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哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 生物特征识别是指通过计算机,利用人体固有的生理特征,如指纹,静 脉来进行个人身份鉴别的技术。由予生物特征唯一性和不变性,使得生物特 征识别与传统的方法如数字密码和身份证相比,具有更高的安全性和易溺性。 传统的高性能自动识别系统大多基于p c 平台联机应用,然而在实际应用中 往往对自动识别系统要求有更舞的便携性和易用性,嵌入式技术豁快速发展 使得实现这样的系统变为了可能。 生物特征识别系统主要由通用模块的控制系统与非通用模块的图像采 集设备与识别算法组成。本文针对通用模块与非通用模块接口闷题进行研究 和设计,实现了一个工作良好的嵌入式平台。 本谋题在设计核心板、扩展板、转接叛的硬件基础上,移檀实时操作系 统l i n u x ,编写各种接网与模块的驱动、多路摄像头切换程序,并很好的解 决了摄像头采集生物特征时光强控制闻题,为很好的采集到清晰图像提供了 一个良好稳定的硬件平台。 本课题所设计的嵌入式系统通过测试,做了大量的实验,并将所采集到的 手指静脉图像进行讨论分析,具有实用价值。+ 关键词:删;嵌入式系统;生物识别;多模态 哈尔滨t 稃人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t b i o m e t r i ci d e n i i f i c a t i o nr e f e r st oa ni d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u eo fap e r s o n , b a s e do nh i s h e ri n h e r e n t b i o l o g i cc h a r a e t e r i s t i cb yc o m p u t e r d u et o t h e u n i q u e n e s sa n di nv a r i a b i l i t yo fb i o l o g i cc h a r a e t e r i s t i c ,t h eb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o n i sm o r ea t t r a c t i v e , c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d ss u c ha sp a s s w o r da n di d c e r t i f i c a t e h o w e v e r ,m o s to ft r a d i t i o n a lh i g hp e r f o r m a n c ea u t o m a t i o nb i o m e t r i c i d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi sb a s e do np co n l i n ea p p l i c a t i o n n o w a d a y s ,b e c a u s eo ft h e w i d eu s eo ft h ea u t o m a t i o ni d e n i i f i c a t i o ns y s t e m ,i ti sr e q u i r e dt ob ee a s i e rt oc a r r y a n du s e t h e r e f o r ee m b e d d e db i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e mb e c o m e sah o tt o p i c s u c ha s y s t e mc a nb ef u l f i l l e da se m b e d d e dt e c h n o l o g yg r o w sr a p i d l y 。 a b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi sm a i n l ym a d eu po ft h eg e n e r a lm o d u l e w h i c hc o n s i s t so f c o n t r o ls y s t e ma n dt h ed i s t i n c tm o d u l ew h i c hc o n s i s t so ft h e i m a g e c o l l e c t e de q u i p m e n ta n dr e c o g n i t i o na l g o r i t h n t h i st h e s i sf o c u so nt h e i n t e r f a c eo ft h eg e n e r a lm o d u l ea n dt h ed i s t i n c tm o d u l es ot h a tt h ee m b e d d e d s y s t e mw ed e s i g nc a nw o r kw e l l w e d e s i g nt h e c o r ec i r c u i t 、e x p a n dc i r c u i t 、s w i t c h i n gc i r c u i t ,a n dt r a n s p l a n t t h er e a l - t i m eo sl i n u xt ot h eh a r d w a r e w ea l s oc o m p l e t et h ed r i v e r so fm a n y m o d u l e si nt h ed e v e l o pc i r c u i t ,a n dc o m p o s et h ep r o g r a mo fm u l t i - c a m e r a s c u t o v e r i na d d i t i o nt ot h i s ,w es o l v et h el i g h t - a t u o m a t i c - c o n t r o le q u i p m e n t k e yw o r d s :a r m ;e m b e d d e d ;b i o m e t r i ci d e n t i f i e a t i o n ;m u l t i m o d a l ; 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者 本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出, 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 f 作者( 签字) :辞篆 日期: 2 嘲年弓月幺e l 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定,即研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔 滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索,可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文,可以公布论 文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待 解密后适用本声朋。 本论文佗艋授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解密 后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 日期? 西挣稿孚乏叫发 日期:厶研年弓月弘日彩年月距l 。 哈尔滨1 :程人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 本课题来源于本教研室的多模态生物特征识别的嵌入式系统开发项目。 课题的提出是基于教研室的多种生物特征的识别算法已经成熟和近年来嵌 入式技术的快速发展及其在市场上的广泛应用。 本课题的主要目的就是开发一个相对通用的嵌入式平台,在这个平台 上,可以加上多路的图像采集装置和移植相应的识别算法以便实现一个的多 模态识别设备。 1 2 本课题研究的目的意义 在单模态生物特征识别技术研究领域,我国有着批以北大、中科院、 清华大学等为代表的研究机构和高校,初步统计有2 0 多家。这些科研院所主 要从事基础理论的研究,现在也在做一些产业化的工作。我国核心技术的基 础研究尤其是核心算法的研究,在国际上是一流水平,某些方面甚至是国际 先进水平。但是,在多模态的生物特征识别技术以及应用方面却远没有达到 国际先进水平,部分原因是与此相关的光学、电子、通信、半导体集成制造 行业大部分为国外企业所垄断,国内进行此方面的基础研究较少。同时,也 有对生物识别技术的应用认识不足的原因,政策倾向和资金投入均难以到 位。相关配套技术研究较少。先进的理论缺少合适的平台和载体,造成叫好 不叫座局面,成为我国生物特征识别技术市场的瓶颈。 提供一种采集并经过匹配识别的平台是生物特征识别的关键技术之一, 这种联机的多模态生物特征识别具有很强的单一性、受传感器噪声影响小、 特征描述具有恒定性以及体积小和移动方便等特点。针对以上的特点,本课 题的设计目的就是要较好的开发这种多模态生物特征识别的平台。 本课题的研究意义是基于a r m 的嵌入式多模态生物特征识别系统的研 究。以安全性极高的指纹识别和静脉识别技术为基础,开发一套相对通用的、 具有升级能力的、具备扩展功能,和方便接口的图像采集识别平台。以加速 多模态生物特征识别技术的研究,为多模态生物特征识别技术应用和完全自 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 主的知识产权打下良好的基础。 1 3 国内外研究现状及发展状态 在国外,生物特征识别技术从民间到政府、从消费领域到安防监控都获 得了广泛的应用。电子消费品中,i b m ( l e n o v o ) 指纹驱动、指纹技术j 下有望 成为未来笔记本电脑的标准配置;日本、韩国的指纹手机,以及指纹远程支 付业务十分流行:在欧美地区,指纹在零售、餐饮、教育、金融、医疗等的 应用都较为突出,指纹付款在美国已普及到9 0 0 0 家超市,2 3 0 万注册用户。 自动餐厅的指纹付款的案例全球超过1 0 0 0 家;英国有超过3 5 0 家指纹图书馆 提供指纹借阅图书服务;日本的静脉识别技术在本国银行业已较为普及,为 此日本银行联合会已经出台相关文件,确定技术应用标准,提高使用效率。 2 0 0 5 年2 0 0 6 年,国外由政府牵头的大型公众项目大都得到了快速发展,主要 包括出入境、机场安检、电子护照以及智能身份证等。以出入境举例,世界 上最大规模的应用是美国访美系统- - u s v i s i t ,美国免签证协议早在2 0 0 5 年 1 0 月之前,就要求所有的2 7 个免签国需在其美国电子护照中至少存有护照持 有人的脸部图像,以便进行生物对比确定其身份;欧洲目前也要求所有欧盟 成员在2 0 0 9 年前,在所有护照中配备带有脸部和指纹图像的芯片;英国政府 为正在进行的生物识别身份证项目要花费1 0 0 亿美元:澳大利亚、新西兰、 德国于2 0 0 5 年1 1 月开始发放生物特征护照;日本从2 0 0 7 年1 1 月开始对所有入 境的外国入采集双手背纹和人脸图像。这必将形成一种趋势,使得所有国家 都将这种电子护照作为标准来遵循。生物特征识别技术越来越备受世界的重 视,各国都将生物特征识别作为关系国家安全的关键技术加以发展。 国内的生物特征识别技术提供商中,有部分是中科院生物识别研究机 构派生的企业,如中科虹霸、中科膜识、中科奥森等。这些企业都具有中科 院背景,在技术研发上有较大优势。另一部分企业,是利用科研院所的研究 成果或自主研发成果进行生产开发的企业。这些企业具有较强的产品化和市 场推广能力,并且精于企业的运作和经营管理。如上海银晨、航天金盾( 所有 研发围绕公安系统进行) 、北京行者集团猫王系列、时代杰诚、深圳立盾、深 圳科佳等。目前国内生物识别技术研究和应用的发展,主要体现在指纹识别 技术上。一项统计数据显示:2 0 0 6 年,中国生物识别市场的销售数量约3 4 万 哈尔滨l 样大学硕士学位论文 套,销售收入约8 亿6 千万元,其中超过9 7 为指纹识别产品。一方面,国内 的技术在不断进步和完善,已经达到了国际领先水平。比如,中国科学院自 动化研究所自2 0 0 2 年起连续3 次参加了f v c ( f i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o n c o m p e t i t i o n ) 系y i j 指纹识别算法竞赛,取得了很好的成绩,在国际同行业巾产 生了很大的影响力。另一方面,生物特征识别技术的应用需求也在不断增多, 但是成功的、规模化的应用还非常少,远没有像发达国家那样广泛应用。到 目前为止,国内一些著名的p c 设备厂商仍没有把指纹等生物识别技术作为很 重要的商务应用来丌发,这与国内i t 产业界对生物识别技术的认识有关。在 手机的应用方面,金融行业更多希望与支付系统相关联,但作为运营商,中 国移动和中困联通似乎仍没有看到这种应用的急迫性。我国幅员辽阔、人口 众多,是未来生物特征识别技术的应用大国,开展生物特征识别技术的研究对 信息安全和国家的战略安全具有重要意义。今天的不足就是明天的发展空 间。以中幽1 3 亿人口的规模看,相信未来生物识别技术的应用在中国会有着 非常好的发展前景。 图1l 是各种识别系统: 团凰 ( a )( b ) j 裁 岛a 圈田冒墨目墨u 三j ( d )( e ) 图11 ( a ) 指纹识别( b ) 手背静脉识别( c ) 瞳孔识别( d ) 人脸识别( e ) 签名识别 据i b g ( i n t e m a t i o n a lb i o m e t f i cg r o w i p ) 在2 0 0 7 年生物特征验证技术市场的 分析报告t 得出指纹验证占全部市场的2 53 ,如果算上a f l s ( a u t o m a t i c 盘 i 哈尔滨j 。程大学硕+ 学能论文 f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 合并起来约占牟部生物识别市场的5 89 ,而 在0 4 年这个数字仅为4 8 。目前,生物特征识别技术已经开始向着多模态的 方向发展。根据报告,静脉识别和多模态生物特征融合技术也已分别占整个 市场的3 和29 规模,而在0 4 年这两项还未被列入。山此,静脉识别技术和 多模态生物特征识别技术的发展可见一斑。如图1 2 所示。 b i o m e t r i cm a r k e tb yt e c h n o l o g y , 2 0 0 7 c o p y r i g h t 02 0 0 6 - 2 0 0 7 i n t r u o lb t7 i cgr o u p 、o ”j 等= r e g a l t i o n 图1 22 0 0 7 年生物验证技术市场的分析报告 1 4 本文的结构 本文提出了基于a r m 的嵌入式多模态生物特征识别系统的设计原理并 通过实验结果蜕明可行性。从现有文献和商用系统来看虽然目| j 多种生物 特征的 别系统存在,但是对于一个多模态识别方法的嵌入式系统却不多。 正由于各种识别方法优点的组合及缺点的相互抵消,使得多模态的生物特征 识别系统成为了研究的热点,本文正是针对于各种生物特征识别系统平台的 通用的部分,对其分析并实现。从而使得在这个通用的平台上再构建一个多 模态的完整的识别系统将变得相对容易。根据目前所掌握技术和运用的实用 性来看,一个融合指纹 = 别和静脉识别的嵌入式系统是比较实用和易操作的, 因此,这也是本文研究的出发点。 哈尔滨下程大学硕十学位论文 全文由6 个章节组成,结构如下: 第l 章:绪论。总体阐述了生物识别技术的由来,发展,应用及目前研究 的热点问题。 第2 章:系统的总体架构。分为硬件和软件两部分,先从整体上概述系统 的所要实现的功能,然后分层次的介绍硬件部分各个模块,其次对软件的功 能模块进行分析,最后从系统总体构造与原理入手进行阐述。 第3 章:系统硬件平台的设计。详细说明系统各个主要硬件模块特性和作 用,并给出相关的原理图,从而实现一个完整的嵌入式系统。 第4 章:系统软件平台的设计。阐述本课题选用的嵌入式操作系统的必要 性,并对其特点进行分析,实现基于硬件平台的系统移植,对硬件模块特别 是多路摄像头的驱动程序的编写着重分析。 第5 章:多路摄像头分时复用以及光源控制。该章是保证多模态生物特征 识别的关键部分,提高了认证准确率。光源控制能自动调节红外白光,以便 该平台能采集到更清晰的图像。 第6 章:系统测试与实验结果。 哈尔滨1 j 程人学硕十学位论文 第2 章系统的总体结构 2 1 系统总体结构分析及设计原则 2 1 1 系统总体结构分析 作为一个多模态生物特征识别的嵌入式系统,主要有五大模块: 第一:前端的图像采集模块。这个模块主要是根据不同的识别方法选用 不同的图像传感器芯片和滤光片,再结合合适的控制电路,女n c p l d 等来完成 采集装置。 第二:图像的传输模块。这个模块的功能是把采集好的多路数据传输到 c p u 处理器里面。 第三:图像的显示和处理模块。这个模块是c p u 把接收到的多路图像在 l c d 上依次显示出来。 第四:光强控制模块。设计出一个光强能自动调节的电路是图像传感器 采集到清晰图像的前提,这是一个闭环自动控制电路。 第五:识别算法模块。这个模块主要是调用算法对图像进行处理。此模 块由第三个模块调用。 本课题的目标就是设计和实现这个生物特征识别嵌入式系统的通用部 分,即第二,三和四模块。 一个完整的嵌入式系统是软硬件可裁减的专用计算机系统,下面就分别 对硬件和软件进行总体性的介绍。 2 ,1 2 系统总体设计原则 根据当前领域和行业的技术状况和发展趋势,系统建设实施应立足于最 先进、最成熟的主流产品和主流技术上,在技术开放和高度集成的基础上, 进行高层次的应用开发,在系统建设主导思想的指引下,使系统简单易用、 易维护、易扩展并且高度安全可靠。因此,系统的规划实施必须遵循以下原 则: ( 1 ) 安全、可靠原则:选购设备要考虑工作环境的温度、湿度、压力、 振动、粉尘等方面的要求,以保证在规定的工作环境下,系统稳定、可靠。 6 哈尔滨一【程大学硕十学位论文 同时,采用高度可靠和稳定的实时多任务操作系统和相应的硬件平台,并从 软硬件两方面采取一定策略,保证信息存储与访问可靠。 ( 2 ) 数据采集的高速率、高精度原则:数掘采集系统对数据采集环节中 的速率和精度的要求极为苛刻。采集速率越高,就意味着在相同采集时间段 内和相同的采样点上,得到更多的采样值,在分析处理测量数据时,能最大 程度精确地绘制物体的某种渐变过程;对于采集精度来说,越高就表示在被测 物体上采样的位置更多,越能更全面的反映物体在不同科学测量实验环境中 的性状。理论上,这两个数掘采集指标越高越好,但是它们又受制于数据采 集模块硬件的设备情况,而且不是所有的实验内容都需要这么高的采集速率 和精度,否则大大地浪费了资源。所以,要根据目前成熟的数据采集模块的 硬件设备和具体实验环境的要求去找一个平衡。 ( 3 ) 代码的稳定、易维护原则:一个好的系统具有稳定的软件系统,它 需要高效的代码,并且能够日后很方便的维护。 ( 4 ) 灵活、高效原则:确保系统具有良好的系统性能、较高的处理效率, 并且还有运行速度快等优点。 2 2 系统平台简介 2 2 1 硬件平台简介 如图2 1 为系统的硬件框图,各主要模块作用如下: 1 核心板的设计是整个系统的重中之重,它包括以a r m 为芯片的c p u 、 存储器等,在系统中主要是起到控制接收、储存来自于各接口设备 的数掘,调用存储器中的算法程序对接收到的数据进行处理的作用。 2 ,系统扩展板,它支撑整个系统能够运行。包括数据传输模块、图像 显示模块、串行e e p r o m 、复位电路、电源输入电路等以及各种接 口,这些设计的接口用于连接各种外围的设备。 3 转接板的设计也是至关重要的,因为它是连接多路图像传感器和扩 展板的桥梁,只有在提供完整的信号输入和信号互相隔离的前提下, 才能保证图像输入至扩展板的清晰度。 4 两个摄像头( 下图多个摄像头为扩展) 分别用来获取静脉图像和指纹 哈尔滨 二程大学硕十学位论文 图像( 本课题所采用的是静脉和指纹两种生物特征识另f j ) ,供识另u 算法 进行图像分析并给出匹配结果。 5 。光源控制电路,由于采集图像的清晰度很大程度上取决于红外灯或 白光灯的亮度,所以设计一个合理可靠的能自动根据生物特征的图 像调节红外白光的亮度也是重要而且必要的环。 图2 1嵌入式多模态生物特征识别结构框图 2 2 2 软件平台简介 如图2 2 为系统的软件框图,各模块作用如下: 1 l i n u x 操作系统是整个嵌入式系统的软件基础,所有模块的驱动都是 与这个操作系统相关的,所有的应用程序也都是基于这个操作系统 的。 2 多路图像数据是采集设备采集到的数据源,也就是指纹仪和静脉采 集装置所采集的数据,采集的动作由相应的应用程序发出控制指令。 3 图像操作模块由l c d 的驱动程序和中间件g u i 组成。这是本课题软 件开发的重点,本文在驱动l c d 的基础上。用移植好的g u i 程序库 开发一个界面程序,在这个界面程序下嵌入算法识别程序供用户操 作,并能观察匹配结果。 4 辅助模块在现阶段中是键盘输入驱动。 5 多路数据分时复用指多路图像传感器采集的数据通过转接板分时复 哈尔滨工程大学硕十学位论文 用删芯片中的摄像头接口,从而能够多路采集,又不相互干扰。 6 识别算法主要是指纹识别算法和静脉识别算法,在p c 机上调试的算 法程序只有移植到l i n u x 和相应的g u i 体系下才能运行。 图2 2 生物特征识别嵌入式系统软件模块框图 2 3 多模态生物特征识别系统构成与原理 多模态生物特征识别系统的构成与原理如图2 3 所示。其中虚线左侧为多 模态生物特征识别系统构成。 缓冲多 存储 路 数 单元 据 t 传 时序 输 曲 逻辑 兀 匹配 图2 3 多模态生物特征识别系统构成与原理 多模态生物特征识别系统由多路图像采集单元、缓冲存储单元、时序逻 9 哈尔滨:1 :稃人学硕十学佛论文 辑匹配单元、多路数据传输单元、基于a r m 的嵌入式平台、系统驱动和应用 软件处理等几部分组成。其中,多路图像采集单元用于获取用户的多种生物 特征图像;缓冲存储单元、时序逻辑匹配单元用来进行数据格式化;多路数 据传输单元负责外部设备和计算机进行数据交换,并分时复用的将所采集到 的图像数据送入计算机,或者将计算机发出的控制指令送给外部设备;系统 驱动和应用软件部分负责屏蔽系统设备驱动,并提供系统识别算法的透明接 口。如果加上虚线右侧的识别算法所得出的结果并显示出来,就可以构成一 套完整的多模态生物特征识别系统。 2 4 本章小结 本章对系统总体结构的分析以及设计原则进行的比较详细的剖析,并分 别简单阐述了系统的硬件平台及软件平台。最后,本章还提出了多模态生物 特征识别系统的系统架构与工作原理,这为软、硬件的设计提供了总体性思 路。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章系统硬件平台设计 3 1 系统硬件平台概述 本课题所设计的系统是在以a r m 内核为c p u 的嵌入式系统中实现数据 采集及显示的功能。第一,实现对由经转接板输入的多路图像数据分时复用 控制及读写数据操作:第二,把读取到的数据在显示器上显示出来以便于后 续的操作。系统主要由含a r m 9 微处理器的核心板、扩展板、转接板、光源 控制电路、l c d 显示器以及u s b 主机控制芯片和串口等组成。 3 2 核心板的设计 核心板主要包括c p u 模块和存储器模块。在系统中主要是起到控制接 收、储存来自于各接口设备的数据,调用存储器中的算法程序对接收到的数 据进行处理的作用。所设计的核,己、板与扩展板的接口为s o d i m m 2 0 0 ,它是 一块四层小板,具有最佳的电气性能和抗干扰性能。 3 _ 2 1c p u 模块 课题选用性能价格比高的3 2 位a r m 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 。其高效、实时 处理能力强、功能全面。具有通用性强、提供的硬件资源丰富、有较好的中 断处理功能、便于系统扩展、通信接口种类多、指令系统简单实用等特点, 因此选用其作为生物特征识别系统的预研的c p u 芯片是可行的。 $ 3 c 2 4 4 0 a 是一款由s a m s u n g 半导体公司为手持设备和各种多用途应用 设计的,低功耗、高集成度的微处理器,采用2 8 9 脚f b g a 封装。最突出的特 点是它的c p u 内核采用a r m 公司的3 2 位a r m 9 2 0 t 内核( 主频4 0 6 m h z ) 。 a r m 9 2 0 t 系统扩充包括t h u m b 协处理器、片上i c e 中断调试支持和3 2 位硬件 乘法器。 $ 3 c 2 4 4 0 a 通过在a r m 9 2 0 t 内容基础上扩展一系列完整的通用外围器 件,使系统成本降至最低,消除了增加附加配置的需要。$ 3 c 2 4 4 0 a 集成的片 上功能描述如下: 1 。1 2 1 3 v 内部供电,1 8 v 2 5 、3 3 v 存储器,3 3 v 外部i o 外部供电。具有 1 6 k b 一体化的c a c h e m m u ;, 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m h 2 具有外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ; 3 l c d 控制器( 支持高达4 k 色的s t n 屏和2 5 6 色的t f t 型液晶屏,具有l c d 专 用d m a ) ; 4 4 通道d m a 控制器,具备外部请求脚; 5 3 通道u a r t ( 支持i r d a l 0 ,6 4 字节的发送f i f o ,6 4 字节的接受f i f o ) ; 6 2 通道s ; 7 1 路多主模式的i i c 总线,1 路i i s 音频编解码器接口; 8 a c 9 7 编解码器接口,具有日历功能的r t c 时钟; 9 2 路全速u s b 主设备,其中1 路可以作为u s b 从设备( v 1 1 协议) ; 1 0 4 足g - h p w m 定时器l 路内部定时器看门狗定时器; 1 1 8 路1 0 位a d c ,其中4 路可以作为触摸屏接口; 1 2 摄像头接口( 最大输入支持4 0 9 6 4 0 9 6 像素,画面缩放最大输入支持2 0 4 8 2 0 4 8 ) ; 1 3 具有1 3 0 路通用i o 口和2 4 路外部中断源: 1 4 片内倍频锁相环p l l ,m p l l 产生的操作m c u 的时钟最大为4 0 0 m h z ; 3 2 2 存储器模块 作为一种非易失性存储器,f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量 表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。k 9 f 1 2 0 8 u o m y c b 0 作为 n a n d 存储器,其主要特点是:具有6 4 m b 容量,可选配为各种容量为8 位 n a n d f l a s h ,2 7 v 3 6 v 单电源供电,可使内部产生高电压进行编程和擦除操 作;只需对其命令寄存器写入标准的微处理器指令。具体的编程,擦除等操 作由内部嵌入的算法实现。 与f l a s h 存储器相比较,s d r a m 不具有掉电保持数据的特性,但其存取 速度大大高于f l a s h 存储器,且具有读写的属性,因此,s d r a m 在系统中 主要用作程序的运行空间,数据及堆栈区。当系统启动时,c p u 首先从复位 地址0 x 0 处读取启动代码,在完成系统的初始化后,程序代码一般应调入 s d r a m 中运行,以提高系统的运行速度。同时,系统及用户堆栈、运行数据 也都放在s d r a m 中。 采用h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t h 作为s d r a m 芯片,存储容量为4 b a n k s 4 m b i t s 1 2 哈尔滨丁释人学硕十学位论文 1 6 b i t s ,工作电压为3 3 v ,常见封装为5 4 脚t s o p ,兼容p c i 0 0 p c i 3 3 接口, 支持自动刷新( a u t o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ,1 6 位数据宽度,由于 s 3 c 2 4 4 0 a 数据宽度是3 2 位,所以需要两片s d r a m 。n a n d f l a s h 禾l 两片s d r a m 的连接图如图3 1 所示。图中处理器的地址位a d d r l 4 a d d r 2 连着 k 9 f 1 2 0 8 u o m y c b 0 的相应的位,而两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t h 的数据位组成3 2 位与处理器相应的数据位相连。 s 3 c 2 4 4 0 a 处理器可以对9 个b a n k 进行寻址,每b a n k 最大空间为1 2 8 m ;为 了使处理器对各个设备的访问互不干扰,我们将不同类的设备映射到不同的 b a n k 内。当o m 1 :o = o o 时,采用n a n d f l a s h 作为启动r o m ,则s d r a m 被挂 到了$ 3 c 2 4 4 0 a 的b a n k 0 上。另外由于c 语言使用的堆栈空间和数据空间都放 在s d 洲里面,因此还需要在系统启动后对b a n k 0 相关的寄存器进行特殊 的配置,如果没有对s d r a m 正确初始化,系统就无法j 下常工作。 图3 1s d r a m f l a s h 存储器系统硬件连接图 3 3 扩展板的设计 扩展板支撑整个系统能够运行,采用4 层板结构。它包括数据传输模块、 图像显示模块、串行e e p r o m 、复位电路、电源输入电路等以及各种接口, 哈尔滨下挥大学硕十学位论文 这些设计的接口用于连接各种外围的设备。 3 3 1 数据传输模块 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ,即u s b ) 是一种目前广泛应用的计算 机外围串行通信标准,独特的技术优点已经使其应用无处不在了。但是,无 论是采用u s b l 1 还是采用支持高速数据传输的u s b 2 0 所设计的u s b 系统,都 需要以计算机为主机控制数据的传输,而两个设备之问则无法直接进行u s b 传输,这就大大限制了u s b 在这些嵌入式设备中的应用。为此,u s bo t g 应 运而生,它定义了双功能设备,这种设备既具有u s b 主机的功能,又具有u s b 外设的功能,这样就可以在诸多的嵌入式设备中使用u s b 主机的功能,大大 方便了设备间的互连。 a r m 作为一种低功耗、高性能的3 2 位嵌入式微处理器,现在己经被广泛 应用在各个领域中,但现在很多以a r m 为内核的嵌入式设备都只具有u s b 夕b 设的功能。为了在嵌入式设备中使用u s b 主机的功能,必须给a r m 系统外扩 一片u s b 主机控制器芯片。有些a r m 芯片的生产厂商也在以a r m 为内核的微 处理器中集成了u s b 主机控制器,但是,更多的a r m 处理器是不带u s b 功能 的,外部扩展u s b 控制芯片的方式使选择微处理器的空间更加广阔。 对于本课题所设计的系统平台与外部数据传输所采用的u s b 主机控制器 ( h c ) 为s l 8 1 1 h s ,内部结构图如图3 2 所示: s l 8 11 h s 各个模块的功能描述如下: 1 时钟发生器( c l o c kg e n r a t o r ) s l 8 1 1 h s 可以接1 2 m h z 或者4 8 m h z 的外部晶振,两个引脚x 1 和x 2 用来 连接晶振。 2 串行接口引擎( s e r i a li n t e r f a c ee n g i n e ) s i e 实现了全部的u s b 协议层,而且完全由硬件实现,不需要固件的参与, 该模块的功能包括:同步模式的识别、并行串行转换、位填充解除填充、 c r c 校验产生、包识别符( v i o ) 校验产生、地址识别和握手评估产生。 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学 ! i = 论文 x1矗z 图3 2s l 8 1 1 h s 的内部结构图 3 缓冲区( r a m ) s l 8 1 1 h s 拥有2 5 6 字节的内部存储区,其中- f i i j 1 6 字节是控制和状态寄存 器,用于i o 操作的编程。 通过索引值来访问不同的寄存器。访问某个寄存器时,a 0 地址线电平拉 低,在接下来的周期,a 0 的电位拉高确认访问该寄存器,最后u s b 自动把准 备好的数据填入b u f f e r 的地址上。 s l 8 11 h s 支持地址指针自增模式。这种模式的优点在于降低了数据在 s l 8 1 1 h s 内部缓冲与$ 3 c 2 4 4 0 a 内存中的交换周期。 4 s l 8 11 h s 与s 3 c 2 4 4 0 a 的协调工作 s l s l1 h s 支持u s b l 1 协议的全速设备和低速设备,提供u s b 主机的硬件 接口及总线管理的物理机制,带有s i e 和u s b 发送器以及根集线器h u b 。因此, 满足了嵌入式u s b 主机系统所需要的功能,即由主机接口芯片来完成总线 底层物理数据包的发送、接收,并能检测总线状态,发出中断请求。所以, 选择s l 8 11 h s 作为本系统的u s b 接口芯片是合适的。如图3 3 所示,a r m 通 过c s 5 片选s l 8 11 h s 来确定s l 8 11 h s 的基地址。d o d 7 为数据和地址的复用 线,并通过a 0 来区分,当a 0 为0 的时候,d 0 一d 7 上传输的是偏移地址;反之, 当a o 为l 的时候,d 0 d 7 作数据线用。i n t r q 是中断请求信号线。当s l s l1 h s 检测到外设插入、拔出或者数据发送错误、超时、数据溢出等异常情况时, 通过将i n t r q 线拉高以通知单片机。c p u 可以通过查询s l 8 11 h s 的状态寄存 哈尔滨t 程大学硕十学俜论文 器( 地址为0 x 0 d ) 来得知是何种中断。对状态寄存器进行写操作可以清除中断。 另外,s l 8 11 h s 提供了两套控制寄存器u s b a 和u s b b ,这样就可以 利用双缓冲的机制来解决数据频繁传输带来的数据拥挤问题。双缓冲机制是 当一个缓冲区准备好数据时,另外一个缓冲区正在发送或接收数据,当这个 缓冲区完成任务 图3 3 s l 8 11 h s 与s 3 c 2 4 4 0 a 的连接图 3 3 2 图像显示模块 $ 3 c 2 4 4 0 a 集成了l c d 控制器。l c d 控制器的功能是产生显示驱动信号, 驱动l c d 显示器。用户只需要通过读写一系列的寄存器,便可完成配置和显 示控制。l c d 控制器通过d m a 把显存中的数据传入显示板的d r i v e ri c 来显示 图形。$ 3 c 2 4 4 0 a 中的l c d 控制器可支持单色彩色l c d 显示。此外,所设计 的扩展板具有5 0 针l c d 触摸屏接口,提供t t f t 型液晶屏接口所需要的全部 信号线,并引出触摸屏接口。可以支持1 ,2 ,4 ,8 ,1 6 ,2 4 b p p ( b p p :每像 素位数) 最高1 6 m 色、屏幕分屏率高达1 0 2 4 7 6 8 像素的各种尺寸规格的t f t 型液晶屏。配置l c d 控制器重要的步是指定显示缓冲区,显示的内容就是 1 6 哈尔滨下程人学硕十学位论文 i 主t d m a 模块从缓冲区中读出的,其大小由屏幕分辨率和显示颜色数决定。 $ 3 c 2 4 4 0 a 内置的l c d 控制器可以支持单色、4 级灰度和1 6 级灰度模式的 灰度l c d 以及2 5 6 级彩色l c d 。对于不同尺寸的l c d ,具有不同数量的垂直和 水平像素、数据接口的数据宽度、接口时间及刷新率,而l c d 控制器可以进 行编程控制相应的寄存器值,以适应不同的l c d 显示板。l c d 接口电路如图 3 4 所示: 图3 4l c d 与$ 3 c 2 4 4 0 a 的连接图 l c d 控制器的主要工作是将定位于系统存储器中的显示缓冲区中的l c d 图像数据传送n ; i - 部的l c d 驱动器,然后i 主i l c d 驱动器把数据送到显示寄存 器上,从而在显示面板上显示数据。这5 0 针的接口连线定义如下表3 1 所示: 表3 1l c d 接口连线定义 l c d ( 5 0 针) l + 5 0 v 1 4v d 82 7 v d 2 0 ( r 2 ) 4 0l e n d 2+ 5 o v1 5v d 92 8 v d 2 1 ( r 3 ) 4 ln d i so f f 3斗5 0 v1 6 v d l 0 ( g 0 ) 2 9 v d 2 2 ( r 4 ) 4 2接0 欧电阻 到v d d 3 3 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4g n d1 7v d li ( g i )3 0 v d 2 3 ( r 5 ) 4 3t s y p 5n r e s e t1 8g n d3 lg n d4 4接0 欧电阻到 v d d 3 3 6v d o1 9 v d l 2 ( g 2 ) 3 2l c dp w r e n4 5t s x p 7v d l2 0 v d l 3 ( 0 3 ) 3 3g n d4 6接0 欧电阻 v d d a d c 8 v d 2 ( b 0 ) 2 1 。v d l 4 ( g 4 ) 3 4g n d4 7t s y m 9 v d 3 ( b 1 ) 2 2 v d l 5 ( g 5 ) 3 5g n d4 8接0 欧电阻到 v d d 3 3 1 0 v d 4 ( b 2 ) 2 3v d l 63 6 v m ( d a t e e n b ) 4 9t s x m 11 v d 5 ( b 3 ) 2 4v d l 73 7v f r a m e5 0g n d 1 2 v d 6 ( b 4 ) 2 5v d l 8 ( r 0 ) 3 8 v l i n e ( h s y n c ) 1 3 v d 7 ( b 5 ) 2 6 v d l 9 ( r 1 ) 3 9v c l k 3 3 3 串行e e p r o m e e p r o m 全称是e l e c t r i c a l l ye r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y , 电可擦可编程只读存储器,是一种掉电后数据不丢失的存储芯片,可用在专 用设备上擦除已有信息,重新编程。本课题所采用的串行e e p r o l v l 芯片 a t 2 4 c x x 是美国a t m e l 最新生产的二线式串行i c 卡芯片,小巧、可靠性 高、具有保护性能、速度快、安全稳定,因此在设计i c 卡等领域中得到广泛 的应用。 a t 2 4 c x x 系列芯片主要有a t 2 4 c 0 1 ,a t 2 4 c 0 2 ,a t 2 4 c 0 4 ,a t 2 4 c 0 8 , a t 2 4 c 1 6 等型号,其区别主要是容量不同,分别为1 k ,2 k ,4 k ,8 k 和1 6 k 比 特。其内部组合分别为1 2 8 8 位、2 5 6 8 位、5 1 2 8 位、1 0 2 4 8 位 和2 0 4 8 8 位,并允许部分页面写入功能。它采用低功耗、高速度和高密 度c m o s 工艺,可擦写1 0 万次以上,数据保存1 0 0 年有效,为双线串行接 口。存储在芯片中的数据,可通过软件的方法利用各种加密算法进行处理, 从而确保其安全性。+ a t 2 4 c x x 中8 脚封装有双列直插塑封和表面封装两种形式,1 4 引脚只 有表面封装一种形式,这里采用8 引脚表面封装形式。图3 5 为串行e e p r o m 哈尔滨掣人学硕十学位论文 的连线图: ce e p r o m 图3 5串行e e p r o m 的连线图 图3 5 中各管脚功能如下表3 2 所示: 表3 2 管脚功能表 管脚功能 a o a 2地址输入端 s d a串行数据端 s c l串行时钟输入端 w p写保护端 n c空脚 s c l :在s c l 的上升沿,数据输入到e e p r o m 。在s c l 的下降沿,数 据输出到e e p r o m 。 s d a :双向的串行数据输入输出、开路驱动端口。所有的e e p r o m 的 s d a 端可以并在一起。 a 0 叫心:地址输入端。当为a t 2 4 c o i 0 2 时用a 2 ,a 1 ,a 0 地址输入端, 每8 个同样的芯片可连到一个总线系统中。当为a t 2 4 c 0 4 时,用a 2 ,a 1 地 址输入端,每4 个同样的芯片可连到一个总线系统中。当为a t 2 4 c 0 8 时,用 a 2 输入端即可。当为a t 2 4 c 1 6 时,地址端全不连。 w p :用于数据保护,操作功能如表3 3 所示。 表3 3 管脚w p 操作功能表 管脚w p可保护能部分 的状态2 4 c 0 12 4 c 0 22 4

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