基于fpga的指纹识别系统的设计与实现

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1、基于FPGA的指纹识别系统的设计与实现郑骏，张丹，潘静时间:2011年06月29日来源：电子技术应用2011年第4期字体: 大 中 小关键词:指纹识别FPGAMICOBLAZE软硬件协同嵌入式       Xilinx摘 要： 为了提高指纹识别系统的实时性和处理速度，设计和实现了一种基于FPGA的嵌入式指纹识别系统。该系统采用处理器结合自定义硬件逻辑的方法，以下载到FPGA的MICOBLAZE嵌入式软核为系统控制模块，运用FPGA路基单元实现指纹图像的处理。在设计中，指纹图像处理的算法通过SG(SystemGenerator)软件设计，

2、采用Matlab语言和Verilog语音混合编写的方式实现专用的处理模块，较大地提高了系统的处理速度。关键词： 指纹识别；FPGA；MICOBLAZE；软硬件协同；嵌入式　指纹识别作为生物特征识别的一种方法，在身份识别上有着其他识别方法不可比拟的优越性：指纹具有唯一性、终生不变性、难以复制、易获取等优点。传统的指纹识别系统基于PC机，虽然系统的识别速度快，样本存储量大，但存在结构体积大、成本高、移动性能差的缺点；采用DSP组成的识别系统又存在外围电路复杂、设计开发时间长、系统可扩展性差的问题。   本文给出了一种基于Xilinx公司FP

3、GA的指纹识别系统设计方法。利用Xilinx公司的EDK和SG(SystemGenerator)开发软件，创建配置MICOBLAZE软核，并添加自定义指令与系统逻辑相结合构成完善的SoPC系统[1]。该方法采用硬件实现图像的预处理以及识别的部分算法，具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充，并具备系统软硬件可协同设计的特点，极大地提高了处理速度，满足了系统的实时性要求。1指纹识别的基本原理   指纹识别是指从已得到的指纹数据库中查找出与输入指纹相同的指纹数据，达到识别输入者身份的目的。指纹识别系统主要包括指纹的采集、指纹图像预处理和特征提取、

4、特征模板存储、指纹图像的特征匹配以及输出显示匹配结果[2-3]。指纹识别系统的基本原理框图如图1所示。2指纹识别系统设计2.1系统硬件总体设计   系统主要实现指纹的录入和识别。先通过指纹传感器获取指纹图像信息，再由指纹处理模块进行图像的预处理、特征提取等相关操作，最后保存到存取单元中建立指纹库。识别时，同样通过指纹传感器录入待识别的指纹，再经过指纹处理模块完成图像处理以及特征提取，然后将提取出的指纹信息与指纹库中信息进行匹配，显示匹配结果。   识别系统由指纹传感器、系统控制模块、指纹处理模块、存储模块、通信接口模块、输入输出模块等部

5、分组成。指纹的采集通过指纹传感器完成，将指纹转换成具有一定灰度级的数字图像。在控制模块的作用下，通过接口电路的控制，将录入的指纹图像输入至识别系统。   指纹处理模块主要完成指纹的预处理和指纹的特征提取功能。而输出模块则负责显示输入的测试者信息及指纹的比对结果。   存储模块分为静态存储器RAM和闪存Flash。其中静态存储器RAM作为系统存放临时数据的单元；闪存Flash用于存放控制系统建档后的指纹数据和识别比对程序。   控制系统用来协调各个外设的工作，实现状态的控制以及设备间的数据通信等操作。主要操作包括：电路的输入信号、对指纹传

6、感器的启动、指纹数据的读取、指纹图像的处理以及数据的存储、匹配和结果的输出。2.2系统软件总体设计   根据系统的设计要求，需要建立相配套的指纹识别库并对需要识别的指纹进行识别。设计中将预处理过程中耗时较大的部分用FPGA实现，将处理过程复杂的运算用软件编程的形式实现，最终由MICOBLAZE软核完成软件的执行以及软硬件之间的协调。指纹识别系统的软件运行流程如图2所示。3指纹识别系统的设计与实现3.1指纹传感器的设计与实现[4]   指纹采集卡是指纹识别系统硬件的重要组成部分，由指纹传感器及其外围电路组成，其功能是采集指纹纹理图像。本系

7、统采用美国富士通公司的MBF200电容指纹采集传感器实现对指纹图像的采集。该指纹传感器最大优点是在保证指纹图像高分辨率的同时减少了传感器的尺寸。   MFB200芯片内置的SPI接口可以极大地降低芯片对硬件的依赖，只需要5条信号线就可以与微处理器通信，因此使用SPI接口方式将MBF200作为从设备与FPGA相互连接。3.2控制模块的设计与实现   协调各个指纹处理子模块的运行，实现各个指纹处理子模块与系统片内MICOBLAZE嵌入式处理器以及存储设备之间的通信，是控制模块的主要功能。   设计时指纹控制模块预留PLB总线主从端口各一个。

8、在MICOBLAZE处理器通过指纹采集器取指纹图像数据，存储到静态存储单元RAM后，处理器通过PLB总线访问指纹控制模块的总线从端口，设定控制模块的操作地址和操作类型。完成配置后，控制单元获得总线使用权，通