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1、引言 人的指纹具备的唯一性、终身不变性、易获取和难以复制等特点,使得指纹识别很早就成为身份识别中的一种技术手段。随着科学技术的发展,指纹识别已经成为目前最为实用、应用最为广泛的生物识别技术,尤其在民用生物识别技术中。指纹识别技术已经在金融、医疗、公安、门禁系统等领域得到了广泛的应用。 传统的指纹识别系统都是基于PC机的,这种系统具有识别速度快、样本存储量大、软件设计技术成熟等优点。但是,基于PC机的指纹识别系统由于价格昂贵、移动性能差、功耗高等缺点限制了其应用的进一步扩大。自二十世纪末以来,半导体技术和嵌入式技术的快速发展,为人们设计廉价的便携式指纹识别
2、系统提供了一个技术上的实现平台。本文介绍了一种基于ALTERA公司推出的SOPC(SystemonaProgrammableChip,片上可编程系统)技术的指纹识别系统的设计方案。该系统以ALTERA公司的CycloneII系列FPGA和NIOSII软核处理器为核心,并采用富士通公司的MBF200指纹采集芯片设计,是一种简单实用的嵌入式指纹识别系统。 1指纹识别系统原理 指纹识别系统一般由指纹图像采集、指纹图像预处理、指纹特征提取、指纹特征匹配、特征数据库等几部分组成。指纹识别系统的原理框图如图1所示。该系统首先由指纹采集设备采集到指纹图像并将其转化为数
3、字图像;然后对指纹数字图像进行预处理,再通过图像增强、分割、平滑、细化等处理过程得到便于指纹特征提取的数字图像：接着提取细化后的图像细节特征点;最后将提取到的特征与特征数据库中的特征数据进行匹配,并输出识别结果。 2系统硬件设计 2.1SOPC技术与NIOSII软核处理器 SOPC(SystemonaProgrammableChip,片上可编程系统)是ALTERA公司提出来的一种灵活、高效的SOC解决平台。它将处理器、存储器、I／O口、LVDS、CDR等系统设计所需要的功能模块集成到一个PLD器件上,从而构建成一个可编程的片上系统。基于SOP
4、C技术的系统设计十分灵活,用户可以根据自己的实际要求,并利用IPCore资源组合构建出不同的应用系统,从而实现软硬件协同设计。 NIOSII软核处理器是ALTERA公司于2004年推出的通用32位RISCCPU,它能满足任何应用32位嵌入式微处理器的需要．用户可以获得超过200DMIPS的性能。NIOSII软核处理器具有32位处理器的基本结构单元(32位指令大小,32位数据和地址路径,32位通用寄存器和32个外部中断源),设计者可以根据系统需求的变化来调整嵌入式系统的特性,以选择满足性能和成本的最佳方案。NiosII系列可支持用户自定义指令,而NIO
5、SIIALU则直接与用户自定义的指令逻辑相连。由于设计者能为系统中使用的每个NiosII处理器创建多达256个专用指令,因此,设计者能够调整系统硬件以增强对实时软件算法的处理能力。ALTERA公司同时还推出了NiosII集成开发环境(IDE)和一些常用的免费IP核,以方便设计者的软件开发。另外,设计者使用Altera公司QuartusII开发软件中的SOPCBuilder系统开发工具还能够很容易地创建专用的处理器系统,并能够根据系统的需求添加NiosII处理器核的数量。 2.2系统硬件结构 一般的指纹识别系统主要由指纹采集模块、系统核心模块、数据存储模块
6、和输出显示模块等几部分组成。其系统硬件结构框图如图2所示。 本系统中的采集模块采用富士通公司的MBF200指纹传感器芯片,该芯片的分辩率高达500dpi(dotsperinch),并带有8bit数据接口,可以采集300×256大小的指纹数字图像。MBF200芯片提供有三种接口(SPI、USB和MCU)方式,本系统中采用MCU方式,其内置的标准8位微处理器总线使其性能大大加强。MBF200的工作流程分为两部分：首先是初始化参数的设置,即使MBF200设置相应的参数,然后选择其工作方式;其次是采用查询等待方式采集指纹数据。 由于系统每次采集的指纹图像数据量达
7、几十KB,故在系统核心模块中集成了一个硬逻辑协处理器。这个协处理器负责查询指纹芯片的状态和指纹图像数据采集存储任务。该协处理器是用硬件描述语言设计的一个有限状态机,其状态机模型如图3所示。系统复位后,协处理器将进入空闲状态并等待主处理器的复位信号;当正确接收到主处理器的复位信号后,协处理器进入查询状态;查询状态主要查询指纹芯片的中断状态位,当查询到有效中断状态位后,系统将进人数据采集存储状态;在数据采集存储状态,协处理器从指纹芯片读出数据并保存在系统的存储区SRAM中,读完整个指纹图像后即向NIOSII处理器发出中断信号并重新进入空闲状态,以等待主处理器复位。
8、 本系统的核心模块是在
