0 m b i t s ，发展速 度令人惊讶。u s b 技术的日益成熟为数据采集系统的设计带来了历史性的变革， 使数据的传输速率得到了很大提高，体现了系统的实时性。 1 2u s b 技术的发展现状 在1 9 9 6 年，u s b i f 公布了u s b i 1 规范，这是第一个为所有的u s b 产品提 出设计请求的标准。1 9 9 8 年，在进一步对以前版本的标准进行阐述和扩充的基 础上，发布了u s b 标准的1 1 规范。第三个版本的u s b 2 0 发布于1 9 9 9 年。 牌北：f ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 ! ! = = t = = ! = = = = t = ! ! = = , , i ! i t l 自s ! = ! = ! ! ! ! ! e ! = ! = ! ，= ! ! = = = z = ! = = = 日= ! = = 女 当前，u s b l 1 的接口设备采用两种不同的速度：12 m b p s ( 全速) 和 1 5 m b p s ( 慢速) ，其中，慢速主要运用于人机接口上( i e d ) 上，这是一个用于连 接鼠标、键盘、摇杆等设备的u s b 的群组。尽管当前的u s b l 1 的最大带宽速度 为1 2 m b p s ，但是主机端应用程序与其他的接口设备仍占据了部分的带宽。 虽然u s b 2 0 具有热插拔、即插即用、最多可同时连接1 2 7 个设备等功能。 但是其中还是有很多缺点，例如，热插拔多次后往往会造成系统不正常死机以 及连接过多的设备就会导致传输速度变慢( u s b 的传输带宽是由设备共享的) ， 因此，如何改进这些缺点便成为u s b i f 推广组织所要努力的目标。 u s b 2 0 的传输速度最高可以达到4 8 0 m b p s ，即6 0 m b y t e s s ，若要传输1 g b 的数据，u s b 2 0 也只要在1 分钟之内就可以传输完毕，它是u s b i 1 版的4 0 倍， 而且也高于目前的另一种传输接口i e e e 一1 3 9 4 的4 0 0 m b p s 。u s b 2 0 利用传输时 序的缩短以及相关的传输技术，使得传输速度大幅度提高。不过，若要达到 4 8 0 m b p s 的传输速度，还是要使用u s b 2 0 规范的u s bh u b 。当然，各个外围设 备也要重新嵌入新的芯片组以及驱动程序才可以达到这个功能。 另外，u s b 2 0 不但与u s b i 1 一样，具有向下兼容的特性，同样最高可以 连接1 2 7 个设备。更重要的是，在连接端口扩充的同时，各神采用u s b 2 。0 的设 备仍可以维持4 8 0 m b p s 的最高传输速度。在u s b 2 0 规范制定出来后，目前u s b 接口c d r o m 光驱读取速度所造成的限制。到时都可以迎刃而解。当然，目前已 普遍采用u s b 接口的打印机、扫描仪等计算机外围设备，未来也将可以有更快 的传输速度。 u s b 2 0 对许多消费性电子应用，如视频会议c c d 、扫描仪以及外部存储设 备( 硬盘以及光驱) 来说拥有相当大的吸引力。咀目前采用u s b l 1 版规范的视频 会议c c d 来说，用户必须在里面加上特殊的数据压缩引擎a s i c ；但是在新的 u s b 2 0 版下，这个数据压缩引擎可以因为u s b 2 0 版更高的数据传输能力而省 下。因此，采用u s b 2 0 版规范的视频会议摄影机将会变得更便宜，但拥有更好 的分辨率。 1 3 指纹的特点及其采集技术的发展现状 指纹识别是常见的一种生物识别技术，是迄今为止发展最为成熟的生物识 别技术。指纹的特点是其称为生物识别技术的首选。指纹大概有其七个方面的 特点：1 普遍性，既每个人都具有；2 唯一性，即不同的人甚至同一个人不同 的指头，指纹都不相同；3 永久性，即指纹在每个人一生中刁；会改变；4 可采 2 西北l i 业火学硕士学位论文第一章绪论 集性，即可通过不同的设备和手段对指纹进行采集；5 可行性，即在对资源、 环境、操作等要求不是太苛刻的条件下指纹采集可以达到很高的准确率、速度 和鲁棒性；6 可接受性，即人们愿意接受之一方式；7 防伪性能好。指纹的k 述特点使指纹识别技术得到很快的发展。 目前，指纹图像的采集技术主要分为两类：光学技术和电容技术。光学技 术需要一个光源，通过棱镜反射光照亮在取像头内的手指指纹从而采集到指纹 的；电容技术是利用半导体技术，按压到采集芯片上的手指的脊和谷在手指表 皮和芯片之间产生不同的电容，芯片通过测量空间中的不同的电容场得到完整 的指纹。目前应用最多的是电容技术，但是这种技术仍然存在一些缺点，如电 容技术的采集芯片价格昂贵，指纹只能采集部分图像，易于受到干扰等等，而 新一代的光学指纹采集将随着光学取像技术的发展，以无可挑剔的性能和相对 的低价格超过电容技术，可以提供更加可靠的解决方案。现在市场上已能提供 快速的光电转换式或电容感应式指纹采集芯片。使用时只要把手指压到芯片上， 芯片就能检验出这个人指纹上特有的凹凸图像，并且通过传感器将这种指纹信 息传输给相应程序进行处理。随着生物测量技术的发展以及计算机芯片处理能 力的提高，指纹从采集到识别完成对比一般仅需一两秒钟，从而使指纹技术得 到了广泛的应用。 1 4 本论文的主要工作及目的 指纹数据采集是指纹技术中很重要的环节，因此设计一种性能好、传输速 度高、方便易用的数据采集系统就变得非常重要了。本论文深入地探讨了一种 指纹数据采集系统的设计和实现，介绍了一种指纹采集的设计方法，对指纹采 集部分中的每一部分的原理及其实现方法进行了详细而彻底的解释。首先，在 系统硬件方面，对指纹传感器m b f 2 0 0 、u s b 接口芯片进行了分析，给出了它们 在采集系统中的使用方法，而在软件方面，本文对采集系统中的三部分进行了 剖析：固件程序的编制、数据采集系统的驱动程序的编制和用户应用程序的编 制。文章对这三部分的基本原理、程序的实现方法进行了详细的研究与解释。 该系统具有很多其他方法没有的特点，如实时性、使用方便等。 本论文所介绍的指纹数据采集方法只是采集方法中的一种，所设计的系统 有许多优点，也相应地存在一些缺点。这有待于以后不断地完善。文章对于将 要进行具有u s b 接i ：1 的数据采集的设计人员来说，具有一定的参考价值。 堂i 业人学硕士学位论文 第二章指纹数据采集硬件系统组成 ! = = e ! = = z = = = 自= = ! ! ! = ! ! = = = ! ! = = = ! - 第二章指纹数据采集硬件系统组成 2 1 硬件系统的总体结构 整个系统的框图如下图所示： 图2 1 系统硬件结构框图 在本论文所设计的系统中，硬件部分总体上可分为四大部分：i b f 2 0 0 及其 外围电路部分、单片机部分、u s b 接口芯片部分以及主机部分。前三部分可以 说是下位机部分，主机作为上位机部分，上位机与下位机部分互相协调工作， 共同完成系统地采集工作。 t “b f 2 0 0 芯片及其外围电路部分作为硬件的一部分，主要来完成系统指纹数 据的采集以及数据转换( 模数转换) 功能。m b f 2 0 0 是一款直接接触的固态指纹 传感芯片，具有自动指纹识别特性，它的另外一个特性就是功耗特别低当工 作电压为5 伏时，芯片的功耗不大于7 0 毫瓦，功耗非常低。该芯片共有四种工 作模式在本系统中采用了m c u 的工作模式，芯片将采集并转换了的数据及时 传到单片机的存储区，从而完成数据的采集部分。 在本系统中，作为m c u 的单片机主要功能是，充当下位机的控制中心，负 责连接数据采集部分和u s b 接口芯片部分，及时准确地将数据传送给上位机进 行处理。单片机作为控制模块，在整个硬件系统中非常重要。由于数据采集部 分与u s b 接口芯片部分存在速度上的差异，单片机要及时对已经采集的数据进 行读取然后与u s b 芯片部分进行互相通信，通过相应的命令格式发布命令， 使采集到的数据快速地传送到主机。 本系统主要是完成基于u s b 接口的指纹数据采集，因此u s b 接口芯片也构 成系统很重要的一个环节。系统所采用的u s b 芯片是比较常用的一款接l ： 芯片 4 西北一业大学硕士学位论文 第二章指纹数据采集硬件系统组成 一p d i u s b d l 2 ，该芯片通常用于基于微控制器的系统，其通过高速并行端口和 d m a 传输与微控制器进行通信，这样可以使系统的传输速度得到很大的提高。 另外，该芯片实现u s b 接口的方法是采用模块化的设计方法，可以使u s b 功能 更容易地添加到没有带u s b 接口的系统当中。本系统采用此芯片的另外一个很 重要的原因是，它使固件投资可以达到最小，而且能够减少系统的开发时间、 风险和成本，所开发出来的系统具有低成本和高效益的特点，这是一种最侠的 开发途径。 微机作为本系统的上位机部分，主要是通过u s b 接口芯片与单片机进行通 信，向下位机传输控制命令，例如开始数据采集等，并且把采集到指纹数据进 行显示、格式转换等，当然本系统并没有对采集到的数据进行处理，分析数据 的特点，只是完成了数据的采集功能，这些都有待于在以后的工作中进一步的 完善，使系统的功链更加的完善。 2 2 指纹传感器m b f 2 0 0 2 2 1m b f 2 0 0 概述及特点 富士通公司的m b f 2 0 0 固体指纹传感器是一款直接接触的指纹识别芯片。它 具有高性能、低功耗、低成本的特性，是电容性传感器，在传感阵列中有一个 二维的金属电极传感阵列，每一个金属电极充当电容的一个电容板，接触的手 指作为电容的另外一个电容扳，器件表面的钝化层作为两板的绝缘层。当手指 触摸传感器表面时，指纹的高低不平就会在传感器阵列上产生变化的电容，从 而引起二维阵列上电压的变化，并形成指纹传感图像。t d b f 2 0 0 是根据标准的 c m o s 工艺制造而成，传感阵列为2 5 6 x3 0 0 ，有5 0 u m 时间延迟，产生的图像的 分辨率为5 0 0 d p i 。 该芯片的特点是： 电容性固态传感器； 5 0 0 d p i 的分辨率( 5 0 u m 间隔) ； 传感器面积为1 2 8 c m x1 5 0 c m ： 2 5 6 x3 0 0 的传感阵列； 工作电压范围为3 3 v 一5 v ； 特别的硬抗化学的保护涂层； 西北j 业大学硕j ：学位论文 第一：章指纹数据采集硬件系统组成 集成了8 位a d c ： 3 种总线接口，即8 位微处理器( m c u ) 总线接口、集成的u s b 全速接口及集 成的串行周边1 发备接口( s p i ) 标准的c m o s 工艺： 低功耗。当工作电压为5 伏时功耗小于7 0 m w 自动指纹检测。 2 ，2 2m b f 2 0 0 的工作工程 b f 2 0 0 的传感器阵列由2 5 6 行3 0 0 列的传感器单元组成，每一列有两个采 样保持电路，每次捕获一行指纹图像数据。行捕获分为两个阶段，第一阶段， 将电容板的被选行充电到3 ，3 v 或5 v ，在充电的同时，一个内部信号使自& 一个 采样保持电路以采样被选行的电容单元电压；第二阶段是传感器板放电阶段， 放电快慢由放电电流寄存器决定。放电阶段结束后，可由个内部信号使能另 一个采样保持电路去采样电容单元的最后电压，充电电压与放电电压之差就是 所要测量的有用传感信号电压。行捕获结束之后，接着对该信号进行数字化， 从而完成一次采样。该芯片的灵敏度是由放电电流和放电时间寄存器来决定的。 2 2 3 内部结构 其内部结构框图如图所示。 西北。l 业大学硕士学位论文 第二章指纹数据采集硬什系统组成 图2 2m b f 2 0 0 内部结构框图 p o 、p 1 为输出端口，分别由寄存器c t r l c 的位0 和位l 来控制。d 7 ：0 为 双向数据总线，在s p i 和u s b 模式下处于断开状态。a 0 为地址输入端，低电平 时表示选择索引寄存器，高电平时表示选择数据缓冲器，同样地，在s p i 和u s b 模式下处于断开状态。r d 为读允许端，低电平有效。当w r 为高电平时使r d 为 低电平就可以选中芯片从芯片中读取数据了。w r 为写允许端，低电平有效。当 r d 为高电平时使w r 为低电平就可以选中芯片向芯片中写入数据了。w a i t 为等待 输出端口，低电平有效。当读取a o 转换器内容时，如果a d 转换器还处于工作 过程中，则w a i t 将变成低电平，表示需要等待a d 转换器完成转换才能读取数 据。c s o 为低电平有效的芯片选择端，c s l 为高电平有效的芯片选择端，c s o 和 c s l 引脚的功能是由m o d e o 和m o d e l 这两个引脚的状态决定的。具体请见表一。 m o s i 和m o s o 是s p i 模式下的输入输出引脚，其具体状态也是由m o d e o 和m o d e l 这两个引脚的状态决定的。d p 和d m 分别为u s b 的d + 和d 一端数据线，在u s b 模 式下，d p 和v d d 3 之间必须连接一大小为1 5 k 的电阻，而v d d 3 的电压必须保证 在3 3 到3 ，6 伏之间。d p 和d m 都要加一大小为4 3 欧姆的串联电阻。另外，在 m c u 和s p i 模式下，这两个引脚可分别加一上拉电阻至电源或接地。e x t i n t 为外 部中断输入引脚，是可编程弓 脚，可以边缘触发也可以电平触发，可以高电平有 效也可以低电平有效。在芯片的三种工作模式中可以处于断开状念。i n t r 为低 电平有效的中断输出引脚，在无效状态下i n t r 处于高阻状态，当有中断使链事 西北工业人学硕士学位论文 第一二章指纹数据采集硬什系统组成 件发生时被置为低电平。i n t r 只能在m c u 和s p i 模式下使用，在u s b 模式下应 处于断开状态。t e s t 为测试模式允许端，仅为生产厂家使用，用户使用时直接 将此引脚接至v s s 引脚即可。m o d e l 和m o d e o 为芯片工作模式的选择端，两者不 同的取值组合将决定芯片不同的工作模式，具体请看表一。a i n 为输入到a d 转 换器的模拟信号输入端，这可通过设胃c t r l a 寄存器中的位a i n s e l 来实现。特 别建议通过一电阻将此引脚接地。可以通过在i s e t 和模拟地v s s a i 之间接一大 小为2 0 0 k 的电阻来设置内部电流，放电电流是内部电流的一个。可以通过在f s e t 和地之问接一电阻来设景内部多谐振荡器和自动指纹检测频率。这里我们使用 5 6 k 大小的电阻，这样获得振荡器的频率为1 2 删z ，指纹的自动检测采样频率将 是1 2 0 k h z 。x t a l i 和x t a l 2 为内部晶振的输入和输出端。系统如果使用内部晶振， 则直接将晶振电路与这两个引脚相连即可；若是用外部晶振，x t a l i 引脚直接接 外部晶振的输出端，而x t a l 2 引脚处于断开状态。 2 。2 ，4m b f 2 0 0 的操作模式 m b f 2 0 0 共有四种操作模式，通过使用不同的引脚来设置不同的操作模式。 这主要是由芯片的m o d e o 和m o d e l 引脚来决定，具体的设置方法如下表所示。 这四种操作模式分别为：微处理器总线接口( m i c r o p r o c e s s o rb u si n t e r f a c e ) 操作模式、串行外设总线接口( s e r i a lp e r i p h e r a lb u si n t e r f a c e ) 操作模式、 使用外部r o m 的通用串行总线模式( u s bb u sm o d e ，u s i n ge x t e r n a lr o m ) 、使 用内部r o m 的通用串行总线模式( u s bb u sm o d e ，u s i n gi n t e r n a lr o m ) 。 微处理器总线接口( m i c r o p r o c e s s o rb u si n t e r f a c e ) 操作模式微处理 器模式下用到的m b f 2 0 0 的引脚有：d 7 0 、a o 、r d 、w r 、c s o 、c s i 、e x t i n t 、 i n t r 、w a i t 。该系统的时钟信号既可以由m b f 2 0 0 内部的多谐振荡器提供，也可 以利用引脚x t a l l 和x t a l 2 来接外部振荡电路来提供。m b f 2 0 0 有一个地址索引 表来访问其功能寄存器，有一个八位的数据线d 7 0 和一个地址线a 0 ，地址 线在索引寄存器和数据寄存器之间进行选择，a o 为低电平时选择索引寄存器， 为高电平时选择功能寄存器。索引寄存器保存其值直到其被重写或者芯片被重 启。 串行外设总线接口( s e r i a lp e r i p h e r a lb u si n t e r f a c e ) 操作模式分为主 操作模式( m a s t e r ) 和从操作模式( s l a v e ) 两种，s p i 模式用到的弓l 脚有s c l k 、 s c s 、i o s i 、m i s o 、e x t i n t 总共五个。这种模式下的系统时钟既可由内部的多 谐振荡器( m u l t i v i b r a t o r ) 提供，也可出外部x t a l i x i 、a l 2 两个b l 脚接入时钟信 曲拈工业大学硕士学位论文第二章指纹数据采集埂仆系统组成 号。u s b 操作模式和微处理器操作模式此时处于禁用状态。s l a v e 模式下的特点 是：m o s i 在s c k 的上升沿被采样；m i s o 在s c k 的下降沿发生改变；s c k 空闲时 既可为高电平也可为低电平；m a s t e r 模式下，s c k 被限制在1 m h z 范围以内， m a s t e r 模式下的特点是m o s i 在s c k 的下降沿发生改变，m i s o 在s c k 的上升沿被 采样；s c k 空闲时必须被置为高电平。 使用外部r o m 的通用串行总线模式( u s bb u sm o d e ，u s i n ge x t e r n a lr o m ) 这种模式下用到的引脚有：d p 、d m 、s c l k 、s c s 、m o s i 、m i s o 、e x t i n t 、x t a l l 和x t a l 2 。x t a l l 必须由一个频率为1 2 m t l z 的驱动源驱动，或者x t a l l 和x t a l 2 与一个1 2 m h z 的晶振电路直接相连也可。内部的1 2 m h z 多谐振荡器和微处理器 总线处于禁用状态。当发出g e t _ d e s c r i p t o r 命令时可以使用s p i 模式下的串口 r o m 来覆盖其内部的描述器r o m 。 使用内部r o m 的通用串行总线模式( u s bb u sm o d e ，u s i n gi n t e r n a lr o m ) 这种模式下用到的引脚有以下几个：d p 、d m 、e x t i n t 、x t a l l 和x t a l 2 。同样地， x t a l i 必须由一个频率为1 2 m i t t 的驱动源驱动，或者x t a l i 和x t a 乙2 与一个1 2 m h z 的晶振电路直接相连也可。所不同的是，内部的1 2 m h z 多谐振荡器和微处理器 总线、s p i 接口都处于禁用状态，内部的r o m 描述器对u s b 命令g e td e s c r i p t o r 进行响应。 2 3u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 2 3 10 1 2 的总体描述 p d i u s b d l 2 是p h i l i p s 公司的一款性能优化的u s b 器件，通常用于基于微 控制器的系统；其通过高速并行接口和d m a 传输与微控制器进行通信。该器件 采用模块化的方法实现u s b 接口，使得不带u s b 接日的外设易于添加u s b 功能， 如图所示。 9 西北1 业大学硕十学位论文 第二章指纹数据采集硬件系统组成 图2 - 3 外设u s b 接口的实现 它允许在众多可用的微控制器中选择最适合的作为系统微控制器，允许使 用现存的体系结构并使固件投资减至最小。这种灵活性减少了开发时间、风险 和成本，是一种开发低成本且高效益的u s b 外围设备解决方案的最快途径。 p d i u s b d l 2 完全符合u s b l 1 规范，也能适应大多数设备类规范的设计。因 此p d i u s b d l 2 非常适合很多外围设备的开发，如打印机、扫插仪、外部大容量 存储器和数码相机等。另外，p d i u s b d l 2 挂起时的低功耗以及l a z y c l o c k 输出、 符合a c p i 、o n n o w 和u s b 电源管理的要求。它还集成了特有的s o f t c o n n e c t 、 g o o d l i n k 、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所有这些特性都能 在系统实现时节省成本，同时在外围设备上易于实现更高级的u s b 功能。 2 3 。2d 1 2 的内部结构 下图是p d i u s b d l 2 内部功能结构框图。各功能模块分别描述如下： 1 0 两北工业大学硕士学位论文 第二章指纹数据采集硬件系统组成 ! ! = 署暑墨暑鼍詈詈! 奢i 毫= ! = = 寡詈昌高攀_ _ 田量量鼍昔= ! = = 曼墨詈暑目甘矗置暑鼍兰皇2 1 1 1 罩烹詈皇墨墨鼍皇皇墨寡! 毫暑 6 旺k 卜行罐r 厂 一l lj 堋h 集成 jl p l l i 渊 3 3 v d +d 卜1 位时钟恢复 一内嚣i l 器+ 1 a n a l o g | + 【t x r xh - s o f t c o n n e c t p 】田姗s 瑶 f 电压校准器并行和 d m 【a 接口 图“p d l u s b d l 2 p i | 部结构框图 ( 1 ) 模拟收发器：集成的收发器直接终端电阻与u s b 电缆接口。 ( 2 ) 电压校准器：片上集成的3 3 v 电压校准器为模拟收发器供电，也提供 了连接到外部1 5 k o 上拉电阻的输出电压。p d i u s b d l 2 提供集成1 5 k q 上拉电 阻的s o f t c o n n e c t 技术。 ( 3 ) p l l ：片上集成了1 个6 4 8 瑚z 的倍率p 乙l ( 锁相环) ，允许使用6 瑚z 的 晶振，使用低频晶振可以减少电磁干扰e m i 。p l l 的工作不需要外部器件。 ( 4 ) 位时钟恢复：位时钟恢复电路用4 倍过采样原理从输入的u s b 数据流中 恢复时钟，能跟踪u s b 规范中指出的信号抖动和频率漂移。 ( 5 ) p h i l i p s 串行接口引擎：完全实现u s b 协议层。为保证速度，它采用全 硬件设计，无需固件( 固件) 介入。该模块的功能包括：同步模式识别、并串转 换、位填充提取、c r c 校验、p i d 确认、地址识别以及握手鉴定。 ( 6 ) s o f t c o n n e c t ：高速设备与u s b 的连接是靠把d + 通过1 个1 5 k q 的上拉 电阻接到高电平来建立的。在p d i u s b d l 2 中，这个上拉电阻是集成在芯片内部 的，缺省情况下是没有连接到v d d ，必须有外部的托u 发一个命令来建立连接。 这使得系统微处理器可以在决定建立u s b 连接之前完成初始化，重新初始化u s b 总线连接也不用拔掉电缆即可进行。 ( 7 ) g o o d l i n k ：从p d i u s b d l 2 的一个引脚接发光二极管，从而实现g o o d l i n k 技术。在u s b 设备枚举时l e d 指示灯将立即闪亮；当芯片被成功枚举并配置时， 话北l 业火学预十学位论文 第二章指纹数据采集硬件系统组成 l e d 指示灯将会始终亮：u s b 数据传输过程中，l e d 将会闪烁，传输成功后l e d 熄灭；在挂起期间，l e d 熄灭。这些特性可以使用户知道p d l u s b d l 2 的状态， 方便调试。 ( 8 ) 存储器管理单元m m u 和集成r a m ：删和集成r a m 能缓冲u s b ( 工作在 1 2 m b s ) 数据传输和微控制器之间并行接口之间的速度差异，这允许微控制器以 自己的速度读写u s b 包。 ( 9 ) 并行和d m a 接口：并行接口容易使用、速度快且能直接与主微控制器连 接。对于微控制器，p d i u s b l 2 可以看作是一个有8 位数据总线和1 位地址线的 存储设备。p d i u s b d l 2 支持多路复用和非多路复用的地址和数据总线。在主端 点和局部存储器之间也可以使用d 姒传输，支持单周期模式和快模式两种d m a 传输。 2 3 30 1 2 的主要特性 符合通用串行总线u s b l 1 版规范； 集成了s i e 、f i f o 存储器、收发器以及电压调整器： 可与任何外部微控制器微处理器实现高速并行接口2 m 字 节秒； 采用g o o d l i n k 技术的连接指示器，在通信时使l e d 闪烁； 可编程的时钟频率输出； 内部上电复位和低电压复位电路； 在挂起时可控制l a z y c l o c k 输出； 高于8 k v 的在片静电防护电路，减少了额外的元件费用： 双电源操作3 3 0 3 v 或扩展的5 v 电源，范围为3 6 5 5 v ： 多中断模式实现批量和同步传输； 完全自治的直接内存存取d 撇搡作； 主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数 据传输； 有s 0 2 8 和t s s o p 2 8 封装； 具有良好的跚j 特性的总线供电能力； 符合a c p io n n o w 和u s b 电源管理的要求。 西北工业大学硕士学位论文 第二章指纹数据采集硬件系统组成 2 3 4 p d i u s b d l 2 的端点描述 p d i u s b d l 2 的端点适用于不同的设备，设备不同，端点的设置方法不同。 端点可以通过s e tm o d e 命令来进行设鸯。d 1 2 总共有四种模式： ( 1 ) 模式0 ( n o n i s o 模式) ：非同步模式，具体设置见表4 1 。 ( 2 ) 模式1 ( i s o o u t 模式) ：同步输出传输，具体设置见表4 2 。 ( 3 ) 模式2 ( i s o i n 模式) ：同步输入传输。 ( 4 ) 模式3 ( i s o i u 模式) ：同步输入输出模式。 表2 1非同步模式 端点势索引 传输类型端点类型方向最大信息包 | 0 0 控制输出默认输出 1 6 1 控制输入默认输入 1 6 2普通输出普通 输出 1 6 1 3 普通输入 普通输入 1 6 4普通输出 普通 输出 6 4 4 2 5 普通输入普通 输入 6 4 4 表2 2同步输出模式 黼点獭索引传输类型端点类型方向最大信息包 0 控制输出默认输出 1 6 。 1 控制输入默认输入 1 6 2普通输出普通 输出 1 6 1 3 普通输入 普通输入 1 6 24 同步输出同步输出 1 2 8 4 从中可以看出，主端点( 端点2 ) 是比较特殊的，它是进行吞吐大数据的 主要端点，它执行主机的特性以减轻传输大数据的任务。 1 3 堕北址丈学硕士学位论文第二二章指纹数据采集硬件系统组成 自= = ! l ! = ! = = s e ! ! l ! = ! e = ! = = ! = ! ! ! ! ，一! ! ! 允许u s b 和主机进行并行读写操作，增加了系统吞吐量。 支持d m a 操作，可以和其它端点的i 0 进行交叉操作。 可配置为同步传输或非同步传输。 1 4 硼j e 。l 一业大学硕：t 学位论文 第三章指纹数据采集中f 位机软件的殴计 第三章指纹数据采集中下位机软件的设计 3 1 指纹数据采集的下位机软件概述 从整体上看，所设计的系统的软件分为上位机软件和下位机软件两大部分。 这里，主要介绍一下本系统下位机软件部分，上位机软件部分将在下一章 进行更详细的讨论。在本系统中，下位机软件主要是对微控制器8 0 c 5 1 的软件 编程，也就是系统的固件编程。当系统的u s b 接口连接到主机上时，上位机( 微 机) 应立刻发现下位机设备，因此，编写固件程序的一个目的是让w i n d o w s 可 以检测到系统的下位机的硬件部分。另外下位机中的8 0 c 5 1 还要与指纹数据采 集芯片m b f 2 0 0 和u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 分别进行通信，这些都需要软件部分 的编写才能完成上位机发来的命令。本系统的固件部分采用c 语言来编写，然 后下载到微处理器控制模块单元8 0 c 5 1 中，从而完成系统正常的通信功能。在 下位机软件编程中，微控制器8 0 c 5 1 与p d i u s b d l 2 的通信主要是靠给d 1 2 发送命 令和数据来实现的，因此在编写这部分程序时，就要非常熟悉芯片本身的命令 格式：初始化命令字、数据流命令字和通用命令字。在编写本系统中的固件程 序时，需要注意的是： 单片机8 0 c 5 1 的中断应为电平触发；中断后一定要读上次传输状态寄存 器，这样才能清除中断寄存器中的中断标志，使系统工作正常。 当收到建立包时应重新使能端口0 ，所采用的命令是d 8 。 为了保证可以接收到新的包，在读写数据后，应该调用f 2 h 命令。 向输入端写完数据后，应调用命令f a h 以指明缓冲区中的数据有效，可 以传送到上位机去进行处理。 3 ，28 0 0 5 1 与u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 之间的通信 3 2 1 编程特点 两托l ：业大学硕士学位论文 第三章指纹数据采集中。f 位机软件的设计 u s b 芯片中固件部分的主要任务是，使硬件能够让设备进行双向数据交换， 达到通信的目的。总的来说，其主要工作大致可分为以下几个方面：中断传输的 处理、端点0 的中断、传送数据( 包括从主机接收数据和向主机传送数据两个方 面) 以及其它方面的辅助工作。端点0 的中断，表示固件应该进行检查以查明中 断的原因。固件在收到端点0 的中断信息后立即将累加器和索引寄存器放入堆 栈，并且对端点0 模式寄存器中的a c k 位进行检查，如果中断事件是以a c k 为结 束标志的，则固件会检查整个端点0 模式寄存器，否则固件将不对此响应。系统 的令牌信息包有l n 、o u t 和s e t u p 三种格式，固件根据端点0 模式寄存器的内容 确定信息包的格式，最后跳转到该中断事件响应的处理例程中去进行相应的处 理。当需要传送数据到主机时，固件程序会储存两个数值，并且调用 i n i t i a l i z e _ c o n t r o l r e a d 例程来准备预期的输入事务：当需要主机在数据阶段 传送数据给端点0 时，固件会在预期的输出事务中调用 i n i t i a l i z e c o n t r o lw r i t e 例程来准备接收数据。在整个数据传输过程中，固 件必须循环性检查是否有另一个设置令牌包到来，若有，固件应立即中止现有传 输而进行新的数据传输。 3 2 2p d i u s b d l 2 的固件编程 p d i u s b d l 2 是一款带有并行总线和局部d 姒传输能力的高速u s b 接口器件， 采用模块化的方法实现一个u s b 接口，通常用于基于微控制器的系统。p d i u s d b l 2 完全符合u s b l 1 规范，也能适应大多数设备类规范的设计，如成像类、大容量 存储类、通信类、打印类和人工输入设备等。因此，p d i u s b d l 2 非常适合做很多 外围设备，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器( z i p 驱动器) 和数码相机等。 另外，p d i u s b d l 2 还集成了s o f t c o n n e c t 、g o o d l i n k 、可编程时钟输出、低频晶 振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本，同时在外围设 备上很容易实现更高级的u s b 功能。 如图3 - 1 所示，后台的中断服务程序和前台的主程序循环之间的数据交换 通过事件标志和数据缓冲区来实现。p d i u s b d l 2 的批量输出端点可使用循环的 数据缓冲区：当p d i u s b d l 2 从u s b 收到一个数据包，那么就对c p u 产生了一个中 断请求，c p u 立即响应中断。在中断服务程序中，固件将数据包从p d f u s b d l 2 内部缓冲区移到循环数据缓冲区并在随后清零p d i b s b d l 2 的内部缓冲区，以便 能接收新的数据包。c p u 可以继续它当前的前台任务直到完成，然后返回到主 循环检查循环