【硕士论文】基于DSP自动指纹识别系统的研究与实现.pdf

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电子科技大学硕士学位论文基于DSP自动指纹识别系统的研究与实现姓名：顾良申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：解梅20040601 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现摘要人类社会进入信息时代以来，在人们享受着信息化所带来的好处的同时，也带来了更多的信息安全方面的隐患。以前的那种基于身份标识物品和身份标识知识的个人身份识别方法已越来越受到了局限，因此基于人体生物特征的身份识别技术，特别是人体指纹识别技术的应用得到了极大的发展。指纹识别技术应用的一个具体体现是自动指纹识别系统。本文构建了一个由主控电路(包括主控DSP芯片C6711B和存储器)、输入通路(指纹图像采集部分)、输出通路(USB接口)、人机交互设备(LCD显示和键盘输入)、调试端口(JTAG)和电源管理及监控电路等六大部分综合而成的自动指纹识别系统。系统将各模块有机地组织起来，具有实用性。系统的核心是TI公司C6711BDSP芯片，利用其强大的数据处理能力，快速地完成指纹图像处理算法对指纹图像的各种处理任务，满足系统的实时性要求。硬件系统设计的关键是充分利用C6711B的EMIF口(外部存储器接口)的可编程特性，完成与不同类型、不同时序要求的器件的接口任务，最大限度地发挥了EMIF的可编程接口能力。系统设计的另～个要点是利用GPIO(通用I／O口)发送、接收信号来模拟完成12C总线协议对数据传送格式及时序的要求，从而实现了系统对几个从设备进行控制及数据传输的目标，获得了C67llB硬件本身所不具备的对12C设备的接口能力。最后，文章给出了系统软件设计框图，并给出了12C数据传输程序流程图。提出了未来的工作方向。关键词：自动指纹识别系统C6711B数字信号处理器外部存储器接口12c总线协议的模拟 电子剥拄大学硕士学位论文：摧于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现AbstractInthemodemage，peopleenjoytheadvantagescomingfromtheinformationtechnology．Atthesametime，allkindsofproblemsofinformationsecurityappear．Thosemethodswhichareusedtoidentifysomeone’sstatusaccordingtohismarkerorknowledgehavebeenlimited．Thereby，somenewtechniquesbasedonbiologicalcharacteristics，especiallythefingeiprintidentification，havebeendevelopedquickly．Oneoftheapplicationsoffingerprintverificationistomakeautofingerprintidentificationsystem(AFIS)．Inthispaper,asystemisestablished，whichconsistsofsixpans，thatis，managementportion(includingC6711BDSPandmemories)，inputchannel(usedtosamplefingerprintimage)，outputchannel(USB)，communicationsbetweenhumanandmachine(LCDandkeyboard)，debugger(JTAG)，powermanagerandsupervisorThesystemisapplied．ThekeyofthissystemisthechipofC671DSPofTI．ItOWllSpowerfulcapabilitiesofprocessingdatum，Itcanexecutevarietiesoftasks，whicharerequiredbyfingerprintimageprocessingalgorithm，andisfitforthedemandofreal-time．TheprincipalpointtodesignhardwaresystemistheapplicationofprogrammableEMIF．Usingthisfunction．EMIFCaninterfacewithallsortsofdeviceswithdifferenttiming．Anotheroutlineisthesimulationof12CprotocolwhichisimplementedthroughGPl0，Thus，thesystemcancommunicatewithsome12Cslaves。Ontheotherhand，thispaperdescribesthechartofsystemsoftwareandtheflowchartofdatumtransmissionof12C．Intheend，itdescribestheworkcontentsinthefuture．Keywords：AFISC6711BDSPEMIFSimulationof12Cprotocol 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：巫垦日期：为。争年乒月≯oM关于论文使用授权的说明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Ep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：丞庭导师签名：堑弛毖日期：口牛年口j月。20日 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现§1．1引言第一章绪论对个人身份进行识别的问题由来已久，它的历史可能与人类社会发展的历史同样久远。古时候由于通讯技术的落后，军队统帅要想将自己的命令传达下去，就需要派遣大量的传令兵去通知各部队。为了证明自己的身份，传令兵要随身携带一些信物，比如令箭，符节等。然而这种办法并不保险，如果传令兵被敌方俘获，而信物落入敌手，就会带来毁灭性的灾难。《史记·信陵君列传》中“信陵君窃符救赵”的故事，记载的就是魏国公子信陵君，盗取魏王兵符，最终统领军队，破秦救赵的历史事件。不仅在军事行动中要求身份识别，在百姓日常生活中也经常需要识别个人身份。早在春秋时期，我国的鲁班就发明了世界上最早的身份识别系统——钥匙和锁。这种机械式的系统，应该是最原始最简单的识别系统了。进入电子时代，社会经济生活的发展使人们对于身份识别的需求日益迫切，加之各种新技术的运用，产生了一些新的身份识别技术，如各种智能卡、基于身份号加密码的数字密钥技术等。然而以上这些技术，都存在一些固有的缺陷：机械钥匙易被复制是众所周知的；智能卡可能被他人窃取；数字密钥技术的问题也不少，密码的记忆和保管是个令人伤脑筋的问题，密码可能被盗取或破译，要想提高其安全性，需要更长的密码以及更复杂的加密系统，这又进一步增加了使用者的负担和使用成本，但是效果却并不一定好多少。以上这些识别技术最大的问题在于：它们是以物识人，或以某种知识来识别人(如“某人知道的某事”)，而非以人识人。这些物或知识与人本身没有本质的联系，一定条件下，有可能被别人获取，而一旦发生了这种情况，以上这些识别方法即使技术再先进也都将变得毫无意义。那么，有没有什么更可靠、更安全、更方便，能够利用人体本身的特性来识别个人身份的方法呢?§1．2生物特征识别技术满足上节所述条件的识别对象应该具有稳定性(长期不变)、唯一性(不同 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现的个体互不相同)、普遍性(人人都有)、与待识别的个体有本质的联系等特性。于是，人们把目光投向了生物特征识别技术。所谓生物特征识别技术(BiometricIdentificationTechnology)就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，可以测量，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。生理特征如手形、脸形、视网膜、指纹等；行为特征如笔迹、步态等[11。生物特征识别技术是目前较为安全的识别技术，它不需要记住复杂的密码，也不需随身携带钥匙之类的东西。生物识别技术认定的就是人本身。由于每个人的生物特征具有与其他人不同的唯一性和在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用生物识别技术进行身份认定，安全、可靠、准确。人类使用生物特征识别技术的历史可追溯到古代。当时埃及人通过测量人的尺寸来鉴别他们。像这种基于测量人体身体某一部份或者举止的某一方面的识别技术一直延续了几个世纪。现代生物识别技术始于20世纪70年代，早期的识别设备较为昂贵，一般用于安全级别要求较高的场所。现在由于集成电路制作工艺的突飞猛进，各种元器件的成本大为下降，为生物特征识别设备的产业化、民用化提供了保证。目前，用于生物识别的生理特征有手形、指纹、脸形、虹膜、视网膜、脉搏、耳廓等，行为特征有签字、声音等。基于这些特征，人们已发展了多种生物识别技术(见图1—1)。劳，电岛鹞图I一1生物特征识别手形识别包括掌纹图像识别、手掌手形识别、单指或两个手指的指形识别其中手形和指形识别是利用手指的三维立体形状进行识别。 电子利技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现脸形识别通过分析脸部不易变化的形状、模式和位置来辨识人。用于捕捉面部图像的两项技术为标准视频和热成像技术。标准视频技术通过一个标准的摄像头摄取面部的图像，一些核心点被记录下来，例如，眼睛，鼻子和嘴的位置以及它们之间的相对位置等；热成像技术通过分析由面部的毛细血管的血液产生的热线来产生面部图像，热成像技术并不要求在较好的光源条件下，即使在黑暗情况下也可以使用。虹膜是一种在眼睛中瞳孔内的织物状的各色环状物，每一个虹膜都包含一个独～无二的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等特征的结构，据宣称，没有任何两个虹膜是一样的。虹膜扫描安全系统包括～个全自动照相机来寻找眼睛并在发现虹膜时，就开始聚焦，想通过眨眼睛来欺骗系统是不行的。视网膜是一些位于眼球后部十分细小的神经，用于生物识别的血管分布在神经视网膜周围。视网膜识别技术要求激光照射眼球的背面以获得视网膜的特征。声音辨识并不对说出的词语本身进行辨识，而是通过分析语音的唯一特性，例如发音的频率，来识别出说话的人。签名识别，也被称为签名力学辩识，它建立在签名时的力度之上。它分析的是笔的移动，例如加速度、压力、方向以及笔划的长度，而非签名的图像本身。签名力学的关键在于区分出不同的签名部分，有些是习惯性的，而另～些在每次签名列都不同。以上的各种生物特征识别技术各有各的优点，然而在实际应用中也存在一些问题。虹膜、视网膜的图像获取设备的尺寸难以做到小型化，而且非常昂贵，使用起来也不甚方便；大部分研究生物识别的人都认为面部识别最不准确，也最容易被欺骗；与其他方法相比，手掌几何学的准确度不是太高；语音识别尽管方便，但不太可靠；签名辨识的问题在于在辨识过程中使用的度量方式以及签名的重复性。§1．3指纹识别的历史与现状指纹识别属于生物特征识别的一种。指纹是由于手指内侧表面的皮肤凹凸不平所产生的纹路而形成的图案。不同的人的指纹，或同一个人的不同手指的指纹，它们的纹线走向及纹线的断点和交叉点等均不相同，就是说，每个人的每个手指的指纹都是唯一的。按现有人口计算，大约120年才可能出现两枚完全相同的指纹。此外，指纹不随年龄的增长而发生变化，终生不变。依靠这种唯一性和稳定性，可以将一个人和他(她)的指纹对应起来，通过对其指纹和预先保存的指纹 电子科投人学硕=匕学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现进行比较，就能验证其真实身份。这就是指纹识别技术。人类对指纹的应用在很早的时候就已开始。大量的考古发现表明，在古代中国、古叙利亚及其他一些古文明的遗迹中都可以找到其先民的指纹印痕。中国是最早利用手印进行侦查活动的国家。有文字可考，有实物可证的距今已有二千一百多年。至少在唐代就已应用指、掌印子文书契约上。而到了宋代，手印己正式作为刑事诉讼的物证了。指、掌纹在中国古代的借贷契约、买卖文凭、婚约休书、狱词供状，军队名籍等方面的广泛应用，反映了我国人民早已认识到指纹与人身的唯一对应关系。中国是世界公认的指纹应用发源地。现代意义上的指纹技术及应用始于19世纪，当时的科学研究发现了指纹的两个重要特征，一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同，另外一个是指纹纹脊的式样终生不变。这个研究成果导致了指纹在犯罪鉴别中得以『F式应用。最早辨识指纹的工作只能由人工来完成，工作量大，效率低下。从20世纪60年代起，电子计算机技术进入指纹鉴定领域，人们开始利用计算机的高速处理能力完成指纹的自动辨识工作，自动指纹识别系统(AutomaedFingerprintIdenificationSystem)在法律实施方而的研究和应用在世界许多国家展开。20世纪80年代，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得它们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用。现在，低价位取像设备的引入及其飞速发展，可靠的比对算法的发现为个人身份识别应用的增长提供了广阔的舞台。除了具有其他生物特征识别技术所具有的唯一性、普遍性、稳定性之外，指纹识别技术有其自身的一些优点：1)易于采集，所需的采集工具及处理设备均不复杂；2)切实可行，并不要求很高的条件就可达到较高的准确率、速度和健壮性；3)人们的可接受程度高；4)使用方便，既不用怕丢失，也不会被遗忘；5)即使受了些损伤，也很容易恢复：6)可以利用多个指纹来提高系统的安全性，且很容易做到。故而，指纹识别技术已成为目前最流行、最安全、最方便的身份认证方式。它已开始在金融、公安、门禁、管理、网络安全等领域获得广泛的应用。 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现§1．4课题来源、目标及意义本项目来源于国家信息产业部的专项课题指纹识别系统的研制。课题立项主要基于以下几点：首先，据IBG(国际生物集团)的统计表明卜1：预计到2005年底为止，全球生物特征技术的市场将达到22亿美元的水平，其中指纹类产品约占三分之～左右。同时，市场每年将以超过80％的速度增长。生物特征识别正成为一个令许多大公司和投资者们朝思暮想的庞大市场。目前，生物特征认证技术在国外经过30多年的发展，软硬件已经相对比较成熟，产生了一批比较有规模、技术成熟、有实力的厂商，生物识别技术的产品开始进入大规模的应用。反观国内，虽然北京大学、中科院自动化所等单位也掌握了一些核心算法，但应用上总体还处于发展初期，主要集中在比较分散、自发性的企业级应用上。大多数企业的硬件设备源于国外厂商；缺乏技术标准和行业规范，缺少专业性的独立评测机构；技术和产业环境与国外存在差距，资源、信息缺乏共享，公用数据库偏少。这些都将使中国在这个即将到来的大市场中处于不利位置。其次，人类进入新世纪以来，世界安全形势并没有如乐观人士预想的那样变得更好，“9．1i”事件再次向人们敲晌了警钟。今年初，美国开始对入境外国人提取指纹，反映了美当局对安全问题的忧虑。中国的安全问题虽不至于像美国那样严重，但依然很严峻。特别是2008年奥运会、2010年世博会对中国来说都是很大的考验。就在前不久，日本一家著名公司来到北京，全力推销其生物特征识别技术，希望能用于北京奥运会。因此，大力推进我们自己的生物特征识别技术、尤其是指纹识别技术的研究水平并促其产业化，不仅可以提高我们的安全防范水平，也可以产生很大的经济效益、社会效益。同时可以带动计算机、电子、光学、图像处理、模式识别等相关学科的发展，具有很的大的理论与现实意义。课题目标是开发出快速实用的指纹识别系统。主要分两部分：指纹识别算法软件和方便适用的硬件系统。§1．5论文工作简介及章节安排本文工作是课题目标的一部分，主要论述硬件系统的研制。各章节安排如下：第二章是指纹识别概述。讲述了指纹识别中的一些基本概念，讨论了几种指 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现纹采集技术，并简要阐述了指纹图像的一般处理流程。第三章叙述了DSP芯片的一般特点，并对DSP选型中需要考虑的～些问题进行了探讨，确定了本系统采用的芯片型号。最后对选中的C67]1B芯片的内部结构及其功能进行了详尽阐述。第四章是本文的重点，设计出了整个指纹识别硬件系统，包括：主控电路、输入通路、输出通路、人机交互设备、调试端口、电源管理及监控电路等六大部分。第五章是系统软件设计部分，叙述了TI公司的CCS集成软件开发工具的基本构成及特点。阐明了本系统软件构成的总体框架。给出了部分程序的流程图。第六章总结全文，提出了未来的工作方向。 电子私|-技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现第二章指纹识别概述在本章，将给出指纹识别中的一些基本概念，然后对指纹图像的处理流程做一个简要的阐述。§2．T指纹识别基本概念§21．1指纹的分类指纹的纹路由脊线和谷线构成。一般根据两种特征来识别指纹：全局特征及局部特征[31。全局特征全局特征指能够反映指纹整体形状的特征，用肉眼可直接观察到。有三种基本图案：环形(100p)，弓形(arch)，螺旋型(whorl)，如图2一】所示。酉i蠹环型(100p)弓型(arch)螺旋型(whorl)图2一I指纹全局特征的三种基本图案全局特征只是一个粗略的分类，仅靠它来识别指纹是不够的，但通过它来粗分之后，查找指纹的工作可以更加迅速。包含全局特征的区域称为模式区(PatternArea)。模式区包含几种奇异点：核心点(CorePoint)位于指纹纹路的渐进中心，用作读取指纹和比对指纹时的参考点；三角点(Delta)位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、转折处，它提供了指纹纹路的计数和跟踪的开始；纹数(RidgeCount)指模式区内指纹纹路的数量。(见图2—2) 电了科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现局部特征局部特征指的是指纹上的细节点。指纹纹路经常出现中断、分岔、或打折，这些点就是细节点，也称为特征点。正是这些点提供了指纹唯一性的确认信息。璎豫．撼厢模式区核心点三角点纹数图2—2模式区及其奇异点特征点有几种类型：终结点一条纹路在此终结；分岔点一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路；分歧点两条平行的纹路在此分开；孤立点一条特别短的纹路，以至于成为一点；环点一条纹路分开成为两条之后，立即合并成为一条，这样形成的一个小环称为环点；短纹一条较短但不至于成为一点的纹路。(见图2—3)口■■_终宝{；点分岔点o●孤立点图2—3特征点的类型Pa蕾豳短纹几种特征点中，最为典型的是终结点和分岔点，其他的特征点类型不经常采用。另外，上面所说的核心点和三角点也属于特征点，但有些指纹并不拥有这两个特征。特征点还具有其他一些特性：方向特征点可以朝着一定的方向，由所在的脊线方向决定：曲率描述纹路方向改变的速度；位置特征点的位置可以是绝对的，也可以是相对于参考点的。§2．1．2指纹识别系统的·性能指标指纹识别系统主要有以下性能指标：(1)拒真率FRR(FalseRejectRate)，即将相同的指纹误认为不同的出错概率。(2)误识率FAR(FalseAcceptRate)，将不同的指纹误认为相同的出错概率。。，童|||≮ 电子科技大学硕士学位论叟：箍于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现(3)l：1与l：N。指纹识别有两种基本方式，～种是验证(1：1)，即将一采集到的指纹与另一个己记录的指纹进行一对一的比较，判断它们是否是同一个指纹。实际应用中通常是先输入用户ID号，将与该ID号对应的指纹模板从指纹库中调出后，与待识指纹比对。另一种是辨识(i：N)，是把采集到的指纹同指纹库中的指纹逐一进行比对，从中找出与待识指纹相符的指纹，也称“一对多匹配”。(4)速度。一个实用的指纹识剐系统，对于识别速度的要求是显而易见的，试想如果一个指纹考勤系统识别出一个指纹要1分钟，那它必然会被市场所抛弃。影响识别速度的因素主要有：指纹采集时间、指纹图像处理时间、比对时间、系统的传输速率等。概括说来就是软件因素和硬件因素。软件由算法决定，硬件速度将在下一章讨论。§2．2指纹的采集指纹图像的采集，主要有以下几种技术。光学全反射技术。光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光被CCD(chargecoup]edevice电荷耦合器件)获得，反射光的量取决于指纹的脊和谷的深度及皮肤与玻璃间的油脂和水分。光线经玻璃射到谷后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD，而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上形成了指纹的图像。半导体传感技术。常见的是硅电容传感器，它的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，当用户的手指放在上面时，皮肤构成了电容阵列的另一面，由于指纹纹路的存在，致使各电容值不同。另一种传感器是压感式的，其表面层是具有弹性的压感介质材料，它们将指纹的凹凸情况转化为相应的电子信号。其他传感器还有温度感应传感器，它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷的温度的不同获得指纹图像。超声波技术。超声波首先扫描指纹的表面，然后，接收设备获取其反射信号，测量它的范围，得到脊的深度。超声波扫描的优点是积累在皮肤上的脏物和油脂对获得的图像影响不大，所以这样的图像是对实际脊谷形状的真实反映。几种技术各有利弊。晶体技术传感器体积小，但易损坏，对干手指成像能力好，湿手指较差，分辨率稍低，成本低；光学传感器体积稍大，耐用，对较干或较湿的手指成像均不太好，分辨率较高，成本低；起声波设备体积～般较大，成像能力很好，分辨率高，但成本较高。 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现§2．3指纹图像处理流程指纹图像的处理，存在两种不同的方法。一种是光学技术处理法r1，另一种是电子技术处理法。光学技术处理法是利用各种透镜、棱镜等光学仪器构造出不同的光学模型器件，对图像进行光学变换，并构造光学相关器，以确定图像间的相关程度，从而判定指纹是否匹配。由于光学系统可以同时对整个指纹进行并行处理，故而处理速度非常快。但由于光学系统需要构造多种光学器件，因而整个系统十分复杂。本文主要涉及电子技术处理方法，对此不再予以更多介绍。电子技术处理法是先将采集到的指纹图像数字化，转换成指纹的数字图像，然后交给微处理器，利用有关的数字图像处理方法，对其进行处理。指纹图像处理的一般流狸如图2—4所示。图2—4指纹图像处理的一般流程在上面的流程中，“①”表示指纹登记。在一个指纹辨识系统中，需要建立一个指纹数据库，原来在该数据库中没有的指纹，其信息首先要被存入库中，这就是指纹登记。需要说明的是，存入数据库中的指纹信息并不是指纹图像，而是指纹图像经过处理后所形成的少量特征数据(即所谓“特征模板”)。这样做的原因一个是由于要保护指纹拥有者的隐私权，也就是要确保本系统不会对指纹提供者的安全(如财产安全)构成威胁，另一个原因是可以大大减少数据的存储空间。这种从指纹图像到特征模板的转换是单向的，逆转换不成立。指纹一旦登记入库之后就不需要再次登记，下面进入实际应用阶段。以后不管是验证也好，辨识也好，所要做的只是将现场采集到的指纹提取出特征模板后与指纹库中已有的数据进行比对，判断它是否是其中的一个，是哪～个，最后输出判断的结果。这就是流程中“②”所表达的意思。图像预处理经指纹图像采集头采集得到的图像，常由于手指用力不均，摆放位置不当 电子科技人学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现及其他一些原因而造成指纹图像变形，也就是造成指纹图像的噪声过大。通过预处理，可以去除噪声，把图像变成清晰的点线图，增强了图像的可识别性，以便后面能正确地提取出指纹特征。预处理一般包括图像增强、分割、滤波、二值化、细化等几个步骤。图像增强的日的在于改善图像的视觉效果。常用直方图均衡的方法来增强图像。它可以使每一灰度级所对应的象素个数基本相同，以达到增强图像的目的。图像分割是把图像划分为若干区域，各自对应于不同的物理实体。目的是将图像中质量很差的图像区及背景与有效区分开，使后继处理能集中于有效区，从而提高特征提取的精度。图像滤波有灰度图滤波法和方向图滤波法。灰度图滤波法仅把指纹图简单的当作灰度图来处理，效果不是很好。方向图滤波法利用了指纹纹线的方向性的特点，效果较好。图像二值化是设定阈值，把灰度图像变换成仅用0和1分别表示目标和背景的二值图像。这样～来，图像的几何性质只与0和l的位置有关，不再涉及像素的多级灰度值，便于提取细节特征点。主要有两类选取阈值的方法：全局闽值法是对整个图像采用～个阂值进行划分，采用此方法二值化灰度不均匀的指纹图像时，纹线易产生断线；局部阈值法是将图像分成一些子块，然后对每一子块选定～个闷值，分块大小不同，二值化结果也不同。指纹图像细化。二值化后的指纹线仍具一定宽度，而指纹识别只关心纹线的方向和特征点，通过细化，可以删除纹线的边缘象素，使其成为单象素宽度以便特征提取。细化时应保证纹线的连接性、方向性和特征点不变，纹线的中心也应基本不变。目前使用较多的细化方法是采用模板匹配的方法，比如迭代法、OPTA单连通法等。特征提取特征提取把指纹图像的纹线走向，纹线断点、交叉点等能充分表示该指纹唯一性的特征用数值的形式表达出来。为了比对的准确性，要求特征提取算法尽可能多地提取有效特征，同时滤除由各种原因造成的虚假特征。对细化后的指纹图像，～般可简单的通过3×3的模板检测出常用的特征点。有的则还需要寻找总体特征点如核心点和三角点等。匹配时主要依据下述信息：细节点的位置、方向、指纹的纹型、脊线的趋势、细节特征点之间的脊线数目等。不同系统，特征量的确定方法不同。 电了科技火学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现特征匹配特征匹配是将新输入指纹的特征值与指纹库中所存指纹的特征值进行比对，找出最相似的指纹作为识别的输出结果。也就是所说的指纹验证／辨识过程。由于各种因素的影响，同一指纹两次输入所得的特征模板很可能不同。因此，只要有输入指纹的特征模板与所存储的模板相似时，就说这两个指纹是匹配的。于是产生了有关的衡量标准的问题。通常，匹配结果用“匹配度”来表示。当匹配度大于某一阈值时，认为两指纹匹配：相反，当小于该阙值时，认为不匹配。闽值大小通常根据经验、系统安全级别等因素人为设定。阈值较大时，系统安全性增加，但FRR将升高；反之，系统易用性好，但FAR要升高。因此，在实际系统设计时，要兼顾易用性和安全性，寻找FRR和FAR的合适平衡点。§2．4本章小结本章讲述了指纹识别中的一些基本概念，讨论了几种指纹采集技术，并简要阐述了指纹图像的一般处理流程。从下一章起，将开始论述本文的重点——指纹识别系统的硬件设计。 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实玑第三章DSP芯片指纹识别应用系统的实现常见有两种方法，即连接Pc的桌面应用系统和嵌入式系统pJ。连接PC的桌面应用系统具有灵活的系统结构，并且可以多个系统共享指纹识别设备，可以建立大型的数据库应用。但由于需要连接计算机才能完成指纹识别的功能，限制了这种系统在许多方面的应用。嵌入式系统是一个相对独立的完整系统，它不需要连接其他设备或计算机就可以独立完成其设计的功能，象指纹门禁、指纹考勤机就是嵌入式系统。在这样的系统中，要求指纹识别系统具有以下特点：(1)速度快，能在数秒内将指纹处理和比对完毕。(2)体积小，能够很方便地安装。(3)接口多，能够驱动一些外设。(4)价格低，很多领域属于消费产品，需能适应市场竞争的要求。(5)保密性强，成功的指纹识别系统应能够防止他人盗取指纹。由数字信号处理器(DSP)构成的指纹自动识别系统可以很好地满足上述要求。由于DSP在很大程度上是针对数字信号处理的运算特点而设计的，且与通用微处理器相比，DSP在寻址和计算能力等方面做了扩充和增强，在相同的时钟频率和芯片集成度下，DSP的处理速度比通用微处理器要快几个数量级，因此它具有很强的数学运算能力，处理指纹图像的速度能够满足实际需要。另外，某些DSP芯片有灵活的外部接口，由它组成的嵌入式系统可以集图像采集，端口驱动等电路于一体，因而体积小，价格也相对便宜⋯““。本文所述指纹识别系统就是基于DSP的嵌入式系统。§3．1DSP-心M-片特点DSP芯片，是DigitalSignalProcessor的缩写。自20世纪70年代微处理器产生以来，就一直沿着通用CPU、微控制器MCU(即通常所说的单片机)、和DSP三个方向在发展。三类微处理器虽然在技术上不断相互借鉴，但应用领域各自有所不同。DSP处理器是专门用来进行高速数字信号处理的微处理器。与通用CPU和MCU相比，DSP在结构上采用了许多专门技术和措施来提高处理速度，主要特点如下[8】。1．哈佛结构通用微处理器的程序代码和数据一般共用一个公共的存储空间和单一的地址、数据总线，这样的结构称为冯·诺依曼结构，见图3一l(1)。而DSP则将程序和数据的存储空间分开，各有自己的地址与数据总线，即 『乜了科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现哈佛结构。这样可以并行地进行指令和数据处理，极大地提高运算的速度。见图3—1(2)。在此基础上，又加以改进，使程序和数据存储空间之间可以进行数据的传送，称为改进的哈佛结构。(1)冯·诺依曼结构(2)啥佛结构图3—1微处理器的冯·诺依曼结构与哈佛结构2．流水技术微处理器执行一条指令时，要经过取指、译码、执行等步骤，需要几个指令周期才能完成。流水技术是将各指令的各步重叠起来执行。即当第N条指令取指时，其前一条指令(N一1)在译码，而N一2在执行。如图3—2所示。采用流水技术后，尽管每一条指令的执行仍然需要经过这许多步骤，仍然要耗费同样多的指令周期数，但从一段指令来看，每一个指令周期就可以执行一条指令，从而大大提高了程序执行效率。似]厂]厂]厂]取指译码：N：N一1：N一2：lN+liNjN一1i执行l·!±!，j·竺!■l·竺，l图3—2流水技术3．硬件乘法器及乘加单元MAC通用计算机的乘法是用软件来实现的，一次乘法常需多个机器周期才能完成。而DSP处理器都设置了硬件乘法器或组合的乘一加单元(MAC)。可以在单周期内完成两个操作数的相乘及累加任务。4．独立的DMA总线及控制器、多执行单元DSP处理器为DMA单独设置了完全独立的总线和控制器，在数据传输时完全 电了=科技大学顽士学位论文：基于OsP的自动指纹识别系统的研究与实现不影响CPU及相关总线的工作。有的DSP处理器具有相当多的OMA通道，为多DSP之间进行数据传输提供了方便。DSP处理器常包含若干个独立的执行单元，可以进行并行处理，提高了速度。5．数据地址发生器DAG在通用CPU中，数据地址的产生和数据的处理都由ALU来完成。而DSP处理器设置了专门的数据地址发生器(有的有多个)。数据地址的产生与CPU的工作并行，从而提高信号处理的速度。6．专门的指令集DSP指令集的设计有两个目标。首先是最大限度地使用处理器的基本硬件，以提高效率。于是，一般都允许在单个指令里并行完成若干个操作。其次是使程序所使用的存储空间减到最小，以便节约成本。这样就使指令尽可能短，用最少的存储单元，尽量用寄存器完成操作，并将多个操作合并在一条指令中。这样就使DSP的指令集高度专门化，复杂而且不规则。7．丰富的外设这部分将在后面论述。§3．2DSP选型目前市场上，生产DSP的厂商众多，有AD、MOTOROLA、WI、LUCENT、AT&T等。各商家的产品又有很多种类、型号。如TI就有TMS320C2000、C5000、C6000等几大系列。因此，系统设计的第一项任务就是综合考虑各种因素，选择使用合适的DSP器件。DSP器件的选择，取决于应用的目的与场合。在某种应用中很好的选择，在其他情况下可能就很糟。一般应考虑以下因素：(1)速度。DSP的数据处理能力通常用DSP的处理速度来衡量，有以下几种性能指标：①指令周期：即处理器执行最快的指令所需的时间：②MIPS：即每秒执行百万条指令，一般是指6睁值指令执行速率；③MFLOPS：每秒百万次浮点操作，它是表征浮点DSP处理性能的重要指标；④MOPS：每秒百万次操作，除了包括CPU的操作外，还包括地址计算、DMA访问、数据传输、I／O操作等；⑤MAC时间：用基本的MAC运算的完成时间，作为比较处理器的尺度。DSP的数据传输能力一般用MBPS(百万位／秒)来衡量，通常指某个总线或I／0口的带宽，是对总线或I／O口数据吞吐率的量度。 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现(2)数据类型。DSP芯片分为定点和浮点型两种。定点DSP的数据格式用整数和小数表示。浮点格式用指数和尾数形式表示，其动态范围比定点格式要大得多，因此，浮点DSP基本不会发生数据溢出问题。与定点DSP相比，浮点DSP的速度更快，对于需要很高动态范围和精度的应用，一般采用浮点DSP。(3)成本。DSP的成本也是一个需要考虑的重要问题。列于产品来说，成本越低竞争力自然越强，但便宜的芯片总是功能较少，性能较差。另～方面，由于DSP发展迅速，价格总是持续下跌的，而且订货量越大，价格越低。因此，也不必过于追求成本的低廉。(4)功耗。在有些应用场合(比如手机)，功耗是一个需要着重考虑的问题。为此，许多芯片厂商都推出了低功耗器件，加强了电源管理功能。(5)硬件资源。DSP芯片硬件资源越丰富，与外设的接口就越方便，越容易实现系统各种功能的要求。硬件资源短缺，开发起来难度就大，性能指标越不易满足。(6)开发工具。如果芯片生产厂家能够提供功能强大的开发工具，产品的开发周期就会大大缩短。开发工具有软件工具(汇编器、连接器、软仿真器、调试器、代码库和实时操作系统等)和硬件工具(了_I=发板、硬件仿真器等)。(7)此外，选取DSP芯片时还需考虑封装形式、等级标准、供货情况等。不同封装形式的芯片，制板时的难易程度有所不同，相应地会影响到最终成本。有的系统要求性能非常稳定，或者有能抵抗恶劣环境的特殊要求，就需要考虑选用工业级或军用级的器件。有的产品需要大批量的生产，同时有长期的需求情况，这时就要考虑器件的供货渠道是否良好，器件的生命力是否旺盛等。在各生产厂家的众多型号DSP器件中，我们采用了TI公司TMS320C6711B芯片。主要考虑到这些因素：在众多DSP厂商中，TI的产品占据了较大的市场分额(40～50％)，TI在国内的代理点较多，供货渠道畅通，售后服务较好，TI产品的种类很多，很容易找到合适的芯片型号，有些器件还可以申请免费样片，很适合前期的开发工作。由于指纹图像的数据处理量大，系统对处理速度的实时性要求也比较高，因此初步选用TI的C6000系列高性能芯片。它的定点系列具有1200MIPS以上的指标，浮点型达到1GFLOPS的峰值性能。其定点系列包括C62XX和C64XX．浮点系列为C67XX，由于指纹算法中数据范围和精度的要求，进～步选用浮点DSP。最终选定用C67llB～150，它的硬件资源十分丰富，价格比较合理，功耗较低，采用256脚BOA封装。对于我们的应用，商业级芯片就足以满足需要。另外，相应的开发工具也提供了有力的支持，软件开发工具有CCS(CodeComposerStudio)，它是一个集成性的软件开发工具。硬件开发工具有 电子科技火学硕』‘学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现硬件仿真器。§3．3TMS320C6711B内部结构C671IB处理器由三个主要部分组成：CPU内核、片上外设和存储器。其结构框图见图3--3[91。§3．3．1CPU结构图3～3TMS320C6711B缔构框图C6711B的CPU包括：程序取指单元、指令分配单元、指令译码单元、32个32位寄存器、两个数据通路、控制寄存器、控制逻辑、测试、仿真和中断逻辑。CPU有两个可进行数据处理的数据通路A和B，每个通路有4个功能单元(．L，．S，．M和．D)和一个包括16个32位寄存器的寄存器组。8个功能单元可以并行操作，执行逻辑、位移、乘法、加法和数据寻址等操作。除取指令和存指令之外的所有指令均对寄存器产生影响。两个数据寻址单元(．D1和．D2)专门负 l电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现责寄存器组与存储器之间的数据传递。每个数据通路的4个功能单元有单一的数据总线连接到CPU另一侧的寄存器上，以便两侧的寄存器组可以交换数据。每条32位指令占用一个功能单元。取指令、指令分配和指令译码单元每周期可以从程序存储单元到功能单元传递8条32位指令，这些指令的执行发生在两个数据通路的每个单元内。控制寄存器组控制着各种操作的操作方式，仅功能单元．S2可以对控制寄存器组进行读写操作。片内程序存储器的总线宽度为256位，每个周期可取8条32位指令，这8条指令组成一个取指包，取指包指令根据并行性分成各执行包，由于在运行期间不作硬件数据相关性的检查，所以程序的并行性在编译时就被确定。来自于功能单元．D的数据地址通路允许一个寄存器组产生的数据地址支持另一个寄存器组到存储器的存取操作。然而并行指令执行的读取和存入必须在同一个寄存器组内进行，或者同时使用交叉通路。§3．3．2片内存储器C6711B片内存储器分为L1(第一层)和L2(第二层)两级。第一级存储器是哈佛结构，分为程序缓冲和数据缓冲，只能作为高速缓存(cache)，不能设置为地址映射的存储器。第二级存储器是统一结构，可以设置为缓存，也可设置成映射寄存器。LIP(第一级程序缓冲)大小为4KB，其关联方式是直接映射式。当CPU程序取指产生未命中时，就转向L2提出申请，返回的指令包同时存入L1P，以后再取该指令包时就会产生命中。LID(第一级数据缓冲)大小也为4KB，是一个64组的两路成组相连(2--waysetassociative)结构的缓存。未命中情况下的操作取决于存取的方向：读操作下，LID向L2发出取数申请，数据返回后，LID控制器会分析每～路被缓存的数据组，并将新数据存入LRU(1eastrecentlyused)组，如该组缓存的数据被改动过但对应源地址的内容未更新，则旧数据会先写入L2，不会丢弃：写操作下，L1D向L2发写申请，数据不会被同时存入LlD。L2有64KB，可以设置为SRAM，也可设置为l到4路组相连缓存。复位时L2的模式为映射存储器，以完成可能需要的上电自加载。L2控制器处理的申请来自三个方向：来自LIP的只有读请求，相互问接口是一条单向数据总线；LID和L2间的接口包括一条由LID到L2的写总线，和一条由L2到LID的读总线；L2与EDMA间是一条读／写总线。L2存储器由4个存储体(bank)构成，只要数据在不同的bank中，可以同时进行两个存取访问。L2作映射RAM时，对它的存 电子科技大学硕+学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现取与一般RAM完全一样，L2作cache时，更新策略也采用LRU。§3．3．3片内集成外设C6711B在芯片内部集成了许多外围设备，以便于控制和片外其他设备的通讯。在本系统中所使用到的，主要有以下这些[10]。·外部存储器接口EMIFEMIF是外部存储器和片内其他单元间的接口，DSP内部各个模块与片外的存储器打交道时，都必须通过EMIF的控制。EMIF支持的器件类型包括：同步突发静态RAM，同步动态RAta(SDRAM)，异步器件(包括异步SRAM，ROM，FLASH和FIFO等)，外部共享存储空间的器件。EMIF数据总线宽度为32bit(EDO～ED31)：直接输出的地址信号是EA2～EA21：EMIF整个外部空间分为四个部分CEO～CE3(地址范围分别为80000000～8FFFFFFF，90000000～9FFFFFFF，A0000000～AFFFFFFF，H0000000～BFFFFFFF)，各空间彼此独立，所访问的空间由引脚CEO～CE3决定，EMIF也能提供对8／16位存储器的读写支持，通过信号BE0～BE3(由地址的最低位EAO和EAI译码获得)进行字节使能控制。当同时有多个部分申请外总线时，由EMIF根据设置的优先级进行仲裁，然后响应各申请。可以通过设置一组寄存器来完成对EMIF的控制，比如配置各空间存储器类型，设置相应接口时序等。C671IB在异步接口上十分方便，可以灵活设置读写周期，以实现与不同速度、类型的异步器件的直接接口。C6711B在异步接口上提供了ARDY信号，可以在触发阶段插入额外的周期(相当于硬件等待)。EMIF提供了总线HOLD接口，应用于外部设备与EMIF共享外部总线的场合。信号有三个：百6面c总线申请输入信号)，收到该信号后，EMIF会尽快使总线进入高阻态；西面面五(响应输出)，EMIF将有关输出罱为高阻后，用该信号通知外设可以使用总线：BUSREQ(总线请求输出)可用来通知外部主机释放对总线的控制。C671lB的EMIF只提供了一套控制信号为不同类型的存储器共用，它们是：AOE／SDRAS／SSOE，ARE／SDCAS／SSADS和AWE／SDWE／SSWE。·多通道缓冲串口McBSPMcBSP功能十分强大，不仅可以完成标准串口的全双工串行通信，还具有这些特征：支持多种协议下的直接接口，128个通道的多通道收发操作，内置u ——l垫兰型些查兰堡主堂垡堡塞!苎王里些堕!塑!!丝塑型墨堑塑!!!塑兰壅些一律与A一律压扩，数据收发上采用多级缓冲结构等。由于我们的系统并没有用到McBSP的以上功能，因此不再详述。本系统将^IIcBSP配置成通用I／o口，其管脚设置如表3一l所示。PinItOEnabledWhen⋯OutputWhen¨．DrivenFromInputw№n¨．R三矗da擗e硼CLIO(艰玎：0一—函蕊ir—百赢F——百丽试i—1丽F～FSX蕊盯=0FSXM=’FSXPFSXM=0F,％XP)clOEN=1DX颞薜=0AlwaysDX_STATNeverM)(10EN=1CLKR雨丽=0CLKRM=1CLKRPCLKRM：0CLKRPRloEN='FSR丽=0FSRM=1FSRPFSRM=0FSRPRIOEN=1DR丽=0Never眦AlwaysDRSTATKl。EN21CLKSR殿丌=XR盯=0NeverN／AAlwaysCLK8STATRIOEN=xIoEN=1表3—1将McBSP配置为通用I／O口的管脚设置其中，除了CLKX，FSX等是McBSP口的管脚外，其他均是相应的控制寄存器的控制位。·EDMA控制器EDMA被TI称之为增强的直接存储器访问。增强之处包括：提供了16个通道，通道的优先级可设置，可以实现数据传输的链接等。ED～tA控制器由以下几部分构成：事件和中断处理寄存器、事件编码器、参数RAM、硬件地址发生器。事件寄存器完成对EDMA事件的捕获控制。EDMA16个通道的每一个通道都有一个事件与之关联，由这些事件触发相应通道的传输。事件编码器用于对多个同时发生的事件进行识别，将它们排序。EDMA控制机制的一个特点是使用了参数RAM，当中存放了每个EDMA通道所需的各传输控制参数。一旦某个事件被捕获到，将从RAM的各组参数中读取该事件对应的控制参数，然后将这些参数送入硬件地址发生器，进而产生对EMIF／夕b设读写操作所需要的地址。 皇王型垫查兰堡主兰些笙塞!茎±里翌塑!垫塑竺望型墨堑塑堕壅兰壅型一——一一EDMA控制器提供了一种称为“链接”(1inking)的传输机制，可以将不同的EDMA传输参数组连接起来，组成一个传输链，为同一个通道服务。在传输链中，一个传输的结束会导致自动从参数RAM中装载下一次传输所需要的事件参数。用EDMA进行数据传输时，可以由触发事件启动(如前所述)，也可由CPU启动(写相关寄存器)。EDMA支持对8bit、16bit、32bit数据的存取。·定时器c671IB在片内集成了两个32位通用定时器，可以用于：计时、事件计数、产生脉冲、产生CPU中断信号、产生EDnA的同步信号等。定时器可以采用DSP内部时钟，固定为CPU时钟的1／4；也可以从外部输入时钟信号。本系统定时器采用内部时钟。定时器的运行状态包括启动、暂停、重新开始，由定时器控制寄存器的GO和／HLD两个控制位来决定。定时器进行加计数，最大计数值是65535。·中断选择子C671IB定义的中断源多至32个，但CPU可以接收的只有12个中断信号，用户通过中断选择子(interruptselector)来定义中断源和中断信号之间的映射关系。具体地，就是将选定的中断事件的中断选择号写入中断选择寄存器对应的控制域。可屏蔽中断源的优先级可以设置。·芯片模式设置C6711B的一些管脚用来完成对芯片的工作模式设置，包括芯片的工作主频，自举模式(BootMode)等。这些设置在芯片复位时生效。RESET(复位)管脚输入信号为低时，芯片进入复位初始化状态。所有三态输出管脚被置为高阻，其他输出管脚恢复为缺省状态。RESET上升沿触发芯片执行自加载过程。PLL(Phase--Locked--Loop锁相环)电路可以将片外输入的时钟进行倍频，以产生CPU的工作时钟及同步接口所需的时钟信号。C6711B的倍频值设置有两种：×1和×4。本系统是×l模式，即PLL为直通状态。CG711B与其他C6000系列芯片的一个不同点是：其他芯片在复位后执行初始化操作时，可以选择器件的存储映射方式，决定是片内还是片外存储器映射在 屯子科技大学硕士学位论文：綦于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现地址0处；而C6711B只有一种存储器映射方式，其片内L2存储器始终位于地址0处，外部存储空间从80000000H开始。本系统DSP设置工作在1ittleendian模式下，即存放多字节数据时，低位字节放低地址单元中。C671IB的芯片自举(即CPU开始正常运行之前，对0地址开始的存储空fB-]的初始化过程)方式有两种。第一种是ROM加载，由EDMA控制器从外部CEl空间中拷贝IKB数据到地址0处，然后CPU退出复位状态，开始执行地址0处的指令。第二种，由外部主机通过HPI(主机口)初始化CPU的存储空间，完成初始化后，CPU丌始执行地址0处的指令。主机引导过程中，主机可对DSP的所有存储空间进行读写。本系统采用第一种自举方式。芯片可以设置power—down逻辑，就是在需要的时候，关闭芯片上一些电路的开关操作，从而大大降低芯片功耗。具体可以在相关的寄存器中进行设置，唤醒要靠中断。此外，C671113还具有其他一些片内集成外设，如HPI等，由于本系统中没有使用，故而不再赘述。§3．4本章小结在本章中，首先叙述了DSP芯片的一般特点。然后对DSP选型中需要考虑的一些问题进行了探讨，并确定了本系统采用的芯片型号。最后对选中的C6711B芯片的内部结构及其功能进行了详尽阐述，重点是C671lB的片上集成外设，因为这些都是后面整个系统设计的基础。同时对系统DSP芯片的配置情况作出了说明。实际上，本章应该是系统硬件设计的一部分，只是由于篇幅较大，故而提取出来单独作为一章。下一章将讨论硬件设计的其他部分。 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现第四章硬件系统的设计与实现前一章阐述了C671lB芯片的内部结构和功能，并对芯片的配置情况作出了说明。本章将紧紧围绕C6711B主控制器，实现整个指纹识别硬件系统的设计。§4．1n,-tfa电路任何系统的正常运行，都离不开时钟信号的控制作用。本系统的DSP工作主频为150MHZ，由于指纹图像处理过程中，需要处理的数据量比较大(一副图像约有300KB数据，有时还需处理几副图像)，而对于此种应用，实时性要求又比较高(几秒钟内，指纹就必须识别完毕)，故而采用运算速度比较高的DSP器件来加速处理，以满足实时性的要求。在上一章中已经提到，本系统C67llB内部PLL电路的倍频方式设置为1倍频，因此所需的150M时钟完全由外部来提供，本系统用时钟电路来完成这个任务。电路的核心是ICS501芯片。ICS501是锁相环时钟倍频器，它可以从低频率的晶体或时钟输入产生高质量的高频时钟输出。主要特点有：外接晶体的频率范围是5～27MHZ，如果是外接时钟，频率范围为2～50M；输出时钟频率可达160MHZ，而时钟周期的抖动不超过25ps；时钟周期占空比为45～55％；有九种可供选择r111的倍乘因子；供给电压可为3．3V或5V。图4一l是其原理框图”“。CrystaloiClock"IoulO图4—1ICSS01原理框图CLK其中，s1、sO是倍乘因子的选择引脚，可通过将其拉低、拉高或浮空来设置不同的倍乘数。我们的系统采用6倍频，外接晶体为25M，输出时钟正好可达到C6711B所要求的150MHZ额定工作频率。工作电压为5V而不是3．3V，因为根 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究1i实现据芯片本身的性能参数，工作电压为5v时，最大输出时钟频率可达160MHZ，如果是3．3V，则只能达到100M。作为一种混合信号集成块，ITS501必须与系统的供给电源噪声相隔离，用一0．01uF的去耦电容连接在电源和接地引脚之间，并尽量接近芯片以减小引线电感，此外不再需要采取其他滤波措施。接在X1脚和地之间及x2和地之间的电容用于调节电路板的漂移电容以匹配所需的晶体负载电容。计算公式：C=(C。一12pF)×2。C，是品体负载电容，单位是pF。我们的电容值是8pF。之所以采用C6711B为1倍频加ICS501的时钟产生方式，是因为C6711B的PLL×4模式需要另外加入滤波器及其他电阻、电容等，同时时钟发生器也不可少，元件数、电路复杂性都会增加。我们的时钟电路经过实际检验，性能完全满足要求。§4．2外部存储器外部存储器用于存储系统的程序代码、指纹特征值、相关记录、从指纹头采集来的指纹图像以及图像处理过程中所产生的中间数据等。整个系统采用了两种存储器：AMD公司的FLASH—AM29LV200B、Micron公司的SDRAM—MT48LCl6M16A2。下面将分别介绍它们的结构、特点及C671lB与其接口的情况。另外，为了便于对C6711B的存储器映射情况有个整体了解，表4—1给出了C67llB的存储器映射情况。§4．2．1FLASH及其接口FLASHMemory也称闪速存储器，它的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息，本质上属于EEPROM(电可擦除只读存储器)。它既有ROM的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，功耗很小。在本系统中FLASH主要有两个作用：一是存放程序代码，上电以后，FLASH中的程序代码被装入内存，系统就开始正常工作；另一个作用是存放指纹处理程序处理指纹后所获得的指纹特征值以及一些相关的记录数据等(比如，如果本系统作为指纹考勤机使用的话，就需要存储考勤者的考勤时间等记录)。AM29LV200B存储容量为256KB；支持单一供给电源操作，可在2．7V～3．6V电压下完成读写功能，内部的发生及调节电压可完成编程和擦除操作；存取速度为70ns；功耗低(读操作电流为7mA，擦除电流为15mA)；具有灵活的扇区结构，24 电子科技大学硕上学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现支持全芯片擦除，也可以擦除或重编程一些扇区而不影响其他扇区的内容；至少一百万次的擦写次数；在120。C时可保持数据20年：与JEDEC标准兼容，包括引脚和软件兼容(单电源供给的FLASH)【121。M￡MORYBLOCKDESCRIPTt0NBLOCKSⅨEfBYTES)HEXADDRESSRANGEInleⅢmIRAM(L2l64Kq瑚0000一000DFFFFR∞orⅧ24M一64K00010300—017FFFFPExl盯nalMemory(nterf啪(EMIF}Re鲥ets256KO，800000—0t83FFFFL2Re口Imq25,6K0184∞DO一0187FFFFHPJRe@stem258K01060000—0188FFFFhkBSP0Regiolert2诣K州8C0000—018FFFFFMcBSP1R∞I啦m2S6K0’900∞0—01S3FF阡nme，0RegLjlem256K01946090—0197FFFFTimer1Regi=tcm256K01980000一01明FFFFInkmJmSeIecbrP,eglslem512019C00∞一019C01FFDc恤ccon鲰黼#DnR明ldem【cB71IC鳓Mt019C蚴0—019C0203Re坤n^ed256K一516019C0204—019FFFFFED№R^M■n0ED^仙融ob加256×0}^0eD∞一01A3FFFFR∞ewed768K01A400∞O一01AFFFFFG#'IORegislen·rcez'rico时对t6K0，809DOO—01803FFFR肭日n‘口d480K0180400口一0167BFFFPU．C酬T讪erRegisler=lc671IC∞lyl叭0187C000—0167DFFFReeer,,,ed4M+520K0167E000—01FFFFFFoDMARegt咖5202000000一02000033Reaerved736M一52020000“一2FFFFFFFMeBSP00aklPerlphc．m]D“aBus64M30000000—33FFFFFFMcBSP'0e}a舻or∞he懈}Oau8惦64M34G000。。一37FFFFFFR∞erⅧ64M36000∞0—3B阡F月_FR*enⅢtG+64M3C000000—7FFFFFFFEMIFCEOT256¨80000000—8FFFFFFFEMIFC￡1r256M90060000—9FFFFFFFEMIFCE2T256MA0000000一AFFFFFFF￡MIFCE31"256MB0∞咖0一BF阡FFFFReceivedtGCOWG000一FFFFFFFF表4—1C6711B的存储器映射AM29LV200B使用标准的微处理器写时序将命令写入命令寄存器，寄存器的内容用于控制擦除和编程电路。写周期可以在内部锁存编程及擦除操作所需的地址及数据，而读操作与从其他FLASH或EPROM中读出数据类似。AM29LV200B具有内部嵌入的擦除算法和编程算法。擦除算法可以自动预编程及擦除整个芯片或任意指定的扇区，编程算法可自动在指定的地址写入及验证数据。通过执行编程命令序列可以开始芯片编程，它会启动编程算法，而执行擦除命令序列可以启动攘除算法。以正确的顺序向命令寄存器中写入正确的地址和数据值就可以启动相应的操作，否则将复位芯片。AM29LV200B可以采用读DQ7及DQ6状态位数据的方式(软件方法)或检测RY／BY≠喝l脚信号的方法(硬件方法)来检测编程或擦除周期的完成情况。对于FLASH来说，由于干扰、加电等因素而出现的对存储器内容意外改写的情况是个不能不考虑的问题。因此数据保护措施必不可少。AM29LV200B具有硬 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现件和软件两方面的数据保护措施。硬件数据保护：①电源检测：如果VCC低于门限值(2．3V)，芯片将不接受任何写周期，此时命令寄存器和内部的编程／擦除电路均不工作，芯片复位。这可以防止芯片在上电或断电等过渡态时造成数据丢失。②写脉冲干扰保护：在OE#、cE#或wE#寻f脚上的少于5ns的躁声脉冲不会引发写周期。⑧逻辑抑制：只有CE#*nwE#为逻辑0而OE#为逻辑1时，习‘能启动写周期，只要任一条件不符，就不会产生。④上电写禁止：在上电期间，即使WE#=CE#=O而OE#=I，芯片也不会在WE#的上升沿接受命令。软件数据保护：在编程及擦除操作开启之前要求先写入一串命令序列可以防止不经意的数据写入。AM29LV200B还具有扇区保护特性。当处于扇区保护状态时，编程和擦除操作都被禁止。可以通过在RESET#B]脚加上¨．5V到12．5v的电压，然后执行一系列扇区保护算法来完成。清除扇区保护的方法与之类似。AM29LV200B的引脚情况如下：AO～A16是l7根地址引脚；DQO～D。14是】5根数据引脚：DQl5／A1引脚比较特殊，当芯片设置为字模式时(AM29LV200B的“字”是16位)作为DQl5是第16根数据脚，而设置为字节模式时作为A-1是最低位地址输入脚，此时共有18根地址线；BYTE#弓1脚用于控制芯片的字／字节配置。如果BYTE+为逻辑1，就配置成字模式，此时DQO～DQl5均作为数据的输入／输出脚使用。如为逻辑0，就是字节模式，此时仅仅DQO～DQ7作数据脚用，而DQS～DQl4均为三态；RY／BY#是准备好／忙输出脚，其作用前面已经说明；RESET#是硬件复位引脚，低有效；c麒是芯片使能，og#是输出使能，wE#是写使能。这几个引脚均是控制脚，要读数据时，使CE#和OE#为低电平，wE#为高，只要有效的地址出现在地址输入脚上，芯片就会将有效的数据输出。如要写命令或命令序列(比如编程、擦除时)，使wE#和cE#为低，而OEa为高。编程时允许越过扇区边界，但编程不能将一位数据由⋯0变成“l”，尽管这样做了阻后，可以使状态位显示“成功”，但随后的读操作将表明数据仍然是“0”，只有擦除操作才能将“0”转换成⋯1’。编程操作的算法可见图4—2，其他如擦除操作的算法与此类似，不再画出。 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现图4—2FLASH编程操作算法在第三章中已经提到，本系统的C6711B自举方式是ROM加载，因此FLASH只能位于C6711B存储器映射空间的CEl空间处，起始地址为90000000H(见表4～1)。共使用了四片AM29LV200B，因此总存储容量为1MB。每一片均设置为字节模式，四片合在一起正好扩展成DSP的一个字(32位)，所以DSP通过一次访问四片FLASH，提高了访问速度。OataRY，8V带图4—3AM29LV200B数据写周期时序图一锄一e枷 f乜予科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现图4—3是AM29LV200B的数据写周期时序图，数据线上第一个数据AOH是编程命令字序列的最后一个命令，PD是编程写入数据，随后的twuwH．是芯片的内部编程操作时间。WEe脉冲宽度为低时间(t。，)要求最少35ns，为高时间(t。。)最少30ns，其他时间参数都有具体要求，可见相关文档。>正^ddre∞∞Slable]Xh-—一kc————+、曩一1．kt。F+、f”一氕ht。EH式_-一址F一-＼tOHkHIGHZ／／／j穴、、、HIGHZ一Ou船ulValid1夕图4—4AM29LV200B读操作时序AM29LV200B的数据读操作时序图见图4—4。对比图4—3可以看出读操作由于不需要先写入命令字序列，因此要简单得多。C6711B与AM29LV200B接口的部分是EMIF(外部存储器接口)。EMIF与异步器件接口主要通过四个控制信号：／AOE、／AWE、／ARE、ARDY，将这些信号进行不同的组合(并非都需要)，同时灵活设置读写周期，就可以实现与不同速度／类型的异步器件接口。C6711B的EMIF的写时序图可见图4—5。‘竺器^竺ao皇—r翟上!翟^!冀苎—o甍。篓写竺!JCm,ck’，、h／、n厂＼八n卜厂、n／、厂、nn八厂、nI嚣酗FE网F．．JKt21：2IEO∞'q’葡诺黼珊z—寸——小：厂t——八{厂f———f图4—5EMIF异步写时序从上图可以看出，EMIF异步接口的每个读／写周期由三个阶段构成：建立一锹咄哪忡雾|一锹咄哪～一矾仇难 屯了科投大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现(setup)、触发(strobe)、保持(hold)。可以由C6711B有关的控制寄存器对读和写操作的这三个阶段的时间进行独立的设置来满足器件时序的要求。例如：要满足t”的35ns的要求，而EMIF时钟为DSP主频的一半，即13．3ns，则strobe阶段的长度至少应设置为35／13．3=3。根据以上的时序要求设计了C6711B与FLASH的接口电路，如图4—6所示。EDOI皿3l一＼／““、Dq0叼q7＼u—————v／驱、u—————√(4咀)动EA2--F弘18卜、＼／器＼A—1．AD—A16及EA2。、EA2l，控CE犁『CElr制0E牟mE0—楣E3》逻硐群辑『AREm臃B盯E#图4—6C6711B与FLASH的接口电路在上图中，FLASH芯片组指四片AM29LV200B，它们的数据线合在一起构成32位数据，地址线及OE#、WE#彼此并联在一起，CE#分开控制。此外数据线和地址线上均加入了驱动器，以提高带负载能力。§4．2．2SDRAM及其接口SDRAM即同步动态随机存取存储器(SynchronousDynamicRAM)。在本系统中，它作为扩展内存使用。SDRAM由于其在存储原理及芯片结构上的特点，使它在与微处理器接口的时候有两个特殊问题需要考虑。一是由于芯片中的存储单元靠栅极电容上的电荷来存储信息，时间一长就会丢失，所以必须定时刷新；二是由于芯片的集成度高，存储容量大，使引脚数量不够用，因此地址输入一般采用两路复用锁存方式”“。系统中采用的SDRAM是Micron公司的MT48LCl6M16A2。它有以下一些特点。 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现它的存储容量是256Mbit，内部配置成四存储体(bank)的DRAM，每个bank由8192(8K)行和512列组成，每一行和列由16位构成。具有同步特性，所有信号都在同一个时钟的上升沿有效。芯片由单一3．3V_+0．3V电源供电¨⋯。读写SDRAM采用突发方式。突发的长度决定了一个给定的读或写命令所能够访问的最大的列的数目。突发长度可以编程设定，有l，2，4，8和全页等几种，全页突发与突发中止命令联合使用可以产生任意的突发长度。突发的类型有连续型和交叉型两种。以上的参数可以通过SDRAM的模式寄存器来设定。C671IB的EMIF提供了对SDRAM的直接支持，它用一系列的命令来控制SDRAM的有关操作，如刷新、读、写操作等。C6711B的SDRAM控制命令真值表见表4—2。16．bit#SDCKE磋—SDR—AS—SDC—AS—SDW—EEA[20：17]#EA[16：12]EAllEA口o：11EMIF：32．hiltSDCKE§一CE—SDR—AS—SDC—AS—SDW—EEA[21：18押EA[17：13]lEAl妒EA[11：2】E¨lF·64．bIttSDCKE⋯CIESDRASSDCA$—SDW—EEA[22：IS]／l^EA[18：1哪EAl3EA[12：3]EMlF：表4—2SDRAM控制命令真值表由上表可以看出，所谓命令，就是使相关的控制信号线产生事先约定好的信号，SDRAM收到这些信号，就会去执行相应的操作。当然，不同的DSP芯片所能提供的命令集合的大小是不同的，而不同SDRAM芯片所支持的命令数目也不相同。不过，一些基本的操作命令是大家都支持的。下面介绍几个基本命令：DCAB，也称为precharge，用于关闭存储体(bank)中当前的活动页；ACTV发生在每次读／写SDRAM中一个新的行之前，作用是打开存储器的相关页准备进行存取访问；READ输入起始的列地址，开始读操作；WRT输入起始列地址，开始写操作；MRS设置SDRAM的模式寄存器；REFR使用内部地址自动进行周期性刷新。 电子科技大学硕：L学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现IAcwIWn悖1wme}mtec-。时，_、厂_＼、．r、．厂、厂_＼一r_＼．／_—＼厂—＼，，孤l癌0dj鳓5研E石Bt弼一僻墨蕊霾孕C二二亘殛聂=3郦——]，厂————————————————一百瞬堪——————————————、、厂丽研E——————————————、、厂图4—7SDRAM的典型写刊序图4—7是SDRAM的典型写时序：ACTV命令激活了有关的存储体及其行地址，行地址被锁存在SDRAM内，到了写周期，DSP在输出列地址的同时输出数据。C6711B的EMIF提供了三个专门的控制寄存器来完对SDRAM的接口控制，比如可以控制SDRAM的定时刷新等。另外在全局控制寄存器和空间控制寄存器中也有与SDRAM有关的控制域。SDRAM的时序控制参数见表4—3。表4—3SDRAM的时序控制参数EMIF和SDRAM的接口速度就取决于上面的时序参数。比如要设置图4-7的t。c。=3，则由表4--3得到SDRAM控制寄存器的TRCD域值应设为2。 电了科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究峙实现另外要注意的是SDRAM的相关文档中都给出了一些需要满足的时间参数，比如建立、保持时间等等，而DSP文档中也有相关的参数，接口设计时应确保这些参数的匹配。MT48Lcl6M16A2的引脚除了地址、数据及片选信号cS#、写允许信号wE#、行地址选通信号RAS#、列地址选通信号CAS#之外，还有：输入时钟信号CLK，同步时钟就是靠这个信号；存储体地址信号BAO、BAl，用于激活相应的bank；输入／输出屏蔽信号DQML、DQMH，对于写访问是输入屏蔽，读访问是输出使能。在写周期，如果DQMX为高，输入数据被屏蔽。读周期为高，输出缓冲区就被置为高阻态。通过合理地设置C6711B的相关控制寄存器，我们的系统将DSP与MT48LCl6M16A2直接接口，见图4—8。ED0，皿31，，^———————^DQ0～DQl5(2片)。、r————1／E矗}也16～．AUrAl2、邑∞、BAIp／_．sDWE、荩DCASh＼WE掣．CAS岸、立AS岸_／6DlUS卜、，丑E0—旭日，／DQ皿、DQMH虻E0CS#ECLKCtrrCLKC671lBMT48LCl6M16A2组图4—8DSP与SDRAM的接口系统采用了两片MT48Lcl6m6A2，共64MB存储容量。每片SDRAM有16根数据线，两片扩展成32位。地址线和几根控制线分别并联。／BEo～／BE3分别与两片SDRAM的DQML和DQMH相接。整个SDRAM空间属于CE0空间(见表4一1)，起始地址为80000000H。C671l的EMIF要求系统提供一个外部时钟(由ECLKIN脚输入)，所有存储器接口都依靠该时钟来工作。本系统将DSP主时钟二分频后接入EMIF，并将其从ECLKOUT脚引出，用作8DRAM的工作时钟，频率为75MHZ，而MT48LC]6M16A2的时钟频率最大不能超过i33M，能够满足所需。 电了科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现§4．312C协议与电子日历在整个系统中有三处地方涉及到12C协议：键盘芯片、日历芯片、指纹采集部分，因此本节先简要介绍一下12C串行总线标准，在后一小节介绍一下日历芯片。§4．31I20串行总线标准12C串行总线是Philips公司开发的可连接多个主设备及具有不同速度的设备的串行总线[151。12c使用两根双向信号线：数据线SDA、时钟线SCL。各设备用开漏极电路通过上拉电阻与这两根线相连，是“线与”逻辑，任一设备输出低电平都使其变低。数据传输速率有几种模式：标准模式(100Kb／s)、快速模式(400Kb／s)、高速模式(3．4Mb／s)。数据传送采用主从结构，有主控能力的设备既可做主设，也可做从设。数据传送格式是：主设先发送启动信号。接着发送第一字节，高7位是从设备地址，最低位是指明数据传送方向的R／w(读／写)位，为0表示主设向从设发送数据，为l表示主设接收数据。然后就可以发送所需的数据字节。全部数据发送完后，就发停止信号结束数据传输。各字节间必须插入一个应答位，数据字节从最高位开始发送。s地I船忙-I口忙：：圈l厅端寸—U式风风厂二^风风厂17、风风膈!一!jl}L—_jL—_J{lulllJl一：j窜仙吖ADOR融R丽舶HDAT^^BKDATAA删蜘P∞n州∞∞n《mon图4—912C总线完整的数据传输启动信号是当SCL为高电平时，SDA送出由高到低的电平。停止信号是SCL为高时，SDA送出由低到高的电平。应答位是在发每个字节之后主设发出第9个时钟脉冲的高电平期间，由接收设备拉低SDA线，作为数据已被接收的应答，此 塑三!燮大学硕士学位论文：幕于DSP的自动指纹识别系统的研究Lj实现期间发送设备释放SDA线。完整的数据传输见图4～9。启动信号后第一个字节是地址字节，用来寻址从设备。从设收到地址后与自己的地址进行比较，相符则为主设要寻访的从设，则在第9位时钟发出应答信号，再根据R／W位的设定，设置为从设接收器方式或发送器方式。协议已为多种器件舰定了地址。几台主设同时工作时，每台主设都向SCL线发送自己的时钟，12C利用总线“线与”的特点进行时钟同步。我们的系统将C6711B的McBSP设置为通用I／O口，通过向相应的引脚发送信号来模拟I2C时序¨⋯。C6711B始终是主设备。电路如图4一10所示。幽4—10DSP的12C接口电路在这里rFSX和Dx作为SDA线的输入和输出。同样，DR和FSR作为SCL线的输入、输出。每根线用两个引脚是因为通用I／O引脚都是单向的。缓冲器的作用是提高驱动能力及隔离C671IB。串入电阻Rs用于限流，比如当缓冲器的输出为高时，有可能12C从设备会将线上信号拉低，于是有可能在缓冲器和12c从设问造成短路，通过加入Rs就可以限制电流。§4．3．2电子日历在考勤系统中，需要记录考勤者的考勤mIf．j以便备案。因此系统中需要有能提供实时时间的设备，本系统中使用PCF8563芯片来完成这～任务。PCP8563是低功耗的cMos实时时钟／日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过12C总线接口传输。最 ———————』塑!堕坠兰塑!主兰堡堡塞：一墨!旦翌塑皇垫塑堡望塑墨堑竺婴壅壁型大总线速率为400kb／s[1刀。PCF8563的工作电压范围很大，可在1～5．5V范围征常工作。再加上它的低工作电流、低功耗的特性，使其很适合工作在用电池供电的场合。PCF8563具有内置的32．768KHZ振荡器用于提供源时钟。还有16个可寻址的8位寄存器，除了起相应的控制作用之外，也用于时钟计数(秒、分、时、FI、月等)。时间值以BCD码形式保存，通过12c接口可以将数值读出。也可以通过IzC总线设置相应寄存器的值。芯片具有内部定时器，其频率和计数值可以外部设定，每次计数结束，就会使中断引脚产生中断信号，通知DSP来采集时间数据。芯片的CLKOUT管脚输出时钟脉冲，通过调节外部的可调电容使其达到准确的频率值，就可以校准时间。PCF8563内嵌掉电检测器。当电源电压低于门限值时，有关寄存器就会将标志位置位，指示可能产生不准确的时钟／日历信息，该标志位只能用软件清除。在系统中，PCF8563始终是从设备，有时做接收器，有时做发送器。其地址为：读，Oa3H：写，OA2H。日历芯片部分的电路如图4--11。加入电池是为了使PCF8563在系统断电的时候仍能维持时间记录的连续性。●图4—11实时时钟／电子日历 电予科技大学倾十学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的州究与实现§4．4指纹图像采集部分指纹图像采集电路部分是整个指纹识别系统的前端。只有采集到了有效的指纹图像，后面才能做指纹特征值提取、比对及匹配等工作。图像采集部分主要由指纹采集头、FIFO及相应的控制电路组成。§4．41指纹采集头指纹采集头的核心是一块OmniVision公司的0V7120黑白图像CMOS传感芯片。该芯片的图像分辨率达到640×480像素(一帧)，成像速度最快可达30帧／秒(QVGA模式可达60帧／秒)[18】。其专有的传感技术采用了先进的算法来降低FPN(FixedPatternNoise)噪声，消除图像的污损及浮散效应。尽管CCD芯片在信噪比、灵敏度、成像质量等方面稍优于CMOS芯片，但据OmnJVision公司称，其专利技术可达到CCD产品L／tO的功耗、1／5的体积、]／2的成本。考虑到具体的应用及性能要求，指纹头采用此款芯片较为合适。芯片可以采用逐行扫描或隔行扫描：数据输出为8位或16位形式(本系统是8位)；具有电子曝光／图像增益／白平衡控制等功能；工作电压为5V，功耗低。OV7120内置了A／D转换器，其输出直接就是数字信号，方便了微处理器的处理。指纹采集头将0V7120和其他设备、器件整合在一起构成一个完整的小系统，它与其他外部设备的接口引脚只有16个，分别是：YO～Y7，八位数据线；SDA、SCL，12c总线信号线；VSYNC，垂直同步信号线；HREF，水平参考信号线：PCLK，像素时钟输出；以及电源、地等。VsYNc一／⋯～飞HR静．厂———————一⋯⋯LPCLK一／。L／L一／、L／L⋯．／＼j、L⋯．／U乙Yt7：0，———————叫1)(2>⋯一一一一一一<6j熨多jp—I卅卜———一ValidDab+I图4—12OV7120图像传送时序 电子科投人学碗上学位论文：甚于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现图4～12是0V7120的图像数据传送时序。其传送过程是这样的：0V7120先发送一个VSYNC信号，表明它将要采集第一帧图像数据。然后再发HREF信号，信号开始进行第一行的数据采集，每采集～个像素点(8位)，就发一个PCLK信号。当要采集第二行的数搌时，就再发～个HREF信号。直到采集完480行的数据，芯片停止采集。如果0V7120要采集下一帧图像，就重复上面的过程。§4．4．2FIF0存储器指纹图像采集部分使用了一片IDT公司的II)T72V02FIFO存储器，用于暂存采集头采集到的图像数据。系统通过FIFO来协调好指纹头采集数据与DSP接收数据之间的配合关系。IDT72V02是双端口高速异步FIFO(First—InFirst～Out先进先出)存储器，数据存取时间为25ns。工作电压在3。0V到3．3V之间。使用满和空标志来阻止数据的溢出和下溢。具有扩展逻辑以进行宽度和深度扩展”“。芯片采用了一个9位宽度的数据阵列以用在需要奇偶校验位及其他控制的应用方案中，这在需要奇偶校验以进行传输／接收错误检测的数据通讯应用中特剐有用。存储容量为lK×9bit。当满标志(／FF)不为低的时候，写使能(／w)的下降沿将启动写周期。在／w为低时，写入的数据要准备好，在／w的上升沿完成实际的写入。数据被顺序地存入RAM阵列，与正在进行的读操作无关。在存储器的一半被装满后，半满标志(／HF)被置低，只有当写指针和读指针之间的差值少于或等于总的存储容量的一半时才‘复位。为了防止数据的溢出，／FF会变低以禁止进一步的写操作，如果又完成了一次有效的读操作，／FF将在一定的延时之后变高，并允许开始一次写操作。读操作与读使能(／R)的关系与上面类似，只是相应的标志为空标志。此外，当／R变高时，数据输出端会变成高阻态。§4．4．3指纹图像采集电路指纹图像采集电路如图4-13。在本系统中，DSP与FIFO之间，FIFO与指纹头之忙：|，都是单向数据流接口，即指纹头向FIFO写入数据，而DSP将数据读走。指纹头的PCLK、HREF、VSYN经过控制逻辑，产生FIFO的写使能信号，控制FIFO的写入。外部逻辑综合FIFO的／FF、／EF、／HF等状态标志，向DSP发出中断申请。DSP的／CE2、／BEO、EA21、19的信号经控制逻辑产生FIFO读使能信号，控制FIFO数据的读出。 电了科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现DSP通过12c总线向指纹头0V7120的内部寄存器写入控制命令及数据来初始化指纹头，比如可以控制亮度、白平衡、曝光时间，增益等等。DSP也通过设置OV7120寄存器来启动它采集图像数据(数据是RGB格式)。0V7120作为12c从设备，其地址为42H(写)、43H(读)，总线传输速率为lOOkbit／s。§4．5人机接口图4—13指纹图像采集电路任何～个完善的实用系统，都需要引入人机接口以完成人机交互的任务。我们的系统用键盘控制和LCD显示来实现这一目标。键盘主要用于系统的操作和控制，以及设置系统的一些初始状态和数据，比如设置日历／时钟等。LCD的默认显示是时间日历，系统进入指纹采集比对状态时将给出一些可选菜单，以供用户操作和控制。§4．5．1键盘控制对键盘的控制采用了一片周立功公司ZLG7290键盘控制芯片。芯片的主要特点是：可以驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键；有8个功能键，可检测任一键的连击次数；无需外接元件即可直接驱动LED，可 屯了科技大学硕士学位论文：摹于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现扩展驱动电流和驱动电压”⋯。本系统由于实际需要，只使用了16个按键，没有用到LED显示。ZLG7290自动进行键盘去抖动处理(键被按下和放开时，可能出现电平状态反复变化，为避免引起按键命令错误，需进行去抖动处理以读取稳定的键值)。当有两个以上按键被同时按下时，ZLG7290只采样优先级高的按键(优先顺序为s1>s2>．．⋯)。芯片的连击次数计数器可区别出单击或连击键。ZLG7290还具有几个功能键可用来扩展按键数目。ZLG7290中与键盘有关的寄存器有三个：键值寄存器，地址01H，所压按键的键值就放在其中，为O表示没有键被压按。还有连击次数计数器和功能键寄存器。ZLG7290与DSP的通信通过其12c接口来实现，它的传输速率最大可达32kbit／s。作为12C从设备，其地址为70H。有效的按键动作会使芯片系统寄存器的相应状态位置1，同时使／INT(中断)引脚信号变为低电平。系统的键盘处理程序Eb／TNT引脚电平中断触发。通过读键值寄存器会使状态位清O，并令／INT引脚信号无效。ZLG7290的工作电压为5V，键盘部分的电路可见相关文档，我们的电路对其进行了一些相应调整，以适合本系统的实际需要。§4．5．2LeD显示LCD(液晶显示器件)的显示原理是：液晶分子在外加电场的作用下，其排列状态发生变化，使得通过LCD的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。LCD中的每个像素都可以单独被电场控制，不同像素受控制信号的作用便可以就可以在显示屏上组成不同的字符及图形[211。液晶显示器件要想正常显示，有两样东西必不可少：显示驱动器和显示控制器。驱动器用来调整施加在液晶器件电极上的电位信号的相位、峰值、频率等，建立驱动电场，以实现相应的显示效果。控制器属于计算机I／O设备接口，它受控于微处理器，操纵着液晶显示驱动器，以实现在点阵型液晶显示器件上的各种显示功能。根据系统的实际需要，我们选用了精电蓬远公司的VPTl2864T点阵图形液晶冠示模块。它除了有LCD液晶显示屏以外，还嵌入了行、列驱动器组及，r6963C控制器芯片，构成了一个完整的液晶显示组件，它的内部结构方框图见图4～14。 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现模块的显示屏大小为128×64的像素阵列，如果用于显示16×16的汉字可以显示4行，每行8个【2扪。I-⋯⋯⋯⋯⋯一图4—14液晶模块内部结构框图模块上已实现了T6963C与行、列驱动器及显示缓冲区RAM的接口，同时也已用硬件设置了液晶屏的结构(单屏)，数据传输方式，显示窗口长度、宽度等等。模块最终引出的管脚有如下一些：DB01DB7是数据总线；WRY：，读选通信号，低电平有效：RD#，写选通信号，低有效；cE#，T6963C的片选信号，低有效；c／D#是通道选择信号，l为指令通道，O为数据通道；以及其他的如电源引脚(5v)、数字地、边框地、复位、字体选择引脚、LED背光电源引脚等。显示控制器T6963C的特点是：它是点阵式的液晶图形显示控制器，能直接与80系列的微处理器接口；其字符字体可由硬件或软件设置，字体有4种，我们使用8X8的：可以图形方式、文本方式及图形和文本合成方式进行显示；具有内部字符发生器CGROM，共128个字符，T6963C可管理64K显示缓冲区和字符发生器CGRAM(本模块自带为81()，并允许MPU随时访问显示缓冲区，以及进行位操作。筝葭晶磊承霎接口图4—15液晶模块直接访问方式原理图40 电于科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实玑T6963C的引脚，如数据线、读／写选通、片选等已从模块引出，供与外部的MPU接口之用，正如上面所述。液晶显示模块提供了一些指令供用户使用，它们其实就是T6963C的指令集。指令可带参数也可不带参数。每条指令的执行都是先送入参数(经数据通道)，再送入指令代码(经指令通道)。1，cD与MPU的接口可以采用两种方式。一种是直接访问方式，其电路原理图可见图4—15。该方式就是直接用MPU的控制信号来控制液晶模块的操作。另一种是间接控制方式，见图4—16。间接控制方式是MPU通过I／0口，按照模拟模块时序的方式，间接实现对液晶模块的控制。被晶显示器接口幽4—16液晶模块间接控制方式原理留由于C6711B的EMIF口的功能十分强大，其时序还可以设置，因此我们采用了直接访问的方式来完成LCD与DSP的接口任务。c，b"铺cR￡‘-1)t图4—17液晶模块的接口时序 }b子科按大学硕1：学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现图4—17是LCD的接口时序图。通过分析T6963C的相关时序参数，发现尽管EMIF可以设置时序，但在EMIF现有的工作频率下，写周期时序仍然不能满足液晶模块的要求(EMIF的频率太快)。故而设计了两路数据通路，DSP经读通道读取LCD的状态数据，而经写通道向LCD发送指令和数据。写通道使用了锁存器，当DSP发来的数据进入锁存器后，通过控制信号将其锁存，这样即使DSP的数据已经失效，LCD端仍能接收到有效的数据。为了两个通道能够协调配合，分别在两个通道中加八了总线收发器。LCD使用了CE3空间，其数据端口地址为B0000000，控制端口地址是B0000004。LCD接口部分的原理框图见图4一18。／1C6711BH施道犷I彳>LCDX-L7，L—o卅∑么卜I⋯、；1卜、ED叽ED骨<：。“=刭写通道I：夕DB0“DB7彳丁rT刊控制逻辑I>§4。6系统电源图4—18DSP与LCD的接日整个指纹识别系统使用了三种直流电源：5V、3。3V和1．8V。其中，ICS501、LCD和指纹采集头使用了5V电源，1．8V供DSP使用，3．3V供DSP和其他器件使用。§4．6．1电源电路在进行电源电路的设计工作之前，有必要先了解一下C6711B所需电源的特点。C6711B需要外部提供两种电源：CPU核电源以及周边I／O接口电源。周边I／o的电压是3．3V，由于许多外部器件均采用3．3V电压，故而DSP可与这样的外部器件直接接口，不需再附加其他电平转换器件。CPU核心电压为1．8V。TI公司 电了科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实mC6000系列DSP的核心电压随器件的不同而不同(比如C62X的电压有2．5V，I．8V，1．5V等：C64X有I．4V，1．2V：C67X有1．9V，1，8V等)，但都小于I／0电压，这样可以大大降低芯片的功耗[23]。而系统中其他器件所需电源为5V和3．3V两种。根据系统对电源的需求情况，进行了如下的电源设计安排：5V由外部直流稳压源供给，3．3V和I．8V由系统自己产生，为了将外部输入的5V电压转换成所需的3．3V和1．8V，使用了电压调节器(regulator)来完成此任务。电压调节器可以采用TI公司提供的TPS56XX、TPS56100、TPS5602等芯片【24]，我们的系统采用了TPS5602。TPS5602是同步降压型开关电源控制器。这款芯片有以下主要特点[25】：①宽广的输入电压范围：4．5V～25V。该特性使之能适合多种系统的要求。②具有两个独立的输出电压通道。故仅需一个器件就能解决DSP所需的两种电压的问题，并可通过相关的引脚设置两个电源的上f={包顺序。③两种输出电压值是可调的：从1．2V到接近于输入电压。近年来，在各种实际应用中，要求的功耗越来越低，TI公司的OSP系列也顺应了这一趋势，各种低功耗芯片相继出现，所以TPS5602的电压可调性为用户产品的升级换代提供了快捷的解决之道。④采用滞后控制以获得快速的瞬态响应(少于2“S，而～般的PWM变换器需100“s)。⑤高效率，低电源电流，低待机电流等等。电路设计如图4—19。两个可调的输出电压值可通过以下公式来计算：Voutl=(1+R3／R2)×Vref；Vout2=(i+R4／RI)×Vref(4一I)(其中：参考电压Vref为1．185V)由以上的公式，通过选取合适的电阻值，就可以获得所需的电压，举例：欲使VoutI=1．8V，Vout2=3．3V，则可以选择R3：910n，R2=l，74kQ：R4=i．2kQ，RI=680Q。另外，可以通过SOFTSTARTI及SOFTSTART2引脚来设置核电压及I／O电压的启动顺序。具体操作为：选择合适的软启动电容值以控制启动时间。公式：Csoft=2×Tsoft，其中Csoft为软启动电容(uF)，Tsoft为启动时间(S)。 |_Is予科技大学砘砭J二学位论义：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现图4—1933V及1．8V电压产生电路VⅢ§4．6．2电源监控电路仅有供电电路的DSP供电系统是很不完善的，这是因为DSP芯片对工作电压的要求十分严格，比如C671IB要求电压偏差不超出±5％，否则长期工作易对芯片造成损害。有时用一个简化的RC电路来完成使DSP复位时初始化的任务，如图4—20所示。图4—20简化的初始化电路为了能识别尖峰干扰，使复位引脚上的电压迅速地随VDD下降而下降，电路 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现中加入了～个二极管，只要VDD下降得超过了O．7V，电容就可以迅速放电。但有时VDD上一个很小的电压下降就可能破坏存储器、内部寄存器中的内容而并不产生复位，从而造成软件的误动作，因此，在系统中加入电源监控电路对于保障系统长期稳定的运行是十分必要的”⋯。电源监控电路的工作机理是这样的：在系统上电过程中，监控芯片的复位信号保持有效，从而使DSP及其他芯片(如果己接在监控芯片的复位输出引脚上的话)始终处于复位状态，不致产生不明的状态，一旦所监控的几种电压均已达到所规定的门限电压(Vit+)之上，就会解除复位，DSP等就可正常工作了；在工作过程中，如果任何一个监测引脚上的电压低于了门限值(Vii-)，监控芯片会再次发出复位信号使系统复位。TI公司提供了TPS3307一xx(18，25，33)系列电压监控芯片，该系列芯片可以同时监视三个独立的电压，其中两种是固定的，另一种是可调的。我q]SO系统采用了TP53307--33，其特点是卜“：①两种固定电压分别是：5V，3．3V，由于我们的系统外部提供了一个5v电压，通过电压调节器又产生出DSP所需的3．3VI／O电压，因此监控芯片正好可以监控这两个基本不会改变的电压。而不同型号DSP的核电压很可能发生变化，故将可调的SENSE脚留给核电压，可给以后产品的升级换代带来便利。②只要工作电压超过1．1V以上，芯片就能发出有效的复位信号。③具有内部定时器，在复位之后即使所监控的电压均已超过门限值，仍需延迟200ms才能退出复位状态，这样可以确保系统在复位期间能够完成初始化。由于具有内部定时器，不需再外挂电容来完成这一功能。④具有手动复位引脚，可在需要时人工复位。这在调试时十分有用。⑤具有电压滞后(hysteresis)功能，Vhys=Vit+-Vit．。其作用是避免当电压受噪声干扰时，芯片反复地切换到复位状态。电路设计如图4—21。其中，Vadj是SENSE3脚监测的可调电压，计算方法：Vadj=1．25×(RI+R2)／R2(V)(4—2)各监控引脚的门限电压分别为：SENSE]4。55V，SENSE22．93V，SENSE31．25V。因此，上式中的1．25实际就是SENSE3脚的门限值。只要电压低于此值，电路就会复位。所以，Vadj不能恰好取所要监控的电压值，而应稍稍低于此值。比如，C6711B一150的核电压正常情况下允许最低为1．8V．故可以此值为Vadj。 I乜予科技大学硕二卜学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现图4—21用TPS3307．33进行电源监控选取电阻R1，R2时，应注意以下两点：(1)容许偏差要小，比如小于l％，这样监测精度才高；(2)两电阻值之和约为1MQ左右，以确保低的电流消耗。有了以上这些条件，就可以很容易地计算出所需的电阻值。举例：由上面的Vadj=1．8，可列出如下方程组：(4—3)最后可取R2=680kQ，Rl=300kQ。TPS3307—33的电源电压可为2～6V，电路中将其接至3．3V而非5V是有～定考虑：芯片的最低输出高电平电压为VDD一0．2(V)，其中VDD是接入的电源电压，如果接5V，则与DSP及其他3．3V的器件不匹配。在VDD和GND之间加入100nF电容的目的是防止复位时在VDD端产生振动。如果不用该电容，很可能由于内部基准电压不稳而造成复位输出的振荡。§4．7电平转换电路正如前面所述，系统中共使用了三种电源电压。1_8V只供DSP核使用，与其他器件无关：C6711B的I／0工作电压是3．3V，其I／O电平也是3．3V逻辑电平，当它与其他外围芯片接口时，如果外围芯片的工作电压也是3．3V，就可以直接警瑚尺一尺卜R，●●●J、lL 电子科控大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现连接，但系统中同时还有工作电压为5V的器件，于是就存在将3．3V芯片与5Vj芭：片可靠接口的问题。在本系统中，我们采用了电平转换芯片SN74LVC4245、SN74ALVCl64245等。比如SN74ALVCl64245[28]是16位的总线收发器，使用了两个独立的电源引脚，B端工作在5v，A端工作在3．3V，它能够完成5V与3．3V电平信号之间的转换。§4．8JTAG接口TI公司为其大多数DSP产品都提供了3TAG端口支持，也包括C6711B。结合配套的仿真器(Emulator)，通过JTAG端口，可以访问DSP的所有资源，包括片内寄存器以及所有的存储器，从而提供了一个实时的硬件仿真与调试环境，便于进行系统软件调试。仿真器通过一个14脚的接插件与芯片的JTAG端口进行通信。图4--22是C6711BJTAG端口与14脚接插件的连接关系。△vccJTAGDe／ice舟，。Emu扫I。rHead料EMUa铷U0PDEMUl—l14￡jⅥU12节丽黼GNO'TMSGND3TBITDIGND7TD0TDoGND—11TCKONDT9TCKRET图4—22C671IB与仿真器接头的连接需要注意的是：如果DSP与接头间的距离超过了6英寸，则要在仿真信号上添加一级缓冲驱动。§4．9USB接口本系统虽然设计了很大的存储空间，但容量毕竟有限，此外，作为一个指纹识别系统，特别是指纹考勤系统，也需要经常将系统内所存储的指纹数据以及考勤记录等取出来，以供迸一步的处理，如数据整理、人事管理等所使用。这样就需要系统具有与上位PC机进行通信的接口。我们的系统使用了USB口来完成此 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现功能。USB(UniversalSerialBus)即通用串行总线，是一种外设接口标准。其基本思想是采用通用连接器和自动配置及热插拔技术和相应的软件，实现资源共享及外设简单快速连接，关键是提供设备共享接口来解决Pc机与外部设备连接的通用性[29】29。我们的系统使用了一片Cypress公司的USB控制芯片AN2131QC。j卷片内部集成了USB内核、微处理器及内部RAM等。USB内核即串行接口引擎(SIE)，它对串行数据进行编码和译码，并执行错误更正、位填充及其他一些USB需要的信号级操作。微处理器是一个改进的805l内核，使用标准8051指令集，利用片内RAM作程序和数据存储器，使芯片具有软特性[301。当需要向主机传送数据时，AN213l向DSP发出总线请求信号／HOLD，待DSP交出总线控制权并给出响应信号／HOLDA后，AN2131就从FLASH中读出数据(一次8位)并通过USB总线传送给主机。至于具体的过程及其他细节，这里不再详述。§4．10系统框图综合以上各部分电路，得到本指纹识别系统的硬件总体设计结构框架，如图4—23。图4—23指纹识别系统总体框图在上图中，USB口上面的箭头所指向的部分是外部Pc机，它与整个系统的正常工作并无任何关系，故而图中未将其画出，箭头的单向性表明，数据只从指 电子利技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现纹识别系统中读出，不需要写入。系统各部分的作用在前面已做了详细阐述，正是由于它们的协调配合，才使系统得以正常工作并最终完成指定的功能。§4．11本章小结在本章中，详细阐述了我们的指纹识别系统的硬件构成，它包括以下几个主要部分：主控部分，包括主控制器C671IB和存储器：输入通路，即指纹图像采集部分；输出通路是USB接口：人机交互设备，有LCD显示和键盘输入；调试端口为JTAG口；电源管理及监控电路等。 电子利技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现第五章系统软件开发§5．1CCS软件开发工具当前DSP芯片的发展趋势是处理器越来越复杂，更新速度越来越快。同时，市场对DSP产品的需求也越来越大，竞争十分激烈。因此，如何降低开发难度，缩短开发周期成了开发者日益关心的问题。最初，软件的开发过程是分立的，丌发者并没有一个统一的开发环境，而是在不同的工作界面下完成不同的开发工作，比如编辑源代码、编译、连接等。自从TI公司推出了CCS(CodeComposerStudio)集成软件开发工具以后，使其DSP产品软件开发的工作变得相对简单和容易，也更加高效。CCS内部集成了以下软件工具：代码产生工具(包括C编译器、汇编优化器、汇编器和连接器)，软件模拟器(Simulator)，实时基础软件DSP／BIOS，实时数据交换软件RTDX，实时分析和数据可视化软件。代码产生工具构成了CCS集成开发环境的基础部件。其中的C编译器对c代码进行编译，生成汇编代码。汇编优化器的功能是对用户编写的汇编代码进行优化。汇编器产生浮动地址的机器语言目标文件作为输出，它所输入的汇编语言文件可阱是C编译器产生的汇编文件，也可以是汇编优化器输出的汇编文件。连接器的作用是接受浮动地址目标文件(．obj)作为输入，然后把所有目标文件中的同名段合并，并按照用户的连接器命令文件给各段分配地址，最后生成可执行的目标文件(．out)。程序的调试和仿真有两种模式：软机仿真和硬件仿真。软机仿真指程序的执行完全靠主机上的仿真软件模拟，程序运行的结果都是仿真软件“计算”出来的，不和任何硬件平台打交道。硬件仿真则需要用户具备目标板，仿真程序会利用开发系统将代码下载到DSP芯片中，程序是在芯片上直接运行的，仿真软件只是把运行结果读出来显示。软件仿真的优点是无需目标板，但仿真速度慢，且无法仿真某些外设的功能。硬件仿真速度快，仿真结果与系统一致。现在，这两种仿真模式都集成在了CCS环境下。CCS开发环境的主界面与WINDOWS窗口很相似，有关它的具体设罱及操作可见TI公司相关说明文档⋯”以及CCS的帮助文档。CCS还集成了实时底层软件DSP／BIOS[32】[33】[341，它可以看成是～个准实时操作系统，支持TIDSP的各种实时操作系统都是以DSP／BISO作为底层软件的。它为嵌入式应用提供基本的运行时服务，包括任务调度、中断处理、I／0服务等。 电予科技大学顸十学位论义：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现在软件开发阶段，为实时应用提供底层软件，从而简化了实时应用的系统软件设计，节约了开发时间。在软件调试阶段与主机CCS内的其他工具配合，可完成对应用程序的实时跟踪、监控等任务。与REDX技术和CCS的可视化工具配合，可直接实时显示原始数据，并对原始数据进行处理等。在目标机上，DSP／BIOS以API(ApplicationProgrammingInterfaces)调用的形式被应用程序使用，既可被C代码调用，也可被汇编代码调用。传统的主机调试器必须通过在应用程序中插入断点，中断应用程序运行才能与目标系统交换数据，不仅麻烦，而且所得数据只是应用程序在高速运行过程中的一个侧面。而TI的实时数据交换技术RTDX(是一个很小的函数库)可以在不中断应用程序的前提下，完成主机与目标机之间的实时数据交换。它所使用的是DSP的内部仿真逻辑和JTAG接口，不占用DSP的I／O资源，所以数据传送可以在应用程序后台运行，对DSP系统的影响很小。§5．2系统软件开发利用前-d,节提到的CCS开发工具，就可以进行系统软件的开发工作了。．，，Ⅱ亘亘皿／7，．。。，Ⅱ垂巫二刀等⋯⋯厂陌i赢i磊硐I。——ok———————————————————————1—一。、一j、、口巫画囊皿、、口亟亟西如图5一I主程序流程图 电子利技大学硕卜学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现图5—1是系统主程序流程图。对软件设计的主要考虑是强调实时性，减少中间控制代码，采用简单的系统硬件初始化方法，以中断方式实现进程的调度、管理。程序首先设置好相关设备的初始数据，包括LCD、定时器、键盘、SDRAM、FLASH、指纹头等，然后循环执行进程调度模块，等待中断信号。一旦收到中断信号，就转去执行相应的中断服务程序。比如当键盘中断来临，就读取键盘值，然后根据系统的设定进行相应处理，例如在LCD上显示数值等。如果收到了指纹传感器的中断信号，就读取一帧指纹图像数据，然后调用指纹图像处理算法，进行特征提取、比对等处理。在系统中，键盘、电子Fj历及指纹传感器控制均采用了12C协议来传输数据，下面给出了12c数据传输程序的流程图。设攫．～lcBSP为(；PlOiI．获戳12c从设地址及啦，i地自I：i溯接收数槲一f群净(1)12C主程序窜阿磊烈蕊习(2)接收数据子程序 电了科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现(3)发送一个字节子程序图5--212C数据传输程序流程图(4)接收一个字符子程序12c数据传输程序流程的思路源于12C数据传输协议，从第四章的图4—8可以清楚地看到启动、读／写传输、应答以及停止等各流程的要求。这里只是给出了数据接收的框图，对于数据发送，还要简单一些。§5．3本章小节本章首先叙述了TI公司的CCS集成软件开发工具的基本构成以及它各部分的功能及特点，运用此开发工具，可以大大缩短软件开发周期，提高软件玎发效率。然后阐明了本系统软件构成的总体框架。最后给出了部分程序的流程图。 电子利技大学硕：E学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现第六章总结生物特征识别技术的研究是当前非常热门的问题之一，而指纹识别在其中又占有重要地位，指纹识别系统在社会生活的各个方面都将发挥越来越大的作用。我们研制出来的基于DSP的指纹识别系统不仅可以用在指纹考勤、指纹门禁等系统上，如果对其进一步的开发，还可运用在诸如ATM取款机等设备上，应该说应用前景还是比较广阔的。目前，通过系统调试，各部分已正常工作，指纹图像的采集、液晶显示等基本功能均已实现，下一步是进一步改进系统软件，提高各部分的工作效率，优化系统的性能指标。在硬件调试过程中，也发现了一些问题，比如有些器件的相关参考文档资料有错误；芯片供货商发货有误(由于芯片制造厂家所定芯片正式名称与出厂标号并不一致，芯片供货商误将另一芯片发出，二者之间只差一位数字)：有些硬件线路设计不很合理等。通过课题组成员的共同努力，最终解决了这些问题。此外指纹识别硬件系统还有许多可以进一步改进的地方，比如现在采用的64MB的SDRAM对系统来说，可能稍微偏大，通过迸一步调整图像传输算法，FIFO存储器的容量也可相应减小。为了增强系统的实用性，以后还可增加语音提示系统。现在所采用的组合／,g序逻辑控制电路可用FPOA来取代，以进一步提高系统可靠性，降低其成本。 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现参考文献[1]关于生物识别技术http：／／wwpku—ht，com[2]生物特征认证技术进入商削时代计算机世界http：／／wwwcnbri．com／78．htm[3]王建永指纹图像的特征提取与匹配：[硕士学位论文]，大连：大连理1+大学，2003年[4]王安东．基于THS320C54X的指纹协同识别系统的研究：[硕士学位论文]，合肥：合肥’【业大学，2003年[5]张光华，肖强，衷克仁．指纹技术的研发与应用现代计算机，总第125期[6]卓晴。王文渊。一种基于DSP芯片的指纹自动识别系统．现代科学仪器，1999年，第6期[7]刘满华，许超，邵惠鹤，一哥中实用的指纹自动识别系统的设计，计算机工程，2002年，V01．28No．5[8]彭启琮，李玉柏，管庆，DSP技术的发展与应用．北京：高等教育出版社，2002年第一版【9jTexasInstruments．TMS320C671I／B／CFLOATING—POINTDIGITALSIGNALPROCESSORS2003[10]TexasInstruments．TMS320C6000PeripheralsReferenceGuide，2001【11]IntegratedCircuitSystemsCo．ICSS01LOCOPLLCLOCKMULTIPLIER，revision080102[12]FUJITSU．AM29LV200BDATASHEET．2003[13]刘乐善，欧阳星明，刘学清微型计算机接口技术及应用武汉：华中科技大学出版社，2000年第一版[14]MicronCo．MT48LCl6M16A2SYNCHRONOUSDRAMDATASHEET．2003[15]PhilipsSemiconductorsTHEI2C--BUSSPECIFICATION．VERSION212000[16]TexasInstruments．InterfacingtheTMS320C54XDSPtoan12CBus，2002[17]周立功单片机发展有限公司．PCF856312C实时时钟／日历芯片[18]OmniVision．OV7120SINGLE—cHIPCMOSVGAB＆wDIGITALCAMERA，2001[19]IDTCo．IDT72V02CMOSASYNCHRONOUSFIFO，2003[20]周立功单片机发展有限公司．ZL6729012C接口键盘及LED驱动器技术文档[21]李维旋，郭强液晶显示器件应用技术．北京：北京邮电学院出版社，1993年第一舨[22]北京精电蓬远显示技术有限公司内藏T6963C控制器图形液品显示模块使用手册[23]任丽香，马淑芬，李方慧．TMS320C6000系列DSPs的原理与应用．北京：电子工业出版社，2000年第一版[24]TexasInstruments．DSPPowerSolutions．1999[25]TexasInstruments．TPS5602DUAL，FAST，HIGHEFFICIENCYCONTROLLERFORDSPPOWER，1999[26]BerndKornmeier，DirkGehrkeTPS330xSupervisingDSPandProcessorApplications，2000[27]TexasInstruments．TPS3307—18，TPS3307—25，TPS3307—33TRIPLEPROCESSORSUPERVISORS，2002[28]TexasInstrumentsSN74从VCl6424516一BIT25V～3．3V／33VTO5VLE1『EL—SHIFTINGTRANSCEIVERWITH3一STATEO{／TPl3TS．200255 电子科投火学硕．L学位论文：基十DSP的自动指纹识别系统的研究与实现[29]颜荣江，余志强，张进，阴大兴EZ—USB2100系列单片机原理、编程及应用．北京：北京航空航天大学出版社，2002年第一版[30jCYPRESSCo．AN2]31QCEZ—USBTechn【icalReferenceManual[3I]TexasInstruments．CodeComposerStudioGettingStartedGuide，2001[32]TexasInstruments．TWIS320DSP／BIOSUserGuide．2001[33]TexasInstrumeatsTMS320C6000ChiPSupportLibraryAPIReferenceGuide，2001[34]TexasInstruments．TMS320C6000DSP／BIoSApplicationProgrammingInterface(API)ReferenceGuide．200l56 屯子科技大学倾士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现致谢在此毕业论文完成之际，我首先要向导师解梅教授致以衷心的感谢!感谢解老师在我研究生学习期间对我的诸多帮助与指点。解老师不仅对学生严格要求，她的那种忘我的工作态度与热情，更应该一直是我们这些年轻后进学习的榜样。衷心感谢祝崇今老师对我工作上的耐心指导，我在工作上所取得的一点点进步，与他的悉心指点是分不开的。感谢师弟顾菘在工作上的大力支持与帮助。感谢好友袁勇在工作中的大力帮助。感谢好友甘迎辉给予的诸多帮助。感谢好友吕斌的支持与帮助，他提供了许多有用的信息与资料。谢谢我硕士期间的各位好友和师兄弟姐妹，他们是：张光玉、罗玲、李庆嵘、王鑫、贾聪智、陈沛文、刘大良、李永健、陶维华。大家共同学习和工作，一起度过了许多难忘的时光。最后，衷心感谢为评阅本论文而付出辛勤劳动的专家和教授们! 电子科技大学硕士学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的聊f究。j实现附录：印制板实物图片58 屯了科技大学硕上学位论文：基于DSP的自动指纹识别系统的研究与实现个人简历顾良，男，1972年生，1994年毕业于合肥工业大学电机专业，94年至lJ2001年在成都电焊机研究所工作，2001年9月至2004年6月在电子科技大学电子工程学院攻读信号与信息处理专业硕士学位。研究方向是图像处理。研究生期间研究成果1、参与国家信息产业部专项课题：指纹自动识别系统的研制研究生期间发表论文1、顾良，解梅，祝崇今．面Ii,3TI公司C6000系yiJDSP的电源系统设计，电子元器件应用，己发表，2004年第2期 基于DSP自动指纹识别系统的研究与实现作者：顾良学位授予单位：电子科技大学相似文献(0条)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y611317.aspx下载时间：2010年5月30日