基于DSP的指纹采集和预处理软件设计毕业论文.doc

毕业设计（论文）基于DSP的指纹采集和预处理软件设计摘要：随着指纹传感器的飞速发展及其性能的不断提升，以及指纹识别技术的发展与应用，高质量的指纹图像采集技术和指纹图像预处理算法成为一个重要的研究课题。本文设计了一套基于TI公司的DSP芯片TMS320VC5509A的指纹采集和预处理软件，通过标准C语言编程实现了指纹图像的实时采集与处理。其中指纹采集利用了半导体指纹传感器MBF200，指纹图像的预处理涉及滤波、锐化、二值化和细化等算法。论文给出了系统设计方案和硬件电路设计方法，重点介绍指纹传感器的特性，指纹采集软件的设计，以及指纹预处理算法的各个处理流程和实现方法。经测试，该系统的采集效率高、处理速度快且准确可靠，采集一幅指纹图像需时仅0.3s，处理后的指纹图像十分有利于指纹特征的提取。整个系统具有开发简易、性能稳定和应用灵活等优点。关键词：指纹采集；指纹图像预处理；指纹识别；MBF200；TMS320VC5509ASoftware Design of the Sampling and Pretreatment of Fingerprint Based on DSPAbstract: Along with the rapidly developing and advancing capability of fingerprint sensor, the progress and application of fingerprint identification technique, high performance of fingerprint image sampling and pretreatment is becoming a significant research subject. In this paper, the software of the fingerprint checking machine is designed based on TIs DSP of TMS320VC5509A. We use the C language for programming and implement the real time sampling and pretreatment of the fingerprint image. The sampling is carried out by the semiconductor sensor of MBF200, and the pretreatment contains the filter, the sharping, the binarization and the thinning algorithm. The paper has given the scheme of the system and the hardware circuit, and took emphases on the characteristic of the fingerprint sensor, the designing of the fingerprint sampling software, the processing flow and implement method of the pretreatment algorithm. By testing, we can see that the system has high sampling efficiency, high speed processing, with nicety and reliability; it takes only 0.3s for sampling an image. It is very favorable for distilling characteristic from the fingerprint image. The whole system has the advantage of easy for exploitation, steady performance and agility for application.Key words: fingerprint sampling, pretreatment of fingerprint image, fingerprint identification, MBF200, TMS320VC5509A目 录第1章 绪 论11.1选题意义和背景11.2课题国内外研究现状及存在问题21.3课题研究的主要内容和方法4第2章 系统概述62.1自动指纹识别系统62.2系统方案设计7第3章 指纹采集系统硬件设计93.1指纹采集系统硬件电路93.2指纹扩展模块与DSP接口103.3指纹传感器MBF200113.3.1MBF200的主要特点113.3.2MBF200的内部结构123.3.3MBF200的功能寄存器123.3.4MBF200的微处理器接口153.4数字信号处理器TMS320VC5509A163.5逻辑控制芯片XC9572XL18第4章 指纹采集和预处理软件设计194.1CCS开发环境简介194.2指纹采集软件设计204.2.1指纹采集技术204.2.2DSP的初始化224.2.3MBF200的初始化224.2.4指纹采集控制函数244.2.5指纹采集实现过程274.3指纹图像预处理软件设计294.3.1平滑滤波294.3.2锐化处理324.3.3二值化处理354.3.4细化处理384.4特征提取424.5特征匹配43第5章 系统的调试与运行455.1硬件调试455.1.1硬件调试工具455.1.2硬件调试方法455.2软件调试455.2.1软件调试工具455.2.2软件调试方法455.2.3采集指标的测定475.3调试中遇到的问题及解决方法47第6章 设计结果与展望496.1 设计结果及分析496.1.1指纹采集结果496.1.2指纹预处理结果496.2 设计的展望54结 论55致 谢56参考文献57附录158附录259附录360第1章 绪 论1.1 选题意义和背景“执生命密匙，启身份之锁”。在以计算机技术和生物技术为主流科技的知识经济崛起时代，身份的鉴定有了来自生物体自身的密匙，横跨这两大科技领域的生物特征识别技术正愈益显示出其旺盛的生命力和远大前景。在生物特征识别技术中发展成熟的指纹识别技术在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。指纹是人类手指末端指腹上由凹凸的皮肤所形成的纹路，它具有唯一性和不变性的特点，享有“证据之首”的盛誉，一直被作为人们身份验证的可靠证据。指纹识别技术就是通过对指纹进行采集、分析和比对，迅速准确地鉴别一个人的身份。指纹识别技术是集传感器技术、生物技术、数字图像处理技术、模式匹配技术和电子技术于一体的高新生物识别技术。随着科技的进步，指纹识别技术已经开始慢慢进入普通人的视野中。指纹识别技术的复杂度可以提供用于鉴别的足够特征，具有极高的安全性。相对于其他身份认证技术，它是一种更为理想的身份认证技术。指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点，更重要的是具有很高的实用性和可行性。自动指纹识别系统AFIS（Automatic Fingerprint Identification System）正是基于指纹识别技术的嵌入式指纹识别系统。随着指纹传感器技术的发展以及指纹识别系统的准确和安全性，其应用范围越来越广泛，目前已进入商业应用阶段。只要针对不同的领域配以不同的应用软件就可应用在金融系统、社会福利保险系统、司法系统、教育系统、医疗系统管理、电子商务和网上信息系统等诸多领域中。可以说，指纹识别实现了身份鉴定领域的世纪革命。相信随着指纹识别技术的完善，还会广泛的应用在身份证、家居等更多领域。指纹识别系统主要包括指纹图像采集、指纹预处理、特征提取和特征匹配等过程，其中指纹采集是其最前端的步骤，采集得到的图像好坏将直接影响到后面的处理。指纹图像的预处理是为了保证正确地提取指纹特征而进行的一系列算法处理，它是指纹识别中最为关键的技术。总之，指纹采集和指纹图像预处理在指纹识别系统中有重要意义。随着数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）性能的不断提高和价格的大幅度下降，其应用范围不断扩大。其重要是实时信号处理，指纹识别系统对速度的要求很高、计算量大，并且处理过程中如指纹图像的滤波和细化等很多是乘法和加法运算，而这正是DSP的强项。由于DSP芯片具有很强的数学计算能力，合理利用它的处理特性，在某些方面可以和高性能的工作站相比。利用DSP芯片构建嵌入式系统的硬件平台，可以很好的满足实际需要。另外，DSP芯片具有灵活的外部接口，和各种外设的接口电路设计相当方便，并且成本也越来越低。正因为如此，DSP芯片取得了广泛的应用。传统的指纹传感器都是基于光学技术的传感器，这种传感器结构复杂，价格昂贵，体积庞大。因此造成实际系统价格非常昂贵，这导致了过去指纹识别系统仅仅限于公安、银行等少数特殊部门内应用。90年代中期开始出现半导体指纹传感器，最初的这类传感器采集的图像质量和光学传感器有较大的差距，随着半导体技术的进步，它采集的图像质量也越来越高，现在这两种传感器采集的图像质量差距已经很小了。半导体传感器具有价格低、体积小的优点，特别适合集成在普通的消费电子产品中，大有后来居上、取代光学传感器的趋势。由于半导体指纹传感器的出现，使得指纹识别的应用领域迅速扩大，在个人电脑上、个人数字助理、掌上电脑、手机等很多领域都开始使用AFIS技术，所以指纹采集的研究重点从光学传感器转移到了半导体传感器，对算法的性能也提出了更高的要求。课题中正是应用了半导体指纹传感器完成指纹采集的，实践表明，它采集得到的指纹图像十分有利于后期算法处理。综上所述，对于应用前景十分广泛的嵌入式自动指纹识别系统AFIS来说，为保证指纹识别的准确和安全性，指纹的原始图像数据采集显得尤为重要。本课题研究利用指纹传感器MBF200和数字信号处理器TMS320VC5509A，实现指纹图像的实时采集和预处理，这种新型的基于DSP的指纹采集系统设计方法，硬件上利用DSP的高速处理能力，构建高速的数据处理平台，软件上参考DSP和硬件逻辑的处理特点，对传统的指纹算法进行改进，满足实时性和可靠性要求。1.2 课题国内外研究现状及存在问题目前，国内外许多公司和研究机构都在指纹识别技术领域取得了突破性进展，推出许多指纹识别与传统方式完美结合的应用产品，这些产品已经被越来越多的用户所认可。随着计算机技术，特别是图像处理技术和模式识别技术的飞速发以及大规模集成电路的出现及其性能的提高，使得用高速高效的自动指纹识别系统来替代人工识别成为可能。自二十世纪六十年代开始，为了解决人工鉴别指纹工作量大而且效率低的难题，美国FBI（Federal Bureau of Investigation）、英国家庭办公室以及法国巴黎警察局开始研发自动指纹识别系统(AFIS)，并取得了非常好的效果。可见，指纹识别已被全球大部分国家接受与认可，并广泛地应用到政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务和安全防卫等领域。在国外由于其开发指纹识别系统比较早，而且主要是利用计算机进行指纹识别，所以技术也比较成熟。许多大公司如Intel，Microsoft，Digitalor，Veridicom等均成立了专门机构从事该项技术的研究、开发及应用。其中最具有代表性的是AFIS系统，该系统是利用计算机技术实现的，其具有灵活的系统结构，可以构建大型的数据库，但是该系统价格昂贵，而且由于需要连接计算机，限制了系统在很多其他方面的应用。当然，目前国外也有一些相对较小的指纹识别系统，比如数码人(Digitalor)公司的U-are-U系统,但他们的产品都存在价格昂贵、应用灵活性差、多使用光学传感器体积较大等问题。自1998年以来，国内指纹识别技术也得到了长足发展。目前，国内的生物识别技术市场正处于诸侯割据的萌芽阶段。国内上百家从事指纹识别技术应用的企业除了北大高科、中科院自动化所和西安青松等几家科研机构拥有自主产权外，其他的多以代理国外产品为主，拥有自主知识产权核心技术不多。在性能上无论从精度还是从效率上来看，均不如国际领先水平的同类产品。所使用的方法复杂，使用环境要求高，而且硬件平台的实时性差，接口能力也比较弱。大多数指纹识别系统是将指纹图像采集到计算机中，利用计算机进行识别。存在不便携、应用场合范围小等缺点，国外一些公司生产的独立指纹识别系统，价格比较高昂。这些都限制了指纹识别技术的普及。好的指纹识别算法在性能较好的PC机上一幅指纹的识别时间不超过0.5秒钟。但是由于嵌入式系统开发本身的难度，以及整个指纹识别市场的不成熟，目前的指纹识别设备从各方面来看并不成熟。因此，如何将好的指纹识别算法移植到嵌入式硬件平台上，并且不损失算法的各项性能，成为该类设备系统设计的难点。纵观国内外现有的指纹采集识别技术和设备，或多或少地存在以下几个问题:（1） 成熟采集识别算法均依赖于计算机平台，成本高，灵活性差；（2） 嵌入式应用不成熟，多受环境限制；（3） 指纹采集器件落后，体积较大等。（4） 指纹设备没有被公众广泛接受，指纹和犯罪总是联系在一起。（5） 没有国际标准和国家标准来检测各厂商的指纹产品，产品性能良莠不齐,并且各厂商的指纹产品基本不兼容，阻碍了指纹的推广。（6） 由于刚刚开始大量应用，产品的价格还比较高。（7） 由于指纹在日常生活中可能有损伤，所以指纹应用时必须有其他备用手段。目前，随着高度集成的指纹传感器的引入及其飞速发展，指纹数据的优质采集将达到一个更高的水平，研究指纹采集的通用方法及相应软件是一件十分有意义的工作。利用新型传感器采集高质量的指纹图像，指纹识别技术的逐渐成熟，可靠的比对算法的发现都将为指纹识别技术提供更广阔的舞台。国内嵌入式指纹识别技术之所以得不到快速的发展，原因就在指纹采集技术的落后。获取高质量的指纹数据是降低指纹识别算法复杂性一个最主要途径。因此，在我国研究和开发拥有自主产权的指纹采集终端是紧迫的也是必须的。随着第二代居民身份证件中采用指纹技术，公众会逐步接受和使用指纹。中国的国家标准已经开始编写，国际标准的编写也已经准备，标准公布后，相应的检测机构也会成立，通过检测的指纹产品也一定会互相兼容。随着指纹产品的大量应用，价格会不断下降，性能会不断提高，我们相信在不久的将来，指纹自动识别技术会应用在很多领域。进出校园、教室、图书馆、办公室、考场等场所只需手指轻轻一按，就可以表明身份，在校园内不需要使用现金和菜票等替代品，使用电子货币既方便又卫生，还可以杜绝假币、假票在校园内流通，指纹校园一卡通不怕被窃和丢失，便于理财。数据保存和网络传输加密，只有指定的人才可能解开加密数据，指纹技术将广泛服务公众社会。1.3 课题研究的主要内容和方法本课题主要研究指纹采集系统的实现以及对采集得到的指纹图像进行预处理。课题对指纹采集技术和指纹图像预处理算法进行了分析，编程实现指纹的实时采集和各个预处理算法，并得到采集和处理后的指纹，为指纹特征提取和准确识别个人身份做好准备。课题研究涉及到新型指纹传感器、数字信号处理器等硬件，还涉及指纹采集、指纹图像的预处理，如滤波、二值化和细化处理等。研究发现实现数字信号处理器对指纹传感器MBF200的控制是一个技术难点。因为MBF200是一个可编程控制传感器，实现对MBF200的控制涉及到对传感器参数的调整，特别是环境参数的调整。如果参数选取不合适，将得不到正确数据。另外一个问题是指纹图像的预处理，它包括多个算法。如果这两步没有处理好，就难以做到对指纹图像的进一步处理。本课题将重点对这两个问题进行研究。对于指纹识别中的特征提取、特征匹配仅从理论上讨论。在对指纹图像的采集和预处理上做详细讨论的基础上，编制标准C程序，并在CCS（Code Composer Studio代码生成室）环境中运行。为此，确定本次课题研究的主要内容如下:（1） 指纹采集技术和指纹传感器MBF200的研究使用；（2） DSP芯片TMS320VC5509A和CCS开发工具的研究使用；（3） 编写指纹采集软件，选择合适的环境参数，获取正确的指纹数据；（4） 对指纹预处理算法进行多方面研究，选择合理预处理算法，给出算法的原理、方法和步骤。编写指纹图像的滤波、锐化、二值化和细化处理算法程序。实现指纹图像的预处理，以求达到在指纹识别上直接应用的目的。（5） 优化算法，通过CCS编译和运行以确定算法在DSP上实现的可行性。本课题研究的主要方法是以指纹传感器MBF200为采集头，以DSP为控制和计算核心。首先，在理论上阐明指纹数据的获取方式和方法，以对MBF200的控制和实现指纹图像的预处理为重点，研究相关理论和软硬件的实现方法。其次，除了在理论上讨论指纹图像的预处理外，利用标准C语言编写预处理算法的程序，验证本采集系统采集到的指纹数据的正确性。最后，进行系统的综合软件调试，再次调整各个参数，调试系统并分析结果，给出课题研究的最终结论。第2章 系统概述2.1 自动指纹识别系统自动指纹识别系统AFIS主要由采集、处理和显示三个模块组成。其中采集模块是最为关键的部分，指纹采集是指纹识别系统最前端的步骤，采集效果的优劣直接影响到后期的处理以及指纹特征的提取。指纹采集技术是指纹识别中的关键术之一，同时也是本课题研究的一个重点。通过了解指纹识别系统组成原理1，可见指纹采集的重要性。指纹识别系统由离线和在线两个部分组成，主要涉及指纹图像采集、图像预处理、特征提取、特征匹配和结果显示等过程。指纹识别系统框图如图2-1所示。图2-1 自动指纹识别系统基本原理图“离线”部分属于非实时模式，而“在线”式属于实时模式。在系统的离线部分，用指纹采集设备采集得到指纹图像，然后进行指纹图像预处理并提取指纹的纹理特征点，将特征点保存到数据库中，形成指纹模板库。在系统的在线部分，用指纹采集设备实时采集指纹，进行预处理和提取特征点，然后将这些特征点与保存在模板库中的特征点进行匹配，判断输入特征点与模板特征点是否来自同一个手指的指纹。2.2 系统方案设计本系统总体上分为硬件和软件两大部分，重点设计部分为指纹采集软件和指纹图像预处理软件。指纹采集是在DSP的控制下完成的，因此硬件部分主要是指纹采集模块与DSP的接口设计，软件部分指纹采集采用硬件仿真方式完成，指纹图像预处理软件采用软件仿真方式设计，最后是整个系统的调试和运行。系统总体设计流程如下图2-2所示。图2-2 系统总体设计方案流程图系统硬件设计以TI（Texas Instruments 德州仪器）公司的数字信号处理器TMS320VC5509A为主处理芯片，以MBF200为指纹采集芯片，利用XILINX公司的XC9572XL作为逻辑控制芯片。通常信号处理的设计结构是一个通用的微处理器加一个或者几个DSP组成，而在我们的系统中，采用DSP+CPLD（Complex Programmable Logic Device复杂可编程逻辑器件）的架构，使得整个系统的通信、控制以及外设的协同工作相对来说较为简单。指纹采集系统是由DSP控制指纹传感器进行指纹数据采集来实现的。由指纹传感器MBF200采集到指纹数据后，传入微处理器通过软件进行数据的预处理。系统硬件设计方案如下图2-3所示。图2-3 硬件框图系统软件设计包括了指纹的采集，指纹图像的预处理：滤波、锐化、二值化以及细化等处理过程。软件设计流程如下图2-4。图2-4 软件设计流程其中指纹采集获得数据源，即一幅8灰度级的指纹图像；滤波即去噪，是预处理的关键步骤，是后期算法执行的保证；锐化是为了突出指纹的纹线结构；二值化得到黑白二值的指纹图像；细化是进一步将纹线特征表现出来，方便提取细节特征点以进行指纹识别。指纹采集部分的关键是对指纹传感器的功能寄存器操作以及采集参数的调整，合理设置参数可得到效果很好的指纹图像。预处理部分的关键是滤波和细化，这两个部分的算法也相对复杂，文中也重点介绍了这两个算法。第3章 指纹采集系统硬件设计本章重点介绍指纹采集电路原理以及指纹传感器MBF200的特性。设计中指纹采集系统硬件设计主要是指指纹采集模块及其与DSP的接口设计。指纹采集模块由逻辑控制芯片XC9572XL和指纹传感器MBF200为核心部件构成。接口方面可根据DSP的扩展总线各引脚定义连接。3.1 指纹采集系统硬件电路指纹采集系统主要由指纹传感器MBF200、DSP芯片TMS320VC5509A、逻辑控制芯片XC9572XL以及电源等外围电路组成。整个系统由指纹传感器采集得到指纹数据，即对MBF200编程得到，采集得到的图像由数据总线传送给DSP进行预处理，采集和处理后的结果通过软件设置CCS环境中的Image菜单显示出来。指纹采集系统硬件结构如下图3-1所示。图3-1 指纹采集系统原理框图其中指纹传感器MBF200内部集成了8位A/D转换器，它可完成对指纹传感阵列产生的电压进行A/D 采集，形成8位的指纹灰度图像，可通过8位的数据总线供DSP顺序读取使用。指纹扩展模块完成按照DSP的指令采集指纹图像数据并逐一发送给DSP。DSP则通过总线可以多次连续读取指纹传感芯片中的图像数据。3.2 指纹扩展模块与DSP接口指纹扩展模块与DSP的接口电路十分关键，只有正确的与DSP连接才能保证采集得到的指纹数据的准确性。接口决定了DSP对指纹扩展模块的控制是否正确，也决定了采集得到的指纹数据是否能被DSP正确地读取。指纹扩展模块与DSP的接口定义如图3-2所示。图3-2 指纹扩展模块接口定义TMS320VC5509A拥有二次开发的扩展总线（P1，P2，P3，P4），作为外围控制接口使其功能更为强大。设计中用到了P3和P4口，这两个总线接口各引脚的功能定义分别见附录1和附录2。3.3 指纹传感器MBF200MBF200是富士通公司生产的电容式半导体指纹传感芯片，它具有高性能、低功耗和低成本等特点。其电容性传感器阵列由二维金属电极组成，所有金属电极充当一个电容板，接触的手指充当第二个电容板，器件表面的钝化层作为两板的绝缘层。指纹表面和传感器表面接触的示意图2如图3-3所示。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。图3-3 指纹与传感器的接触面示意图3.3.1 MBF200的主要特点（1） 采用标准COMS技术的电容性固态器件；（2） 具有500dpi（dots per inch，点每英寸）的分辨率；（3） 传感器面积为1.28cm1.50cm；（4） 传感器阵列为256300点；（5） 具有自动指纹检测能力；（6） 内含8位A/D转换器；（7） 可提供三种总线接口形式；（8） 带8位微处理器总线接口；（9） 带有全速USB接口和SPI接口；（10） 可提供3.3V5V 的工作电压；（11） 5V 工作电压下的功耗小于70mW。3.3.2 MBF200的内部结构MBF200的内部结构如下图3-4所示。其中256300点传感阵列用于产生感应电压；功能寄存器用于对芯片进行操作控制；控制电路用于传感器与外部接口电路的控制，主要负责数据的读出与写入；地址索引寄存器与数据寄存器分别用于对功能寄存器的地址选择及数据的读写；采样保持及A/D转换电路用于对传感阵列所产生的电压进行采样。另外，多频振荡电路用于为芯片提供时钟信号。图3-4 MBF200内部结构框图3.3.3 MBF200的功能寄存器指纹传感器MBF200是可编程的，它所具有的强大功能是通过内部寄存器3设置完成的。在对这些寄存器进行操作时，先向地址寄存器内写入所要访问寄存器的地址，然后读写数据寄存器即可。表3-1所列是这些功能寄存器的地址和功能。由于列地址的最大值为256，所以只有一个列开始寄存器CAL， 和一个列结束寄存器CEL。另外，THR用于在自动检测指纹时设置门限电压。PGC则用于在A/D 转换时设置放大器的增益。表3-1 MBF200功能寄存器地址标识功能0x00RAH行地址高位0x01RAL行地址低位0x02CAL列地址低位0x03REH行末地址高位0x04REL行末地址低位0x05CEL列末地址低位0x06DTR放电时间寄存器0x07DCR放电电流寄存器0x08CTRLA控制寄存器A0x09CTRLB控制寄存器B0x0ACTRLC控制寄存器C0x0BSRA状态寄存器0x0CPGC可编程增益控制寄存器0x0DICR中断控制寄存器0x0EISR中断状态寄存器0x0FTHR门限寄存器0x10CIDH芯片标识高0x11CIDL芯片标识低0x12TST测试模式寄存器MBF200的一些状态寄存器，如DTR、DCR、PGC、THR等，需要在进行指纹采集之前被初始化。MBF200共有19个寄存器。这里仅仅对两个比较重要的寄存器CTRLA、CTRLB进行说明。1、 CTRLA(控制寄存器A)写该寄存器来初始化图像转换；读该寄存器来读取A/D转换的结果。GETSUB、GETIMG和GETROW三位选定了一种图像存取模式并且初始化A/D转换器的转换序列。AINSEL位选定了A/D转换器的来源。向GETSUB、GETIMG和GETROW中的任意一位写入一个“1”，都将放弃当前对应模式的图像摄取并重新开始新的该模式的图像摄取，而且这三位每次最多只能有一位被置成“1”。如果这三位中有多于一位被置成“1”，那么图像的转换就不会开始。当GETIMG被置成“1”后，MBF200会完成以下一系列动作：（1） 行地址被置成0；（2） 列地址被置成0；（3） 自动开始图像的行摄取；（4） 第一个像素的A/D转换自动开始。（5） 当向CTRLA中写“0”时，除了会清除AINSEL之外，并不会使MBF200放 弃当前的图像。读CTRLA的状态可以得到A/D的转换的结果。上升沿会使A/D转换器开始下一次转换。2、CTRLB(控制寄存器B)CTRLB必须在程序的最开始对它的位0和位2置“1”，以使能MBF200。控制寄存器A、B的各位含义如表3-2所列。表3-2 两个重要的控制寄存器寄存器位7位6位5位4位3位2位1位0CTRLA0x08读得到的是A/D转换的结果写0000AINSEGETSUBGETIMGGETROW复位0000CTRLB0x09读MODE1：0RDYAFDENINCNXTALSEENAB写0000复位00100000MBF200传感器有多种接口方式及多种图像获取形式，这些都是通过内部功能寄存器的设置来完成的。3.3.4 MBF200的微处理器接口1、 MBF200的接口模式MBF200支持三种接口形式和四种操作模式，这四种操作模式相互独立，不能同时工作。其功能如表3-3所列。在微处理器接口模式中，可将MFB200与DSP相连，且其接口形式非常简单。需要说明的是，在该芯片中，地址选择与数据写入是分两步完成的，先通过A0置0来写地址索引寄存器，然后再对A0置1来读写对应地址的数据寄存器。其操作真值表如3-4表所列。表3-3 MBF200的操作模式MODE1，0描述00 微处理器接口模式01 SPI接口模式10 USB模式，用内部ROM11USB模式，用外部ROMSPI是工业标准的同步串行接口，它允许8位数据同时、同步地被发送和接收，而且只用到的信号有：SCLK, SCS, MOSI, MISO, EXINT。USB接口有两种模式：一种是用芯片内部的ROM来存储设备信息，一种是用外部串行ROM来存储设备信息。2、 MBF200的微处理器接口使用微处理器接口将用到以下引脚：D7：0、CS1、EXTINT、。振源可选择内部晶振或者通过使用外部引脚XTALl / XTAL2接外部晶振。在使用微处理器模式时，SPI模式和USB模式被禁止。指纹传感器通过目录地址表去选择它的功能寄存器。芯片内有八位数据线（D7:0）和一个地址选择线（）。此地址线用来选择目录寄存器和数据寄存器。若为低，则选中目录地址；若为高，则通过目录地址选中数据寄存器，而目录寄存器内数据保持原值，直至被重写或者芯片复位。芯片有四个控制输入引脚：、和CS1。若使为低且CS1为高，则选中芯片，数据被锁存在写（）的上升边缘。表3-4是微处理器接口读写真值表。表3-4 微处理器接口读写真值表CS0CS1A0RDWR方式数据线HXXXX无效高阻XLXXX无效高阻LHXHH任意高阻LHLLH读地址寄存器输出LHLHL写地址寄存器输入LHHLH读数据寄存器输出LHHHL写数据寄存器输入3.4 数字信号处理器TMS320VC5509ATMS320VC5509A是TI公司推出的新一代高性能、低功耗16位定点DSP。它是TMS320VC5509的改进版本。其指令周期最快为5ns，片内拥有12816k高速RAM，性价比很高，被广泛用于嵌入式手持设备、通信、数据采集等领域。TMS320VC55x内部结构如下图3-5所示。图3-5 TMS320VC55x内部结构图TMS320VC55x采用基于增强的哈佛结构4，可通过三组并行总线访问多个存储空间，它们分别是程序地址总线（PAB）、数据读地址总线（DRAB）和数据写地址总线（DWAB）。由于总线工作是独立的，所以可以同时访问程序和数据空间。由图3-5可见，TMS320VC55x由3个主要部分组成：CPU、存储空间、片内外设。C55x系列具有统一的CPU内核，由4个功能单元构成：指令缓冲单元（I单元）、程序流单元（P单元）、地址数据流单元（A单元）和数据运算单元（D单元）。C55x中每个功能单元的具体构成和基本功能如下：（1） 指令缓冲单元（I单元）包括3216位指令缓冲队列（Instruction Buffer Queue）和指令译码器。此单元接收程序代码并放入指令缓冲队列，由指令译码器解释指令，然后再把指令流传给其他的P单元、A单元和D单元来执行这些指令。（2） 程序流单元（P单元）包括程序地址发生器、程序控制逻辑。此单元产生所有程序空间地址，并送到PAB总线，达到控制程序流的目的。（3） 地址数据流单元（A单元）包括数据地址产生电路（DAGEN），附加的16位算术逻辑单元ALU和一组寄存器。此单元产生读/写数据空间地址，并发送到BAB、CAB和DAB总线上。（4） 数据运算单元（D单元）包括40位桶形移位器、2个乘加单元（MAC）和1个40位的算术逻辑单元ALU和若干寄存器。D单元是CPU中最主要的部分，是主要的数据执行部件，完成大部分数据的算术运算工作。在图像处理领域中，由于图像数据量非常大，为了有效实时地传输信息，必须采用有效的图像压缩技术，同时海量的图像数据也需要压缩才能实现有效的存储。DSP易于满足图像处理中运算量大、实时性强、数据传输速率高等要求，兼之计算机强大的多媒体交互能力，因此DSP被广泛地应用于图像处理领域中。设计中，由指纹传感器MBF200采集到的是8bit灰度指纹图像，其大小为300256，则存储一幅图像就需要75KB的空间，然而一般DSP 的数据空间仅有64KB，虽然可通过页扩展5的方式扩大数据空间，但使用起来比较麻烦。TMS320VC5509A仅片内就有128K16Bit的RAM，再加上片外数据空间的扩展，最多可达16MB字节的数据空间，完全满足算法要求。3.5 逻辑控制芯片XC9572XL本设计采用了XILINX公司的逻辑控制芯片XC9572XL，它是一款低功耗、高性能CPLD，系统频率高达178MHz。由于DSP的速度较快，要求译码的速度也必须较快，利用小规模逻辑器件译码的方式，已不能满足DSP系统的要求。 同时，DSP系统中也经常需要外部快速部件的配合，这些部件往往是专门的电路，有可编程器件实现。CPLD的时序严格，速度较快，可编程性好，非常适合于实现译码和专门电路。因此要在DSP系统中使用CPLD。该逻辑控制芯片在系统中的作用如下：（1） 完成对访问地址的解码，产生片选信号、地址信号。（2） 产生必要的逻辑控制和时序，将图像数据或将读取的寄存器数据发送到DSP，将DSP的设置数据传送到指纹芯片。（3） 在DSP需要读取状态和图像数据时，产生必要的逻辑控制和时序，将数据从指纹采集芯片读取并发送给DSP。（4） 在DSP写指纹采集芯片的控制寄存器时，将控制数据传送到指纹采集芯片的相应控制寄存器。第4章 指纹采集和预处理软件设计本章详细介绍了指纹采集软件和指纹图像预处理软件的设计。其中指纹采集部分是通过对传感器MBF200编程实现的，指纹图像预处理包括滤波、锐化、二值化和细化等应用程序。所有程序采用标准C语言编写，并在CCS上通过编译和运行。4.1 CCS开发环境简介TI公司提供的集成开发环境CCS主要完成系统的软件开发和调试。它提供一整套的程序编制、维护、编译和调试环境，CCS支持标准C语言编程，各种标准库都可以使用。只要在应用的地方把头文件*.h包含即可。CCS能将汇编语言和标准C 语言程序编译连接生成COFF （Common Object File Format 通用对象文件格式）的可执行文件，并能将程序下载到目标DSP上运行调试。CCS开发界面如图4-1所示。图4-1 CCS开发界面CCS一般工作在两种模式下：软件仿真器和与硬件开发板相结合的在线编程。前者可以脱离DSP芯片，在计算机上模拟DSP的指令集和工作机制，用于前期的算法验证和调试；后者实时运行在DSP芯片上，可以在线编程和调试应用程序。设计过程中，指纹采集部分采用硬件仿真方式实现，指纹图像的预处理先通过软件仿真方式对采集得到的指纹图像进行处理，待各个预处理算法通过验证之后，再使用硬件仿真方式进行系统联调。4.2 指纹采集软件设计4.2.1 指纹采集技术指纹图像的采集技术是指纹识别中的关键技术之一。获得高质量的原始指纹图像是进行精确的指纹识别的前提和保证。由于指纹的表面积相对较小，日常生活中手指常常会受到磨损，所以获得优质的指纹细节图像是一项十分复杂的工作。目前所用的指纹图像采集设备主要基于三种技术：光学技术、半导体硅技术和超声波技术。按指纹传感器的工作原理分主要有：光电式、电容式、压敏式、热敏式和超声波式指纹传感器。1、 光学指纹采集技术光学指纹采集技术是最古老也是目前应用最广泛的指纹采集技术，光学指纹采集设备始于1971年，其原理是光的全反射。光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由CCD （Charge Coupled Device, 电荷耦合装置）去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃间的油脂和水分。光线经玻璃照射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD，但射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这样就在CCD上形成了指纹图像。2、 半导体指纹采集技术半导体传感器是1998年在市场上才出现的，这些含有微型晶体的平面通过多种技术来绘制指纹图像。 其中硅电容指纹图像传感器这是最常见的半导体指纹传感器，它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100，000个电容传感器，其外面是绝缘的表面。传感器阵列的每一点是一个金属电极，充当电容器的一极，按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极，传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同（纹路深浅的存在），导致硅表面电容阵列的各个电容值不同，测量并记录各点的电容值，就可以获得具有灰度级的指纹图像。半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像，分辨率可高达600dpi，并且指纹采集时不需要像光学采集设备那样，要求有较大面积的采集头。由于半导体芯片的体积小巧，功耗很低，可以集成到许多现有设备中。3、 超声波指纹采集技术Ultra-scan公司首开超声波指纹图像采集设备产品先河。超声波指纹图像采集技术被认为是指纹采集技术中最好的一种，但在指纹识别系统中还不多见，成本很高，而且还处于实验室阶段。超声波指纹取像的原理是：当超声波扫描指纹的表面，紧接着接收设备获取的其反射信号，由于指纹的脊和谷的声阻抗的不同，导致反射回接收器的超声波的能量不同，测量超声波能量大小，进而获得指纹灰度图像。积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波取像影响不大。所以这样获取的图像是实际指纹纹路凹凸的真实反映。4、 几种指纹传感器的比较下表4-1是基于上述三种指纹采集技术的指纹传感器在体积、耐用性、成像能力、耗电以及成本各个方面的比较结果6。由表可见，硅半导体指纹传感器有许多无可替代优点，它将是指纹传感器应用的主流。因此本课题采用半导体指纹传感器MBF200是非常合理的。表4-1几种指纹传感器的比较比较项目光学指纹传感器硅半导体传感器超声波指纹传感器体积大大中耐用性非常耐用耐用一般成像能力干手指差，但汗多和稍脏的手指成像模糊干手指好，但汗多和稍脏的手指不易成像非常好 耗电较多较少 较多成本低低 很高4.2.2 DSP的初始化DSP芯片的初始化是设定DSP芯片工作状态的重要步骤，只有正确进行DSP芯片的初始化，才能保证芯片的正确运行。在调试软件的过程中，如果发现程序运行不正确，应首先查看芯片各寄存器的初始化状态设置是否正确，然后再调试用户程序，否则就会降低调试效率。初始化DSP主要包括以下几个方面：DSP 主频、扩展存储器EMIF 接口和定时器等，初始化程序见附录3。4.2.3 MBF200的初始化初始化MBF200时，首先启动内部ADC并对特殊功能寄存器CTRLB的第2位置位，以确定A/D转换后的地址是否自动增加，同时设置芯片时钟源并使能传感器。然后，调整参数，设置放电时间寄存器（DTR），设置放电电流速率的寄存器（DCR），设置可编程增益控制寄存器（PGC），主要用来设置放大器的增益。对传感器进行初始化包括以下几个初始化内容：（1） 对控制寄存器A（CTRLA）的初始化FPWriteReg (FP_CTRLA,0x00)（2） 设置传感器门限值 FPWriteReg(FP_THR,FP_THV_STARTUP | FP_THC_ STARTUP)（3） 设置传感器控制寄存器B（CTRLB） FPWriteReg(FP_CTRLB,FP_ENABLE|FP_XTALSEL|FP_AUTOINCEN|AFDEN)（4） 调整传感器放电参数 FPAdjustParams(FP_DT_STARTUP,FP_DC_STARTUP,FP_GAIN_STARTUP) （5） 清除所有中断 FPWriteReg(FP_ ISR,0x03)（6） 最后，打开传感器指纹检测中断，一旦有手指放下将开始进行数据采集。 void FPSensorlnit() FPWriteReg(CTRLA,0x00); FPWriteReg(FP_THR,FP_THV_STARTUP|FP_THC_STARTUP); /设域值FPWriteReg(FP_CTRLB,FP_ENABLE|FP_XTALSEL|FP_AUTOINCEN|AFDEN;/写CTRLB FPAdjustParams(FP_DT_STARTUP,FP_DC_STARTUP, FP_GAIN_STARTUP); /设置放电参数FPWriteReg (FP_ISR, 0x03);/清除所有中断FPWriteReg (FP_ICR, FP_IP_FINGER|FP_ IT_FINGER|FP_IE_FINGER); /手指探测中断除了