【毕业学位论文】（Word原稿）指纹采集系统中USB接口的设计-电子与信息工程

毕业论文 (设计 ) 题 目： 指纹采集系统中 学生姓名： 学 号： 院 系： 电子与信息工程学院 专 业： 电子科学与技术 指导教师： 周杰 二 七 年 五 月 三 十 日 1 目 录 一、简介 . 2 指纹采集 . 2 . 2 课题的目的 . 3 二、 范和协议 . 4 . 4 理接口 . 4 平特性 . 4 系统结构 . 5 连 . 5 备 . 5 机 . 7 统拓扑结构 . 8 . 8 . 9 .、指纹采集系统中 口的硬件设计 .系统硬件设计方案 . 芯片选择 . 系统结构 . 12 . 13 构框图 . 13 处理器 . 13 点 . 14 举与重枚举 . 15 辅助硬件电路设计 . 16 电压调整模块电路设计 . 16 线的 路 . 17 串口电路 (调试接口电路 ) . 18 四、 口的软件设计 . 18 . 18 主程序 . 18 枚举子程序 . 19 输子程序 . 21 驱动程 序 . 23 五、结束语 . 25 致谢 . 26 参考文献： . 26 . 27 2 指纹采集系统中 口的设计 黄堂正 南京信息工程大学电子工程系，南京 210044 摘要： 作 为 一种 与外围设备间的高速通信接口 ， 有许多突出的优点：连接灵活，无需定位及运行安装程序，无需连接外设时关机及重启系统，实现真正的即插即用 ； 速度快， 议支持 12S； 不占用系统硬件资源 ， 不存在硬件冲突问题，自动检测和配置外围设备。 本论文在介 绍了 议规范的基础上 ,详细地论述了指纹采集系统中 口的硬件电路设计、固件程序编写和驱动程序的过程。 关键词： 指纹识别； 议；固件；程序 一、 简介 指纹采集 将图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片里，体积明显减小、功耗也大大降低，满足了对高度小型化、低功耗成像系统的要求。与传统的 制简单等诸多优点，并且在通常的使用环境中，其成像质量与 有 明显差异。因此随着 成电路工艺的不断进步和完善， 像传感器己经广泛应用于各种通用图像采集系统中，特别是小型化的指纹采集系统中。 据传输 随着现代计算机技术的发展和普及，以 为平台发展的数据采集系统已成为当前数据采集技术发展的重要方向。对需要大规模数据传输的数据采集系统，其数据传输方式对数据采集速度有至关重要的影响。 （ ） 计算机总线 计 算机总线就是计算机几个模块间进行信 息 传输的通道。利用总线，一个设备就可以完成与另一个设备或多个设备之 间 的通信。一 般 来说，计算机总线分为 ： 系统总线、外部总线、内部总线 三 大部分。 系统总线 ：用 来与 系统扩充槽 上 的板 卡 相连，它是 微型机 系统最 重 要的一 种 总线 。一般谈到微型机总线，指的就是这 种 总线 。 外部总线： 它用于在系统之间进行互联 ， 如微机之间，微型计算机与仪器或其他设备之间。常用的总线有 并行 口、 3 片内总线 ： 它位于微处理器芯片内部，用于 算术逻辑单元 ） 及各种寄存器等功能单元之间进行互联。 （） 使用 对外置式数据采集系统，数据传输必须利用计算机外围总线接口。传统数据 传输所用的计算机外围接口多为并行口和串行口。但是计算机的并行口和串行口数量有限且传输速率不高，而计算机外围设备却在日新月异的变化和增加，外设对传输速率的要求也越来越高，同时，对串行口和并行口的使用也无法做到热插拔，安装时仍需要关闭计算机。 为了解决以上问题，一种新型的 用串行总线 ） 应运而生。 1998年 9月，布 范，该版本为目前计算机操作系统以及硬件平台支持，其传输速率支持 12Mb/s s。 2000 年 4月， 布了 速率高达 480Mb/s，同时兼容 范，在操作系统 都提供支持。 使用方便 。 使用 持热插拔，在软件方面，为 需用户干预。 速度快。 12 别满足不同设备的需要。最新推出的 80 扩展方便。在 通常有 也有专用的集线 器 。 这种扩展方式使 供电方 式 灵活。 ： 总线供电和自供电 。 四 种传输 类型 ： 中断传输 （ 、 控制 传输 （ 、块 （ 批 量 ） 传输 （ 和同步传输 （ ，满足不同设备 的 需要。 课题的目的 在利用 像传感器实现的指纹图像采集的系统中，采集的指纹数据的传输是一个十分重要的环节，本论文就是采用 范标准来解决外置式指纹图像采集系统与 间数据传输的“瓶颈”，实现采集数据与 间准确 、快速和方便的传输。其内容包括 议规范的深入研究， 输接口硬件的设计，固件和驱动的 装载 。 4 二、 范和协议 理接口和电平特性 理接口 送信号和电源是通过一根四线的电缆，如图所示：电缆中使用 条线向设备提供电源 （ V）。但每个 过电缆只能提供 有 限的电源。 图 1 电缆 D+、 支持两种数据传输率 全 速信号的比特率为 12Mb/s； 低速信号传送的比特率为 s。 平特性 机 (或集线器 )和设备采用差分输出驱动器将数据信号驱动到 缆 上 ,其电平特性如表 所示 ： 表 1 信号电平 总线状态 信号电平 始端的源连接器 终端的目标连接器 需要条件 接受条件 差分的“” (D+) (D)(D+)(D+)-(200 分的“” ( (D+)200 (D+)-(200终端“” (D+)和 ( (D+) (D+) (D+)(定了总共 128个地址。 端口字段 附加的位的端口（ 段在功能部件需要一个以上端口时允许更灵活地寻址。除了端口 地址之外，端口个数是由功能部件决定的。 端口字段只对输入，建立和输出标记 有的功能部件都必须在端口 0提供一个控制管道 （ 缺省控制管道）。对于低速 （ 设备，每个功能部件最多提供 3个管道：在端口 0的控制管道加上 2个附加管道（或是 2个控制管道，或是 1个控制管道和 1个中断端口，或是 2个中断端口）。全速 （ 功能部件可以支持最多可达 16个的任何类型的端口。 帧号字段 帧号字段是一个 11位的字段，主机每过一帧就将其内容加一。帧号字段达到其最大值 7它仅在每个帧最初时刻在 数据字段 数据字段可以在 0 到 1023 字节之间变动，但必须是整数个字节。图 3 为多字节数据格式。每个字节的数据位移出时都是最低位 （ 在前 。数据包大小随着传送类型而变化。 11 图 3 数据字段格式 线枚举 当 备插到 线上时，主机通过一个叫总线枚举的过程来确认设备状态的改变 。 以下是 到设备可用的整个枚举过程 ： （ 1） 当 主机内置有 根 ，该 机发生了设备接入事件，设备进入连接状态，此时 还未进入使能状态 ； （ 2） 主机检测 认设备的接入时间和接入端口 ； （ 3） 直到确认了有新设备接入，主机就传送一个复位 （ 命令 ； （ 4） 00该信号结束时，端 口 就己使能， 00备进入上电状态，所有的寄存器和状态重设，并响应默认地址。 （ 5） 在 备收到唯一地址前，可以通过设备默认的地址访问默认的端点，主机读取设备的设备描述符来获取设备默认管道的最大数据传输 量，此时设备处于地址默 认状态 ； （ 6） 主机给 备进入地址状态 ； （ 7） 主机读取设备的配置描述符以获取设备的配置信息 ； （ 8） 主机以设备的配置信息和 备的用途，向 备发出一个配置值 ； 设备进入配置状态 ；所有的端点准备就绪可以开始工作，设备可以使用 ； 当 备从总线 上 移出时， 知主机发生了设备移出事件，该设备的端 口 进入关闭装态，主机将更新局部的拓扑逻辑信息。 三、 指纹采集系统中 口的硬件设计 系统硬件设计方案 芯片选择 目前，市场上供应的 主要有两种 ： 带有 口的单片机又可以分成两类 ： 一类是从底层设计专用于 制的单片机，如 低速 ） 、 全速 ） ，但由于价格、开发工具以及单片机性能有限等问题，故很少选用此种芯片 ； 另一类是增加了 基于 8051） ,8基 12 于高速增强的 8051） ,于 8051)，选择这类 发人员对指令 比 较熟悉，且外围接口电路简单。纯粹的 此必须增加一个外部处理器来进行协议处理和数据交换，如 ,并 口） ，朗讯公司的 25，美国国家半导体公司的 604 和 考虑到指纹图像数据数量大， 果利用纯粹的 如8051)，其处理速度会很慢，因而达不到指纹采集数据传输的要求，但如采用高速微处理器 （ 如 ,虽满足了速度要求，却增加了成本。因此在各方面综合 下 本论文选择了 增强型 8051） 的 Z 指纹采集图像传感器采用 它具有体积小、重 量 轻、功耗低、集成度高、价格低等优点。 系统结构 利 字图象传感器与 口数据传输来实现的指纹识别仪 具有结构简单、体积小、便携化等优点。本章将重点介绍利用 制传输芯片（内部集成了增强型 51 内核）来实现指纹信息的采集和 输的硬件电路设计， 应用 所示 ： 图 4 指纹识别硬件系统简略框架图 首先， 2 的窗口、输出模式等参数进行配置，光学透镜把指纹图像成在 按照一定的帧频连续输出 8位的数字图像数据 Y7:0（ 输出数字图像数据的帧同步信号为 平有效信号为 输出时钟信号为 。为了实现指纹传感器输出数据与 ，使用了 3 （ 和 用此高速缓冲区先将 后 位机 （ 的 信，将高速缓冲区中的数据传输到 。 控芯片 构框图 Z 。 部结构简图如图 5所示： 图 5 化框图 该芯片集成了一个增强型 8051 核、一个串行 接口引擎、一个 发模块、 外有 24 个 I/16位的地址总线、 8位的数据总线，一个 D， D） 。该芯片遵从 持远程唤醒功能。 集成的 线的 D 和 D 引脚相连。串行接口引擎 (串行数据进行编码和译码，并执行错误更正、位填充以及其它一些 后发送数据字节到 内部集成的微处理器是一个增强的 8051， 具有执行时间快 （ 每个指令周期包含 4 个时钟，时钟频率24，并增加了许多新的特性。内部 列使用增强的 口（ 称为“ 核” ） ，它甚至能在 8051 之前就具有智能的全部备的功能。这个增强的内核能够自动完成 议的许多 工 作，简化了 8051 的程序设计。 片的电压为 简化了 备总线电源的设计。因为 接器提供 5V 电源 （ ,可驱动 定的电源。 处理器 处理器是一个改进的 8051 内核。使用 8051 兼容的处理器，为 计提 14 供了大量的软件支持工具。改进后的 8051其特性如下： （ 1）空闲的总线周期被消去，一个总线周期包含 4个时钟周期，而标准 805则为 12 个时钟周期，因此速度提高了 3倍； （ 2） 24 （ 3）双数据指针可用于存储器之间的快速传输； （ 4）三个计数器 /定时器； （ 5）扩展的中断系统 ； （ 6） 两个 （ 7） 256字节的内部寄存器 （ 8） 标准 8051指令 集 ； （ 9） 可变的 低速的 （ 10） 可与非复用的 16位地址总线的高速存储器接口 ； （ 11） 快速外部传输 （ 自动指针、快速传输模式 ）； （ 12） 带自动向量的 断 ； （ 13） 控制传输中的 （ 14） 改进的 8051内核使用片内 首先， 线将 8051 程序代码和设 备 描述符下载到 ，然后 片使用己下载的程序中定义的外设特性进行重连接。 点 点的就是一个装满了接收字节或将要通过 线传输字节的缓冲器。 8051 从 冲器读取数据，通过 冲器写入端点数据进行 （ 1） 块端点 块端点无方向控制，即一个端点对应 一 个方向，块端点的包长度为 8， 16， 32， 或 64字 节。 14个用于块（ 批量 ） 传输的端点，包括 7个 ,（ ， 和 7个 ， 14个端点 中 每个都有 64字 节 的缓冲 区。 （ 2）控制端点 0 点 0是控制端点， 传 送 来 自或发向 控制信息 ， 第一次插上主 机时，主 机对 其初始化的过程 ） 就 是由 端点 0 引导的 。端点 0 是 双向的，且 只接受 8051通过端点 0响应主 机发出的 设备 请求。 （ 3）中 断端点 中断端点与块端点大致相同， 14 个 点 （ 可用作中断端点 ， 中断端点信息包最大长度可达 64 字节，在其描述符中包含一个“轮询间隔”字节，以告诉主机为之服务。 8051通过中断端点传送数据的方式与块端点完全一样。 15 （ 4） 同步端点 同步端点通过 间精确的数据。 供 16个同步端点，编号为 8 15 （ 8580150。 举与重枚举 枚举与重枚举概述 所谓 电）期间，内核进行初始的总线枚举和 8051代码下载，此时作为默认的 备；在脱离复位后， 8051 执行下载的代码程序，再次进行总线枚举，此次作为装入的正常 枚举是芯片在电气上 模拟一次物理断开和重连接来完成的，其实现电路如图6 所示：当运行下载的固件代码时，在所有操作前使 /脚输出低电平并持续一段时间，然后变为高电平。 图 6 重枚举硬件电路 片具有软特性：集成 8051 的程序代码和数据存储在内部 ，使用 口从主机中加载。因此，使用 片的外围设备可以不带 作。 控制位“ （ 再次连接 ） 决定了是 由 核还是 8051 来处理通过控制端点 0 的设备 请求 。在 上电时， （ 是 0， 表明 核自动处理设备请求。 一 旦 8051固件代码开始运行，它设置 表明使用 由 用户下载的 8051程序代码来处理设备请求。 枚举方式 2表 3所示 ： 表 3 通电时内核动作 不是 0 置 0 从 设置 16 0载 置 ； 由 8031提供描述符， 表中 ， D， D， D。 （ 1） 如果没有 在，或者是存在但首字节既不是 0不是 0核使用内部存储的描述符数据进行枚举，包括 表 4所示。这些 节 引起主机操作系统加载 种方式只用在开发和调试阶段。 表 4 内部 D 0公司产品代号 ） D 0 版本决定 ) （ 2） 如果有串行的 在 部 存储的描述符，就像和没有 样枚举。但不同的是它从外部 个字节 (如表 5所示 )中而不是 核提供 据。 定制的用户 主 机操作系统 加载和 匹配的驱动程序 。 表 5 内容 0 0 D （ L 2 D （ H 3 D （ L 4 D （ H 5 D（ L 6 D（ H 7 未使用 （ 3）如 果有串行的 在 。 核还设置 “ 位为 1 来表明 8051（ 而不是 ） 通过“控制”端点 0响应设备请求。因此，所有的描述符数据，包括 据都是由 8051固件代码提供。从 对于 存器 ） 发出 8051 的复位信号，使 片 像 完全定制的设备 一样使用 辅助硬件电路设计 电压调整模块电路设计 整个硬件 电路系统的供电方式采用 就是说，整个硬件电路的供电是主机 （ ） 通 口 提供的，其提供的电压为 +5V，最大电流为 500件电路中 17 作电压为 +5V 而 制器 作电压是 +此必须通过电压调整电路将 +5V 的供电电压转换为 +而适应整个硬件系统的需求。图 7为 +整器 图 7 电压调整电路 线的 路 在前面电路设计中已经提到，当 2果检测到 载程序就会读取 以决定如何进行总线的枚举。因此，整个硬件电路中 块电路是不可缺少的 （ 当然对于调试可以没有，但作为一个备是不可缺少的 ） 。 选用具有 线接口的 片 2424 8K 字节的电可擦除的 工作电压范围为 242 字节（一页），可以任意的或连续 读出 8一种封装类型管脚（ 图 8所示： 图 8 24脚 其中 用户配置地址，在 口硬件系统中，此地址必须为 0、 0、 1。 写保护，2于在 此使用中必须将 9为实现的 18 图 9 口的 路 串口电路 (调试接口电路 ) 固件程序开发编译工具使用 码调试过 程中其与硬件电路的连接和通信是使用主机（ 串行通信标准 根信号 （ 的电缆线，并对数据和控制信号标准作了定义。 在 逻辑 1（ 3V 15V 逻辑 0（ 3V 15V 在 信号有效 （ 接 通， 电压 ） 3V 15V 信号无效 （ 断开， 电压 ） 3V 15V 对于数据 （ 信息码 ）： 逻辑“ 1”的电平低于 3V，逻辑“ 0”的电平高于 3V； 对于控制信号 ： 接通状态 （ 即信号有效的电平高于 3V， 断开状态 （ 即信号无效的电平低于 3V。 以上电气特性表明当传输电平的绝对值大于 3V 时，电路可以有效地检查出来，介于 3V 3V 之间的电压无意义，低于 15 15 四、 口的软件设计 件程序设计 指纹采集 设备请求 ） 子程序和 主程序 主程序主要完成各种工作状态标志，各种变量的 能模块的初始化和各种中断的设 定。其框架结构流图如图 10所示： 19 图 10 固件主程序图 主程序工作过程如下：首先初始化内部的状态变量，然后调用用 户初始化 函数 ，此函故中包括对串 口 初始化和对指纹图像传感器 初始化函数的调 用：