（模式识别与智能系统专业论文）嵌入式指纹识别系统的硬件设计.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 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。 在过去的十几年中自动指纹识别受到了大量的关注，并在指纹的结构模型、 指纹的采集技术及商业化自动指纹识别系统的开发等方面都取得了进展。 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 算法模块( 包括核心d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 和存储器) 、控制模块( 包括单 片机p 8 9 c 5 2 和人机接口) 、采集模块( 指纹图像采集部分) 、通信接口( u s b 接 口) 等综合而成的嵌入式自动指纹识别系统。 本文首先描述了系统设计的整体思路，然后分章节讲解了各个模块设计中的 技术细节，主要包括以下几部分： 1 系统整体工作流程。 2 算法模块中双电源的设计和存储器扩展。 3 控制模块的结构以及数据总线时分复用的实现。 4 控制模块与算法模块之间通信接口的设计。 5 采用擦刮式指纹传感器a e s 2 5 1 0 和d s p 构成的采集模块的硬件设计，采 集程序以及指纹重组的原理及实现。 6 以单片机和u s b 芯片p d i u s b d l 2 构成的u s b 设备接口的硬件实现和固 件程序开发，以及p c 机上的驱动程序和应用程序的开发。 最后为系统的进一步优化提出了建议。 实验证明本系统设计比较合理、方案可行性高、有较强的实用价值和广阔的 应用前景，并对采用d s p 和单片机双处理器为核心来构建嵌入式系统的方案，以 及嵌入式系统中u s b 接口的实现提供了一些有价值的参考。 关键词：嵌入式指纹自动识别系统，p d i u s b d l 2 ，u s b 接1 2 1 ，擦刮式指纹传感器 a e s 2 5 1 0 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nt h em o d e r na g e ，p e o p l ee n j o yt h ea d v a n t a g e sc o m i n gf r o mt h ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e ，a l lk i n d so fp r o b l e m so fi n f o r m a t i o ns e c u r i t ya p p e a r t h o s em e t h o d sw h i c ha r eu s e dt oi d e n t i f rs o m e o n e ss t a t u sa c c o r d i n gt oh i sm a r k e ro r k n o w l e d g eh a v eb e e nl i m i t e d t h e r e b y , s o m en e wt e c h n i q u e sb a s e do nb i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，e s p e c i a l l yt h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，h a v eb e e nd e v e l o p e dq u i c k l y t h ea u t o m a t i cf 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 ( a f i s ) a t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o ni n p a s tt e ny e a r sb e c a u s ep e o p l e ss a f e t yr e q u e s tw a sh i g h e ra n dh i g h e r t h e r ew a sg r e a t p r o g r e s so nf i n g e r p r i n t s t r u c t u r em o d e l ，f i n g e r p r i n tc o l l e c t i n gt e c h n o l o g ya n dt h e d e v e l o p m e n to f c o m m e r c i a la u t o m a t i cf 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 o n eo ft h ea p p l i c a t i o n so ff i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o ni st om a k ea u t of i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ( a f i s ) i nt h i sp a p e r , as y s t e mi se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o n s i s t so f f o u rp a n s ，t h a ti s ，a l g o r i t h mm o d e l ( i n c l u d i n gt m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s pa n dm e m o r i e s ) ， c o n t r o lm o d e l ( i n c l u d i n gp 8 9 c 5 2s c ma n dc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nh u m a na n d m a c h i n e ) ，f i n g e r p r i n tc a p t u r em o d e l ( u s e d t o s a m p l ef i n g e r p r i n ti m a g e ) ， c o m m u n i c a t i o nm o d e l ( u s bi n t e r f a c e ) i n t e g r a ln o t i o no f t h es y s t e md e s i g ni sp r e s e n t e da tt h eb e g i n n i n go f t h ep a p e r t h e nt e c h n i c a ld e t a i lo f m o d u l ed e s i g ni sn a r r a t e di ne a c hc h a p t e r , i n c l u d i n gt h e f o l l o w i n gp a r t s ： 1 t h ew o r kf l o wo f w h o l es y s t e m 2 t h ed e s i g no f d o o d l ep o w e rs o u r c e sa n dt h ee x t e r n a lm e m o r i e so f a l g o r i t h m m o d e l 3 t h ec o n s t r u c t i o no f c o n t r o lm o d e l ，a n dt h er e a l i t yo f t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n gd a t ab u s 4 t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nc o n t r o la n da l g o r i t h mm o d e l s 5 t h eh a r d w a r ed e s i g no ff i n g e r p r i n tc a p t u r em o d e lw h i c hi sc o n s i s t e db yd s p a n da e s 2 51 0s l i d es e n s o r , t h ep r i n c i p l ea n dr e a l i t yo fc a p t u r ep r o g r a ma n d s l i d ei m a g e s r e c o n s t r u c t i o n 6 t h eh a r d w a r ea n df i r m w a r ep r o g r a md e s i g no f u s bd e v i c e ，w h i c hi sc o n s i s t e d b yu s bs e r v i c ec h i pp d i u s b d l 2a n ds c m t h ed e v e l o p m e n to f d r i v e r p r o g r a ma n da p p l i c a t i o np r o g r a mo np c a tl a s t ，s o m es u g g e s t i o n sf o rs y s t e mo p t i m i z a t i o na r ea l s op r o v i d e d i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 e x p e r i m e n t sp r o v et h er e a s o n a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h i s 锄b e d d e ds y s t e m t h e p r a c t i c a lv a l u eo f t h i ss y s t e mi sh i g h ，a n di t sp e r s p e c t i v ei sb r i g h t t h i sd i s s e r t a t i o nw i l l p r o v i d es o m ev a l u a b l er e f e r e n c e sf o rd e s i g n e r st om a n u f a c t u r et h es y s t e mb a s e do n d s pa n ds i n g l ec h i pm a c h i n ea n dt h eu s bi n t e r f a c ei ne m b e d d e ds y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e da u t of 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 ，p d i u s b d l 2 ，u s b i n t e r f a c e ，a e s 2 5 1 0s l i d ef i n g e r p r i n ts e n s o r i 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，也不包含为获得重庞去堂 或其他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。 学位论文作者躲声及枇午签字噍唧年6 月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞去堂有关保留、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艋，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂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、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：压岿串 签字日期：洳7 年6 月丫日 导师签名： 季物 签字日期：沙少年占月乒日 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 i 绪论 1 1 生物识别背景分析 当今社会中，伴随着经济和科技的快速发展，数字化、网络化、信息化程度 不断增强，对身份认证的准确性、安全性都提出了更高的要求。传统中，通过信 物、文件、密码等措施来验证身份的手段，越来越满足不了现代对安全可靠身份 认证的需求。信物、文件可能被盗，密码可能会遗忘或被破解，所以研究根据被 验证人本身，并且能够提供安全可靠的认证方法十分必要。 生物特征识别技术是为了进行身份验证而采用自动技术测量其身体的特征或 是个人的行为特点，并将这些特征或特点与数据库的模板数据进行比较，完成认 证的一种解决方案。也就是采用“您本身所具有的”( 生物特征) 方式验证身份，这 样远比采用“您所拥有的”( 信物、文件等) 和“您所知道的”( 如用户名、密码等) 来验证身份更可靠、更安全【1 】。 而要用于身份识别的生物特征，必须具有唯一性和稳定性的性质。研究和经 验表明，人的指纹、掌纹、面貌、声音、虹膜、视网膜等都具有唯一性和稳定性 的特点，即每个人的这些特征都与别人不同、且终生不变，因此就可以据此识别 出人的身份。基于这些特征，人们发展了指纹识别、人脸识别、声音识别等多种 生物识别技术，目前许多技术都日渐成熟并得以应用。常用的各种生物特征识别 技术的技术性能、系统识别准确度以及实现成本比较如表1 1 所示旺】。 表1 1 不同生物特征识别技术比较 类型 识别可靠度可否1 ：i 比对可否l ：n 比对采集设备价格采集设备体积 指纹很好是 是较低很小 虹膜很好是 是 高 较大 视网膜 很好是是高较大 掌纹较好 是否较高中等 面部一般是 否低较小 声音一般是 否 较低 很小 指纹识别技术是目前生物检测学中研究最深入，应用最广泛，发展最成熟的 技术。指纹是指手指末端正面皮肤上凹凸不平的纹路，这些纹路在图案、断点和 交叉点上是各不相同的，依据这些不同特征的唯一性，我们就可以把一个人同他 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的指纹对应起来，通过比较他的指纹特征和预先保存的指纹特征，就可以验证其 真实身份，即我们所说的指纹识别技术。 同其他生物特征识别技术相比，指纹识别技术具有以下特点： 1 指纹可以提供独一无二的个体特征，并且特征的精确度和复杂度足以满足 高准确的鉴别需要。并且每个人的指纹是相当固定的，很难发生变化。 2 便于获取指纹样本，易于开发识别系统，实用性强。目前已有标准的指纹 样本库，方便了识别系统的软件开发，另外，识别系统中完成指纹采样功 能的硬件部分也较易实现。 3 一个人的十指指纹皆不相同，因此不仅可以提供多个指纹样本，还可以方 便地利用多个指纹构成多重口令，提高系统的安全性。同时，并不增加系 统设计的负担。 4 指纹的采集方式属于非损伤性和非敏感性的采集，易于为被操作者接受。 并且采集设备较为简单，容易小型化，并且价格较低廉。 5 指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图像，而是指纹图像中提取的关键 特征，因此存储量较小。另外，对输入的指纹图像提供关键特征后，可以 大大减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。 1 2 指纹识别发展现状 据国际生物特征组织i b g ( i n t e r n a t i o n a lb i o m e t d cg r o u p ) 公布的2 0 0 7 年至2 0 1 2 年生物识别工业总收入表( 如图1 1 ) 可以看出，生物识别市场是非常庞大，并在 未来的几年里面会得到继续稳定的增长，到2 0 1 2 年将达到7 4 亿美元的产品收入 3 1 。 图1 1 生物识别工业年度总收入表 f i g u r e1 1a n n u a lb i o m e t r i ci n d u s t r yr e v e n u e s 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 而指纹识别所具有的优点，使得他成为身份认证中生物特征认证的主流。由 i b g 所公布的2 0 0 7 年生物特征识别技术的市场份额( 如图1 2 ) 来看上，指纹特 征识别领域占据其中的主要地位。 图1 22 0 0 7 年生物特征识别技术的市场份额分布 f i n g e r1 2b 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 并随着计算机及嵌入式技术的进步，在近代得到了迅猛的发展。特别是“9 1 1 ” 事件后，在美国和一些欧洲国家，由于安全意识的加强，开始对这项技术进行了 大力的扶持和发展。 而对于指纹识别系统的发展，可以分软件和硬件两部分来看”1 ，其中需要解 决系统结构、指纹获取、指纹图像处理算法、指纹数据库、指纹分类与识别算法、 指纹压缩解压等多项关键技术。软件部分，美国最早于1 9 6 3 年首先开展有关软件 的研制，于1 9 7 5 年成功推出第一个商业化系统p r i n t r a k 2 5 0 ，随后日本在1 9 7 5 年开 始进行研究，并于1 9 8 2 年将n e c a f i s 投入使用。我国在8 0 年代初对指纹识别展 开研究。目前，许多国家都有公司或研究机构在从事指纹识别算法的研究。从世 界范围来看，美国的i d e n t i c a t o r 和s e c u g e n 、法国的s e g a m 等欧美公司，拥有长 期的技术积累和强大的经济实力，这使他们在这一领域处于世界领先地位；在亚 洲出于领先地位的则是韩国的p e f i s 和我国台湾的s t a r t e k ：而美国密歇根州立大 学计算机系模式识别与图像处理实验室则是学术界的权威，其中，a k j a i n 教授是 目前指纹识别领域的学术权威。在我国，中国科学院自动化研究所、北京大学计 算机系、清华大学自动化系处于指纹识别技术的领跑者。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 目前，指纹识别算法研究的重点和难点可以归纳为对采集进来的各种有噪声 图像进行滤波和增强；对指纹的全局和局部特征进行提取；如何在图像不能完全 定位和图像可能发生扭曲变形的情况下进行特征比对等三个方面。虽然指纹识别 技术还有待改进的地方，但是在应用和市场上都得到了广泛的认可，指纹识别技 术也发展成为一项成熟的生物认证技术。 硬件方面，指纹识别系统可以分为联机式和嵌入式两种结构。对于前者，计 算机技术的快速发展使得联机式指纹识别系统的实现变得十分的方便，目前市场 上也出现了大量的联机式指纹识别产品，比如笔记本的指纹锁、指纹鼠标、基于 p c 的指纹考勤系统等等。而对于后者，嵌入式处理器技术的发展也是一日千里， 在性能提升的同时，其价格也不断的下调，这样，不但嵌入式指纹识别系统的实 现比以前更加方便、性能更加可靠，而且整个系统的价格也能越来越被大众所接 受。随着大众对身份识别技术的要求越来越高，指纹识别也逐渐被广泛的应用于 各式各样的场合，嵌入式指纹识别系统由于其体积小、安全性稳定性都较高、并 且识别效率也很高，越来越受到人们的重视。目前，嵌入式指纹识别产品要比联 机式市场占有量更大，含盖面更广，发展也更为迅速。 另一方面，近年来指纹传感器技术也得到了很大发展，新型的传感器有着更 高的采集质量、更高的性耗比，甚至新型的擦刮式指纹传感器改变了传统的指纹 采集方式，是一种更小体积、更小功耗、更小成本的传感器。指纹采集质量的提 高使得指纹识别算法中的预处理及后续的匹配更加方便，处理效果更好，也使整 个识别过程具有更高的处理速度和准确率。 1 3 本文研究内容及目的 本文介绍了一种基于d s p 和单片机双处理器的嵌入式指纹自动识别系统的设 计与实现。并详细介绍了系统与p c 机之间的u s b 通信接口的具体实现，和一种 新型擦刮式指纹传感器的特性和其应用。 鉴于嵌入式指纹识别系统的快速发展和广泛的应用前景，而目前我国自有知 识产权指纹识别产品的稀缺，研究本嵌入式指纹自动识别系统是十分必要的。另 外，嵌入式产品由于软件的更新、与数据库的通信、以及网络化的需要，与计算 机之问的通信必不可少，而u s b 接口由于其高速、支持即插即用等优点，是一种 十分方便有效的通信方式。而作为目前指纹识别系统中的重难点，对高质量的指 纹采集的研究也颇为重要，所以我们针对一种新型的指纹传感器的应用进行了详 细的讨论。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 4 全文框架 第一章介绍了生物技术的发展背景，和指纹识别的发展现状，以及本文需要 研究的内容和目的。 第二章介绍了本嵌入式指纹识别系统的硬件整体框架和部分结构。其中详细 介绍了系统控制模块的结构和工作原理。 第三章介绍了本系统的u s b 设备接口的硬件结构和组成，以及u s b 设备的 固件程序的设计和实现。 第四章介绍了系统u s b 设备接口在p c 端的驱动程序和应用程序的结构和实 现。 第五章介绍了一种新型擦刮式指纹传感器的特性，以及基于此传感器的指纹 采集系统的设计，并且介绍了该传感器采集图像的重组。 第六章全文工作总结及展望。 5 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式指纹自动识别系统总体设计 2 嵌入式指纹自动识别系统总体设计 2 1 嵌入式系统的设计 2 1 1 系统结构规划 对于目前可脱机运行的嵌入式指纹识别系统中，大多数采用单一的微处理器。 在这种系统中，由于微处理器既要完成复杂的图像处理，又要负责监控外围设备 的任务，这样使得系统处理指纹的效率偏低，系统的功能简单，并且更重要的是 对于系统升级或功能扩展都十分不便。 在本嵌入式指纹自动识别系统中，我们将其分为指纹识别算法模块加控制模 块两大部分。其中，算法部分的微处理器选用d s p 处理器，主要完成指纹采集、 预处理、以及匹配算法的软件实现；而控制模块选用单片机作为处理器，主要完 成用户服务系统、系统接口等任务。这样，作为算法模块的d s p 处理器能够发挥 其卓越的数据处理能力，专心的完成指纹处理算法；而单片机也能利用它控制能 力强，实现方便的特点，方便的完成对外围的监控。 2 1 2 系统硬件实现 基于d s p 和单片机双核，本嵌入式指纹识别系统的硬件框图如图2 1 所示： 图2 1 系统硬件框图 f i g u r e2 1b l o c kc h a r to f s y s t e mh a r d w a r e 系统中d s p 处理器选用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ，采用的增强型哈佛结构、 多级流水线、多处理单元以及特殊的指令( 乘加指令等) ，使得d s p 具有强大的数 据处理能力，并且t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 支持最高1 6 0 m 的时钟频率，基于其强大数据 处理能力和高运行速度，所以将它作为系统的算法核心处理器。 单片机选用p h i l p s 公司的p 8 9 c 5 2 。单片机具有系统控制能力强、结构简单、 扩展方便等特点，适合作为系统的控制核心。 围绕d s p 和单片机的双处理器，本系统分为了指纹采集模块、指纹处理模块、 6 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式指纹自动识别系统总体设计 用户交互模块和与计算机通信模块几大部分。 1 指纹采集模块 本系统中采用a u t h e n t e c 公司的a e s 2 5 1 0 擦刮式指纹传感器，在d s p 的控制 下采集指纹至存储器，以等待下一步的处理，采集过程详见本文第5 章。 2 指纹处理模块： d s p 配合存储器构成了系统的指纹处理模块。d s p 片外存储器包括一片容量 为4 mb i t s 的f l a s h ，和一片容量为2 5 6 kb i t ss r a m ，其中f l a s h 存放系统的应用程 序和指纹模版，在系统上电后通过并行b o o t l o a d e r 将程序加载到d s p 的片内， s r a m 用于存放指纹图像，并提供程序运行时所需的临时数据空间。 3 用户交互模块 单片机配合键盘输入和l c d 显示构成系统的用户交互模块。单片机通过程序 构建一个嵌入式m i s 系统，用户通过键盘输入和l c d 显示来同系统迸行交互，完 成指纹注册、登录、系统设置等功能。其功能结构如图2 2 。 图2 2 m i s 功能结构图 f i g u r e2 2t h ef u n c t i o nf r a m ec h a r to f m i s 4 与计算机通信模块 单片机配合由u s b 通信模块构成了本系统的u s b 接口。u s b 通信模块由 p h i l p s 公司的p d i u s b d l 2 芯片为核心，通过单片机中的u s b 固件程序控制组成 u s b 下位机接口，然后在上位机p c 上通过编写驱动程序和应用程序，完成本系统 和p c 机之间的u s b 数据通信。详细实现见本文的第3 章和第4 章。 另外，单片机和d s p 之间正常通信是系统实现的基础，我们通过d s p 的h p i 接口( 主机接口) 与单片机以中断方式进行通信，实现了一个稳定、高效的双核 通信信道。 7 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式指纹自动识别系统总体设计 2 2 系统工作流程 本嵌入式指纹识别系统独立完成指纹录入、图象处理、特征提取与匹配、指 纹特征模板的存取，以及通过同计算机的通信接口，对指纹模板数据库进行备份 和还原。系统采用模块化设计思想，在构成和应用上的灵活性。既可以将系统作 为一个独立的嵌入式设备进行使用，另外对系统进行功能扩展和优化后，将指纹 识别系统应用到不同的场合。 新用户注册时，通过键盘输入注册i d ，然后系统由d s p 控制指纹传感器采集 用户指纹数据，如果采集到有效指纹，经过d s p 进行指纹处理得到指纹模板数据， 然后系统将该指纹模板存入系统数据库中。用户登录时，如果采用1 ；l 比对策略， 用户输入其注册所用的i d ，在系统提示下，d s p 采集用户指纹图像，然后和数据 库指纹模板相比对，返回登录是否成功的信息。如果需要，也可以通过u s b 接口 将用户信息和对应模板都上传至p c 机中备份。当嵌入式系统数据丢失时，也可以 通过u s b 接口将p c 机里所存备份下载至系统中。用户注册和登录流程图如图所 示： 图2 3 用户注册、登录流程图 f i g u r e2 3f l o wc h a r t so f u s e r sr e g i s t e ra n dl o g i n 2 3 控制模块的设计 在本系统中，控制模块包括是以单片机为核心的用户交互部分、与p c 机的通 信接口部分以及与d s p 的通信接口部分。作为系统控制模块核心处理器的 p 8 9 c 5 2 ，其接口资源有限，同时完成以上工作比较困难。而由系统成本、开发时 间周期和继承性方面考虑，换用其他处理器也不太方便，所以必须考虑在此处理 重庆大学硕士学位论文2 嵌入式指纹自动识别系统总体设计 器的基础上完成多项任务。 由于系统工作在完成注册以及登录情况时，需要键盘和l c d 以及与d s p 通信， 此时u s b 接口时闲置的；而当使用u s b 接口时，键盘、l c d 是不需要工作的。 所以单片机在完成这些工作时，可以通过对接口的时分复用来实现。其中最主要 的是完成对单片机数据总线p 0 的复用。其具体实现如图2 4 所示： 7 4 c 2 4 5 图2 4 单片机数据总线连接图 f i g u r e2 4t h ed a t ab u sc o n n e c t i n go f s i n g l ec h i pm a c h i n e 如图，s n 7 4 a l c 1 6 4 2 4 5 为5 v 至3 3 v 电平转换芯片，负责控制单片机与d s p 之间的数据流向以及电平转换，因为单片机的i o 电平为5 v ，而d s p 的i o 电平为 3 3 v ，所以必须要进行电平的转换。 s n 7 4 a l v c l 6 4 2 4 5 的o e 和d i r 脚联合控制数据的流向，当o e 为高时，芯 片两边的数据互相独立；当o e 为低时，通过d i r 的状态来控制数据的流向。 7 4 h 0 2 4 5 为总线传输器，用来控制单片机同l c d 控制芯片k s 0 1 0 8 的数据通信， 其工作原理和s n 7 4 a l v c l 6 4 2 4 5 相类似，只不过它没有电平转换的功能。 同样，u s b 服务芯片通过其s u s p e n d 管脚来使能数据线，将s u s p e n d 脚 置高电平时，整个p d i u s b d l 2 处于就休眠状态。由此，单片机就可以通过控制一 些引脚的状态来控制数据总线，以实现单片机数据总线的时分复用。 通过以上措施，只要在单片机程序中完成对控制线的合理控制，就能实现以 9 重庆大学硕士学位论文2 嵌入式指纹自动识别系统总体设计 上功能的时分复用。 2 4 算法模块的设计 算法模块及以d s p 为核心，完成指纹的采集、处理、匹配及保存等工作，是 整个嵌入式指纹自动识别系统的核心。在指纹的处理和匹配过程中包含了大量复 杂的算法工作，所以需要一个高效而稳定的数字信号处理平台，即一个强健的“核” 为基础。t i 公司生成的5 0 0 0 系列数字处理器芯片以其卓越的性能和较低价位成为 我们设计该模块时的首选。 2 4 1t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 芯片简介 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 为t i 公司生成，为实现低功耗、高性能的定点型d s p 芯片。 其主要特性如下p 】： 1 采用改进的哈佛结构。同传统的冯诺伊曼结构相比，程序和数据具有各 自独立的存储空间，并有独自的程序总线和数据总线。v c 5 4 1 6 具有一条 程序总线，三条数据总线和四条地址总线。 2 强大的数字处理能力。具有4 0 位算术逻辑单元( a l u ) ，包括一个4 0 位的 桶式移位器和两个独立的4 0 位累加器，并有1 7 x 1 7 位的并行硬件乘法器 和一个专用的4 0 位加法器，用于非流水线的单周期乘加操作。 3 高效的算法实现。v c 5 4 1 6 有两个地址产生器，包括八个辅助寄存器和两 个辅助寄存器算术单元，配合强大的硬件运算单元和快速的指令周期，以 及多级的流水线，完成算法高效实现。 4 丰富的存储空间。v c 5 4 1 6 片内有1 2 8 k 的r a m ，包括8 块8 k 的d a r a m 和8 块8 k 的s a r a m ，并且采用分页扩展的方法，程序空问最大可扩展 至8 m 。 5 低功耗。芯片内核工作电压为1 6 v ，i o 电压为3 3 v ，三种低功耗模式可 以进一步降低d s p 的功耗，符合t i 的5 4 系列低功耗标准，特别适合用 于无线移动设备和低功耗的嵌入式设备。 6 丰富灵活的外部接口。v c 5 4 1 6 提供3 个多通道缓冲串行口( m c b s p ， m u l t i c h a n n db u f f e r e ds e r i a lp o r t ) ，一个用于同外部处理器通信的主机接口 ( h p i ，h o s tp o r ti n t e r f a c e ) ，保证d s p 处理器方便的集成到系统中。 2 4 2d s p 外围电路设计 为了保证d s p 的正常工作，以及指纹处理及模块保存的需要。设计d s p 的外 围电路时，要充分保证具有稳定足够功率的电源输入，以及足够的存储空间7 】。 以下我们就这两方面来做详细介绍。 电源管理部分 1 0 重庆大学硕士学位论文2 嵌入式指纹自动识别系统总体设计 由于v c 5 4 1 6 正常工作时采用双电压供电标准，即i o 电压( 3 3 v ) 和内核电压 ( 1 6 v ) 。并且上电及掉电时序也有严格的要求，内核要先于i o 上电，后于i o 掉 电，而c p u 内核与i o 供电应尽可能同时，两者相差不能太长慨9 1 。为了保证足够 的供电功率，在5 v 电压直流输入的条件下，分两次电压转换，分别得到3 3 v 和 1 6 v 电压。电压的转换电路如下图： 图2 5 电压转换电路图 f i g u r e2 5c i r c u i td i a g r a mo f v o l t a g et r a n s f o r m l m l 0 8 6 的输出电压可选为固定电压输出和可调电压输出两种形式，当g n d 引脚通过可调电阻接地时，即为输出电压可调模式；当g n d 引脚直接接地时，即 为固定电压输出模式”“。在固定电压输出模式下，当i n 脚接入电压耋4 7 5 v 时， 输出o u t 脚为3 3 v ，1 5 a ，即d s p 的i o 电源v c c 。如图2 5 左所示，充分保 证能够提供足够的功率。 t p s 7 6 3 1 6 在输入电压为3 2 5 v 左右时，输出电压稳定在1 6 v ，最大输出电流 为1 5 0 m v “”，即d s p 的内核电源c v d d ，符合v c 5 4 1 6 的内核供电标准。 另外，由于内核电压是由i ，o 电压所产生，在掉电时能够保证i o 先掉电，内 核后掉电。而上电时，为了保证内核先于i o 上电，还要在内核电源与i o 电源之 间加上一个肖特基二极管( 如图2 6 中d 3 ) ，其具体做法如下图所示： 图2 6 电源保护电路 f i g u r e2 6p o w e rp r o t e c t i o nc i r c u i t s 由以上电路得到了内核电源c v d d 和i o 电源v c c ，通过滤波电容后就可以 重庆大学硕士学位论文2 嵌入式指纹自动识别系统总体设计 提供给d s p ，经实践，改方案得到的电源稳定可靠。 外部存储器扩展 本系统中指纹采集得到的指纹规格为1 9 2 x 2 5 6 ，每幅指纹图像占用大约5 0 k 的存储空问，并且在图像处理识别过程中需要占用两幅以上的图像存储空间，程 序运行过程中还需要存放常数和系数表等数据。而v c 5 4 1 6 的片上r a m 不能完全 满足，必须外扩r a m 存储器”。 另外，在指纹比对时，需要将指纹库中的指纹通过处理后生成指纹模块与当 前指纹模板比对，我们不可能在每次匹配时都来即时处理库中指纹，一般都将这 些指纹库中指纹预先生成模板，存放在非掉电易失的存储器中。并且当系统脱机 运行时，处理程序的代码也必须存放至非掉电易失的存储器中”，鉴于此，系统 还必须外扩f l a s h 存储器。 而在d s p 系统外部存储电路设计时，要保证两点，即d s p 外部存储器接口与 各类存储器之间硬件信号的正确连接，以及d s p 外部存储器接口与各类存储器之 间时序的互相匹配。 首先，在硬件片选信号方面，我们存储器选通信号m s t r b ，以及d s p 的地 址线a 2 0 通过与非门来得到外扩r a m 和f l a s h 的片选信号：c s r a m 和c s r o m 。 利用d s p 的异步存储器读写控制信号r w 来控制数据的读写，其连接逻辑如下 图： 嚣萋錾噩 图2 7 扩展存储器访问逻辑 f i g u r e2 7a c c e s s i n gl o g i co f e x t e r n a lm e m o r y 其次，在存储器访问实现方面，本系统中外扩r a m 选用i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 芯片， 大小为2 5 6 k ，读写周期为1 2 n s “”，可以在d s p 全速工作的条件下正常读写数据 而无需插入总线延迟周期，这样可以很好的满足算法的快速实现。外扩f l a s h 选 用a m 2 9 l v 4 0 0 b 芯片，当选用1 6 位宽时容量为2 5 6 k ，其读写周期为7 0 n s ”，相 对于d s p 是低速器件，这时需要通过设置d s p 的软件等待状态寄存器，在访问 f l a s h 时插入多个等待周期。 如图2 7 所示，由于利用d s p 的a 2 0 地址线产生外扩存储器的选题信号，并 1 2 重庆大学硕士学位论文2 嵌入式指纹自动识别系统总体设计 且外扩的r a m 和f l a s h 都是2 5 6 k ，都是1 8 条数据线。而对于d s p 来说，外扩 程序寄存器的地址在o v l y = l 时只能是片外程序区的高位地址，即d s p 的a 1 5 应 该始终为高。于是我们在用d s p 的低1 8 位地址线( a 0 a 1 7 ) 接到外扩存储器的 地址脚时，采用a 1 8 代替a 1 5 ，完成后r a m 对应d s p 程序区地址如下表所示： 表2 1 外扩r a m 同d s p 程序区地址映射表 外扩r a m 片上地址d s p 程序区地址 0 0 0 0 0 0 7 f f f1 0 8 0 0 0 1 0 f f f f 1 0 0 0 0 1 7 f f f1 1 8 0 0 0 l l f f f f 2 0 0 0 0 2 7 f f f1 2 8 0 0 0 1 2 f f f f 3 0 0 0 0 3 7 f f f1 3 8 0 0 0 1 3 f f f f 0 8 0 0 0 0 f f f f1 4 8 0 0 0 1 4 f f f f 1 8 0 0 0 l f f f f1 5 8 0 0 0 1 5 f f f f 2 8 0 0 0 2 f f f f1 6 8 0 0 0 1 6 f f f f 3 8 0 0 0 3 f f f f1 7 8 0 0 0 1 7 f f f f f l a s h 对应d s p 程序区地址如下表： 1 1 1 e m o r v 表2 2 外扩f l a s h 同d s p 程序区地址映射表 t a b l e2 1t h ea d d r e s sm a p p i n gt a b l eb 咖e e ne x t e r n a lf l a s ha n dd s pp r o g r a mm e m o r y 外扩f l a s h 片上地址d s p 程序区地址 0 0 0 0 0 0 7 f f f0 8 0 0 0 0 f f f f 1 0 0 0 0 1 7 f f f1 8 0 0 0 l f f f f 2 0 0 0 0 2 7 f f f2 8 0 0 0 2 f f f f 3 0 0 0 0 3 7 f f f3 8 0 0 0 3 f f f f 0 8 0 0 0 0 f f f f4 8 0 0 0 4 f f f f 1 8 0 0 0 l f f f f5 8 0 0 0 5 f f f f 2 8 0 0 0 2 f f f f6 8 0 0 0 6 f f f f 3 8 0 0 0 3 f f f f 7 8 0 0 0 7 f f f f 2 5 控制模块与算法模块的通信 控制模块与算法模块的通信，实质上就是两模块控制器之间的通信，即d s p 重庆大学硕士学位论文2 嵌入式指纹自动识别系统总体设计 与单片机之间的通信。 v c 5 4 1 6d s p 芯片中的主机接口( h p i ) 是为了满足d s p 与其他微处理器接口 而专门设计的。用来实现d s p 与主设备或主处理器的连接。信息在d s p 和主机间 通过d s p 存储器进行交换，主机和d s p 均可以访问存储器。主机是h p i 的主控者， h p i 作为一个外设与主机相连，使主机的访问操作很容易川。所以我们选用d s p 的h p i 接口为桥梁建立控制模块与算法模块的通信信道。 h p i 接口分为h p i 8 和h p i 一1 6 两种工作模式，分别针对具有8 位和1 6 位数据 线的微处理器。每一种又分为标准型和增强型，二者的区别在于标准型只可以访 问固定的地址空间，而增强型可以访问整个d s p 的片内存储空间”。为便于与8 位单片机的连接，本文采用增强型h p i 培工作模式。 如2 3 中所述，由于d s p 的i 0 电平为3 3 v ，而单片机为5 v 电平，我们采用 一片7 4 a l v c l 6 2 4 5 来进行电平转换，实现的基于h p i 接口的通信接口如下图所示： 5 vv -v c c b 。4 2 0 e 1 0 e l2 d i r v e c a- 1 3 3 v p 2 0 l d i r p o0 l b ll a l h d 0 p o 1 l b 21 a 2 p 0 2 1 8 3l a 3 h d 2 p 0 3 i b 41 a 4 h d 3 p o 4 1 8 5l a 5 h d 4 p o 5 l b 6l a 6 d 5 p o 6 l b 7l 7 h d 6 p o 7 l b 8i a 8 h d 7 p 2 ，7 2 8 12 a l i c n t l 0 p 2 6 2 8 22 2 l c n t l l p 2 5 2 8 32 a 3 i i b i l p 2 4 2 8 4 2 a 4 h r w p 2 3 2 8 52 a 5 p 22 2 8 62 a 6 i n t l p 2 1 2 8 72 7 i i o s l p 3 3 i o z q o p 3 4l i n t h r d y 图2 8 通信接口电路图 f i g u r e2 8c i r c u i td i a g r a mo f c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 对于h p i 接口，其数据传输分为两部分：外部传输和