（电子科学与技术专业论文）指纹采集系统的设计及其预处理算法研究.pdf

a b s t r a c t w i t hr a p i de c o n o m yd e v e l o p m e n t ，s e c u r ea n dr e l i a b l ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e sa r e n e e d e di nm o r ea n dm o r ef i e l d s ，s u c ha sa u t o m o t i v e ，b a n k sa n df i n a n c i a ld e p a r t m e n t s ， a n dd o o rl o c ks y s t e m f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ni sa ne f f e c t i v ei d e n t i f i c a t i o n ar e s e a r c h o nt h ef a s t - o p e r a t i n g ，p o r t a b l e ，e c o n o m i cf i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m i sv e r yu s e f u l ，d u et oi t sp r a c t i c a lv a l u e t h ea d v a n t a g eo ff p g n sp a r a l l e lc o m p u t i n ga n db e i n ge a s i l yi n t e g r a t e dt ot h e o t h e rs y s t e m sc a ng i v eaf i r ms u p p o r tt of i n g e r p r i n tu s a g e b a s e do nt h ex i l i n xf p g a ，a f i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d f i r s t l y , t h ef i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o nt e c h n i q u e a n dx i l i n xf p g ad e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ta r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h e n ，t h es y s t e m d e s i g na r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e d t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p a lo ft h ef i n g e r p r i n t s e n s o rm b f 2 0 0a r ed i s c u s s e d u t i l i z i n gt h es p ii n t e r f a c ep r o v i d e db ym b f 2 0 0 ，a f i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o nb o a r di sd e s i g n e d ，f a b r i c a t e da n dd e b u g g e d t h ef u n c t i o n a l b l o c k sa r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e di nf p g a d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t l a s t l y , d a t ai s t r a n s f e r r e dt op cb yr s - 2 3 2 b yu s i n gm a t l a bp r o c e s s i n g ，b e t t e rf i n g e r p r i n ti m a m sa r e g o t i nt h ep a p e rt h ef i n g e r p r i n tp r e p r o c e s s i n ga l g o r i t h mi sa l s or e s e a r c h e d i no r d e rt o g e th i g hd e f i n i t i o n ，t h ep r e p r o c e s s ，s u c ha sf i n g e r p r i n ti m a g ed i v i s i o na n de n h a n c e m e n t ， b i n a r y z a t i o n ，a n dt h i n n i n gi sa p p l i e d f o rt h em o s ti m p o r t a n tp a r to fp r e p r o c e s s f i n g e r p r i n ti m a g ee n h a n c e m e n t ，d i r e c t i o n a lf i l t e r i n ga l g o r i t h mi sa d o p t e db yu t i l i z i n g t h es e l f - c h a r a c t e r i s t i c s d i r e c t i o n a ld i a g r a mc a l c u l a t i o na n dd i r e c t i o n a lf i l t e rd e s i g n m e t h o da r eg i v e ni nt h ep a p e r a l g o r i t h ms i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tu s i n gm a t l a b t h e r e s u l ts h o w st h ea l g o r i t h mc a ng e tt h ee x p e c t e df u n c t i o n t h es y s t e mt e s tr e s u l ts h o w st h a th a r d w a r es y s t e mi s o p e r a t i n gw e l la n dg o o d f i n g e r p r i n ti m a g ec a nb ec o l l e c t e d a f t e rt h ep r e p r o c e s st h ei m a g eb e c o m e sb e t t e r t h e s p e c i f i c a t i o n sa r em e ti nm a j o r i tm a d eaf i r mb a s i sf o rt h ef u t u r es t u d yo ff i n g e r p r i n t c h a r a c t e r i s t i c sc o l l e c t i n ga n di d e n t i f i c a t i o na c c u r a c yi m p r o v i n g k e yw o r d s ：f i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o n ：f p g a ：m b f 2 0 0 ：p r e p r o c e s s i n gi m a g e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 竺指筮墨塞丕筮的遮进丛墓亟丝堡篡选班究：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：熬翼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密眇( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：煺 导师签名：铂体锦 日期：砂吻年7 月日 指纹采集系统的设计及其预处理算法研究 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 近年来，随着经济的发展和互联网的兴起，随着电子商务和网络通信的深入 发展，安全问题变得同益突出起来，计算机、a t m 、门禁控制及各种智能卡等对 个人身份识别技术要求越来越高。传统的“用户i d + 密码”的认证方式面临着密码 被遗忘、被别人窃取和被黑客攻击等问题；而信息系统领域以外，传统的一些需 要身份验证的场合也存在类似的安全问题，如持伪造护照出入国境，利用伪造证 件进入考场内替考等。 随着图像处理和模式识别技术的进步，人们逐渐把目光转向了生物特征识别 技术。生物识别技术是利用人体生物特征进行身份验证的一种技术。生物特征是 唯一的、可自动识别和验证的生理特征或行为方式，分为生理特征和行为特征。 人体的生理特征与生俱来，主要包括指纹、声音、面孔、虹膜、掌纹和d n a 等【1 1 。 人体的行为特征是后天形成的，主要包括足态、笔记等。与传统的身份鉴别手段 相比，基于生物特征的身份鉴别技术具有不易遗忘或丢失、不易伪造或被盗，可 随身携带等优点。而基于指纹特征的识别技术由于其独特的可靠性，稳定性，方 便快捷的特点，恰好符合市场的需求，成为目前研究与应用的一个热点f2 1 。指纹识 别是模式识别领域中使用最早的，也是较为成熟的生物识别技术，它是集生物技 术、传感器技术、数字图像处理、模式识别于一体的高新技术。在国外，已经有 许多指纹自动识别系统投入到了实际应用中，但目前指纹自动识别技术还不是十 分的完善，而我国在指纹图像采集、算法研究等方面的技术还较为落后，因此对 它的研究有着重要的理论价值和实际意义。 现有的指纹采集系统多是基于d s p 的嵌入式系统，与计算机之间传输数据速 率较低，有较好的处理性能却无良好的信息交流能力。伴随着科学技术的发展以 及计算机网络化的普及，指纹数据库正逐渐扩大，社会各个行业的指纹交流与查 询在不断增加，迫切需要计算机能对指纹进行处理及将指纹数据库上载到网上以 供查询。因此，将指纹采集到计算机内成为指纹识别的重要环节，指纹的采集效 第1 章绪论 果、采集速率都将直接影响到指纹识别的性能。本文主要的目标便是对于指纹采 集系统的设计。 1 2 本领域发展现状 1 2 1 逻辑控制芯片研究现状 在以往的指纹采集系统中，通常是采用单片机或d s p ( 数字信号处理器) 作为 c p u ，控制a d c ( 模数转换器) 、存储器和其他外围电路的工作。但是基于单片机 或d s p 设计的指纹采集系统都有一定的不足。单片机的时钟频率较低，各种功能 的设计都要靠软件的运行来实现，软件运行时间在整个采集时间中占了很大的比 例，效率较为低下，难以适应现代化社会的要求；d s p 的运算速度快，擅长处理 密集的乘加运算，但却又很难完成外围的复杂硬件逻辑控制。本论文中设计的指 纹采集系统是基于f p g a 的。在指纹数据采集方面，f p g a 有着较大的优势。f p g a 时钟频率高，内部时延小，全部控制逻辑均由硬件来完成，速度较快；最主要的 是可以利用e d a 工具进行设计、综合和验证，加快了设计过程，效率更高。 1 2 2 指纹获取方式研究现状 获取指纹的方式主要有四种1 3 】： 第一类是众所周知的早期指纹识别经常使用的墨水和纸的方法。即将手指浸 入墨水里，然后按在纸上，将三维指纹转换成二维指纹的印记，再通过照相机拍 摄下来准备处理。由于墨水会渗开使得全部或部分指纹图像模糊不清，这种方法 并不可靠。而且手指在纸上按上时每次力度不同引起的弹性变形也不同，所取得 的印记会有变化。 第二类方法是采用光学取像设备，包括扫描仪、光学c m o s 和c c d 。光学取 像设备依据指纹的生理特征及光的全反射特性( f t i r ) 来设计。将手指按在棱镜的斜 面上，并且稍微用力使之与棱镜表面紧密接触，这时手指上的自然分泌物就充当 了良好的光学粘接剂，与棱镜表面紧密接触的波峰部分破坏了全反射条件，而波 谷部分仍然是全反射，这样从反射光线中就可以得到较清晰的指纹图像，然后再 用摄像机进行实时采集。有时这种光学方法获取的图像的对比度和清晰度也不能 指纹采集系统的设计及其预处理算法研究 令人非常满意，绝大多数指纹图像在较好的细节上的灰度值都是连续的，这就使 得在以后的预处理中不适于用整体阈值基础上的二值化方法。光学取像设备的优 点是成像区域大、分辨率高、可靠性较好，缺点为当手指汗液多或干裂时成像质 量可能会变差。 第三类为晶体传感器，常见的晶体传感器为硅电容传感器1 4 1 。该传感器在其半 导体会属阵列上能结合大约1 0 0 0 0 0 个电容传感器，当手指放在半导体表面时，皮 肤组成了电容阵列的另一面。由于指纹的脊和谷相对半导体的距离不同而造成电 容值的不同，将其转化为电压记录下来就可以得到指纹的灰度图像。另外还有压 感式晶体传感器和温度感应传感器，它们分别根据指纹的脊和谷在传感器表面的 压力不同和温度不同而设计。晶体传感器具有敏感性好、分辨率高、封装尺寸小、 功耗低、可靠性好等特点，缺点足取像区域小、易损坏。 第四类是超声波扫描。超声波扫描得到的图像是指纹表面脊和谷的真实反映， 不受皮肤上的脏物和油脂的影响，成像效果非常好。超声波先扫描指纹的表面， 再由接受设备获取其反射信号，由于指纹表面脊和谷的声阻抗不同从而造成接收 到的超声波的能量不同，测量后即可得到指纹的灰度图像。这样的图像是实际指 纹凹凸表面的真实反映，应用起来更为方便。缺点是设备的价格非常昂贵。 经过仔细比较，我们拟采用硅电容传感器作为图像获取器件，主要考虑到硅 电容传感器的成本相对较低、功耗低、分辨率高、可靠性好、技术相对成熟等优 点。 1 3 论文研究内容及结构安排 本文主要从两个方面进行了研究和设计，内容包括：指纹采集技术和指纹图 像预处理技术。内容组织结构安排如下： 第1 章在绪论部分介绍了本课题的背景和意义，本领域发展现状等。 第2 章阐述了系统开发环境，包括开发工具f p g a ，硬件描述语言，开发平台 i s e 和开发板v i r t e x i ip r o 等。 第3 章介绍了指纹采集系统的设计，对系统整体设计框图，指纹芯片工作原 理和数据传输时序作了阐述，并设计了f p g a 的各个功能模块，对各模块进行了 第1 章绪论 仿真，完成指纹数据的采集。 第4 章介绍了指纹图像的预处理算法，包括图像的分割，增强，二值化及细 化等。 第5 章对本文工作的总结以及对下一步研究的展望。 指纹采集系统的设计及其预处理算法研究 第2 章系统开发环境 2 1 可编程逻辑设计技术简介 随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小 规模集成电路、超大规模集成电路( v t s l c ) 逐步发展到今天的专用集成电路 ( a s i c ) 。a s i c 的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，缩小了设计 的物理尺寸，推动了社会的数字化进程。但是a s i c 设计周期长，改版投资大，灵 活性差等缺陷制约着它的应用范围。硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法， 根据需要在实验室就能设计更改大规模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入使 用，这时提出了可编程逻辑器件的基本思想【5 】【6 j 。 2 1 1 可编程逻辑器件的分类及发展趋势 可编程逻辑器件从早期的可编程只读存储器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存储 器( e p r o m ) 和电可擦除只读存储器饵2 p r o m ) ，发展到能完成中大规模的数字逻辑 功能的可编程阵列逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑( g a l ) ，到今天己经发展成为可以完 成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 矛t l 现场可编 程逻辑器件( f p g a ) 。目前常见的主要有p a l g a l ，c p l d 和f p g a 三大类1 7 1 。 p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) 署1 g a u g e n e r i ca r r a yl d g i c ) 是早期可编程逻 辑器件的发展形式，其特点是大多基于e 2 c m o s 工艺，结构较为简单，可编程逻 辑单元多为与、或阵列，可编程单元密度较低，仅能适用于某些简单的数字逻辑 电路。 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 且p 复杂可编程逻辑器件，是在 p 札、g a l 的基础上发展起来的，一般也采用e 2 c m o s 工艺，也有少数厂商采用 f l a s h 工艺，其基本结构由可编程! o 单元、基本逻辑单元、布线和其他辅助功能 模块构成。c p l d 一般可以完成设计中较复杂、较高速度的逻辑功能，如接口转换、 总线控制等。 f v g a ( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) j 现场可编程逻辑阵列，是在c p l d 的 基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用s r a m 工艺，也有一 第2 章系统开发环境 些专用器件采用f l a s h 工艺或反熔丝t i f u s e ) i 艺等。f p g a 的集成度很高，其 器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻 辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。 新型的f p g a c p l d 规模越来越大，成本越来越低。高性价比使可编程逻辑器 在硬件设计领域扮演着日益重要的角色。低端的c p l d 已经逐步取代7 4 系列等传 统数字元件，高端的f p g a 也在不断地夺取a s i c 的市场份额。可编程逻辑器件将 朝着下面四个方向高速发展：最先进的a s i c 生产工艺将广泛的应用在以f p g a 为 代表的可编程逻辑器件中；越来越多的高端f p g a 产品将包含d s p 或c p u 等处理 器内核，从而f p g a 将由传统的硬件设计手段逐步过渡为系统级设计平台；f p g a 与传统a s i c 进一步融合，将包含功能越来越丰富的硬核( h a r di pc o r e ) ，并通过结 构化技术加快占领部分a s i c 市场；低成本f p g a 的密度越来越高，价格越来越合 理。可以预见f p g a 将逐步成为复杂数字电路设计的理想首选器件【8 1 。 2 1 2f p g a 的基本结构及设计流程 简化的f p g a 基本结构由可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入 式r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等组成l 9 1 。 基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变其内部 连接与配置，完成不同的逻辑功能；可编程输入输出单元简称i o 单元，它们是 芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配 需求；嵌入式块r a m ，目前大多数f p g a 都有内嵌的块r a m ( b l o c kr a m ) 。它一 般可灵活配置为单端e lr a m ( s p r a m ，s i n g l ep o r tr a m ) 、双端口r a m ( d p r a m ， d o u b l ep o r t sr a m ) 、伪双端r a m 、c a m ( c o n t e n ta d d r e s s a b l em e m o r y ) 、f i f o ( f i r s t i nf i r s to u t ) 等常用存储结构；丰富的布线资源，布线资源连通f p g a 内部所有单 元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。有全局性的 专用布线资源，用以完成器件内部的全局时钟和全局复位置位的布线；长线资源 用以完成器件b a n k ( 分区) 间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号( l o ws k e w ) 的布线；布线资源用以完成基本逻辑单元之间的逻辑互连与布线；底层嵌入式功 能单元，即通用性较高的嵌入式功能模块，如p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 、d l l ( d e l a y 指纹采集系统的设计及其预处理算法研究 l o c k e dl o o p ) 、d s p 、c p u 等；内嵌专用硬件核，如s e r d e s ( 并收发单元) 等。 完整的f p g a 设计流程分为电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、 实现、布局布线后仿真、配置下载与调试等主要步骤【1 0 1 。设计流程如图2 1 。 、m _ l p im r o 一一 j ； f 电鼯砭许b 辆入( hdl h 坠堕理翼、状念地一 儿 一，南能仿釜 青 是f 卜一 7 是 鼍需 丢 一、 综合优化 儿 7 宗合后仿并、 否 是中f d ：确? ，一 一 兰r 一一 2 2 1 硬件描述语言概况 硬件描述语言h d l 是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。使用这 种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层逐层描述自己的设计思想，用一 系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。然后，利用电子设计自动化( e d a ) 工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综 合工具转换到门级电路网表，再用专用集成电路a s i c 或现场可编程门阵列f p g a 第2 章系统开发环境 自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体电路布线结构。据统计，目前在 美国硅谷约有9 0 以上的a s i c 和f p g a 采用硬件描述语言进行设计1 1 1 1 。 硬件描述语言h d l 的发展至今已有2 0 多年的历史，并成功地应用于设计的 各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。到2 0 世纪8 0 年代，已出现了上百种硬 件描述语言，对设计自动化曾起到极大的促进和推动作用。但是，这些语言一般 各自面向特定的设计领域和层次，而且众多的语言使用户无所适从。因此，急需 一种面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言。2 0 世纪8 0 年代后期，v h d l 和v e r i l o gh d l 语言适应了这种趋势的要求，先后成为i e e e 标 准。随着系统级f p g a 以及系统芯片的出现，软硬件协调设计和系统设计变得越 来越重要。传统意义上的硬件设计越来越倾向于与系统设计和软件设计结合1 1 2 1 。 硬件描述语言为适应新的情况，迅速发展，出现了很多新的硬件描述语言，像 s y s t e mc 、s y s t e mv e r i l o g 等等。 2 2 2 几种硬件描述语言介绍 ( 1 ) v h d l 早在1 9 8 0 年，因为美国军事工业需要描述电子系统的方法，美国国防部丌始 进行v h d l 的开发。1 9 8 7 年，由i e e e 将v h d l 制定为标准。参考手册为i e e ev h d l 语言参考手册标准草案1 0 7 6 b 版，于1 9 8 7 年批准，称为i e e e1 0 7 6 1 9 8 7 。第二 个版本是在1 9 9 3 年制定的，称为v h d l - 9 3 ，增加了一些新的命令和属性。 ( 2 ) v e r i l o gh d l v e r i l o gh d l 是在1 9 8 3 年，由g d a ( g a t e w a yd e s i g na u t o m a t i o n ) 公司的p h i l m o o f b y 首创的。p h i lm o o r b y 后来成为了v e r i l o g x l 的主要设计者和c a d e n c e 公司 的第一合伙人。在1 9 8 4 1 9 8 5 年，p h i lm o o r b y 设计出了第一个名为v e r i l o g x l 的 仿真器；1 9 8 6 年，他对v e r i l o gh d l 的发展又作出了另一个巨大的贡献：提出了 用于快速门级仿真的x l 算法。 随着v e r i l o g x l 算法的成功，v e r i l o gh d l 语言得到迅速发展。1 9 8 9 年，c a d e n c e 公司收购了g d a 公司，v e r i l o gh d l 语言成为c a d e n c e 公司的私有财产。1 9 9 0 年， c a d e n c e 公司决定公开v e r i l o gh d l 语言，于是成立o v l ( o p e nv e r i l o gi n t e r n a t i o n a l ) 指纹采集系统的设计及其预处理算法研究 组织，负责促进v e r i l o gh d l 语言的发展。基于v e r i l o gh d l 的优越性，i e e e 于 1 9 9 5 年制定了v e r i l o gh d l 的i e e e 标准，即v e r i l o gh d l1 3 6 4 1 9 9 5 ；2 0 0 1 年发 布了v e r i l o gh d l1 3 6 4 - 2 0 0 1 标准。在这个标准中，加入了v e r i l o gh d l - a 标准， 使v e r i l o g 有了模拟设计描述的能力【1 3 1 。 ( 3 ) s y s t e mv e r i l o g s y s t e mv e r i l o g 是i e e e 最近推出的硬件描述和验证语言，它是在原v e r i l o g 基 础上扩展的新语言。这种新语言将设计和验证所需的语言组合成同一种语言。而 且s y s t e mv e r i l o g 还是v e r i l o g - 2 0 0 1 的超集。因此，目前的v e r i l o g 用户使用s y s t e m v e r i l o g 不存在任何问题。s y s t e mv e r i l o g 一问世就拥有大量承诺支持它的供应商， 这一切都预示着s y s t e mv e r i l o g 会有良好的市场前景。 s y s t e mv e r i l o g 由o v i 和v i ( v h d li n t e r n a t i o a n l ) 两个国际标准化组织合作成立 的a c c e l l e r a 集团推出，主要用于数字系统芯片的设计和验证流程。由于s y s t e m v e f i l o g 具有与高级编程语言( 如c 语言) 直接连接调试的强大功能，为系统级软硬 件协同设计验证提供了极大的方便，因此对包括软硬件在内的现代复杂s o c 设计 有非常深远的意义【1 4 1 。 2 3 系统开发平台is e 2 3 1is e 介绍 x i l i n x 作为当今世界上最大的f p g a c p l d 生产商之一，长期以来一直推动着 f p g p l d 技术的发展，其开发软件也不断升级换代。使用x i l i n x 的f p g a 时， i s e 是必备的设计工具。i s e 可以完成f p g a 开发的全部流程，包括设计输入、仿 真、综合、布局布线、生成b i t 文件、配置以及在线调试等，功能非常强大。对 于大多数设计者来说，使用i s e 就可以完成设计任务，取得满意的效果。它具有 以下特点： ( 1 ) 它是一个集成的开发环境，集成了大量实用工具，包括h d l 编辑器( h d l e d i t o r ) 、i p 核生成器( c o r eg e n e r a t o rs y s t e m ) 、约束编辑器( c o n s t r a i n t se d i t o r ) 、静 态时序分析工具( s t a t i ct i m i n ga n a l y z e r ) 、布局规划工具( f l o o rp l a n n e r ) 、f p g a 编辑 工具( f p g ae d i t o r ) j f l l 功耗分析工具( x p o w e r ) 等，根据设计流程合理应用这些工具， 第2 章系统开发环境 可以帮助设计人员完成设计任务，或者提高工作效率使设计工作变得简单方便【1 5 】。 ( 2 ) i s e 有丰富的本地帮助和在线帮助信息，通过这些帮助，设计过程中可能 遇到的问题一般都能得到很好的解决。 ( 3 ) 强大的辅助设计功能。i s e 秉承了x i l i n x 设计软件的强大辅助功能，在编 写代码时可以使用编写向导生成文件头和模块框架，也可使用语言模块帮助编写 代码。在图形输入时可以使用e c s 的辅助项，帮助设计原理图f 1 6 】。 2 3 2xi fi f i xls e8 2 ； x i l i n x 推出的i s e 8 2 i 版本，提供了业界最完整的可编程逻辑设计解决方案， 用于实现最优性能、功率管理、降低成本。x i l i n xi s e8 2 也具备了一些新特性： ( 1 ) 支持v i r t e x 4 系列器件业界第一个多平台f p g a 。 ( 2 ) 与竞争产品相比，x i l i n xf m a x 技术的平均性能快出1 0 3 7 ，最高性能 快出7 0 。 ( 3 ) 可支持多处理器工作站，通过在设计流程中采用超线程技术，节省项目时 间并充分使用工作站设备。 这些新特性旨在进一步加强x i l i n x 面向高性能系统设计的解决方案，包括具 有嵌入式处理、数字信号处理( d s p ) 和高级连接性协议等功能的设计【1 7 1 。 i s e 8 2 i 支持所有x i l i n x 尖端产品系列，其中包括v i r t e x i ip r o 系列f p g a 、 s p a r t a n 一3 系列f p g a 和c o o l r u n n e r - i ic p l d 。x i l i n x 开发的综合工具( x s a 3 提供 了对v e r i l o g 和v h d l 设计语言的支持，可快速实现和配置，针对某个器件，从设 计入门和综合到专门物理资源的过程中优化逻辑创建，并支持m e n t o rg r a p h i c s 提 供的多种h d l 仿真工具，成为f p g a 设计者的首选【1 8 l 。 2 4vir t e x - i ip r of p g a 2 4 1v ir t e x i i f p g a 简介 本论文设计都是基于x i l i n x 公司v i r t e x i ip r o 系列f p g a 平台，v i r t e x i ip r o 系列f p g a 是x i l i n x 公司2 0 0 2 2 0 0 3 年v i r t e x i i 系列产品之后推出的新型高端 f p g a ，它采用0 1 3 p m 工艺生产，内核电压为1 5 v ，支持多种接口标准，并集成 指纹采集系统的设计及其预处理算法研究 了嵌入式p o w e r p c m t 处理器和串行收发器，内部时钟频率可达4 2 0 m h z 。 该系列产品与x i l i n x 公司以前推出的f p g a 产品相比较，内部结构作了较大 改进，主要包括【1 9 】： ( 1 ) 内部c l b 模块含有4 个s l i c e ，提高了产品的逻辑容量和资源利用率； ( 2 ) 内嵌专用乘法电路，提高了产品进行数字信号处理的能力和速度； ( 3 ) 内嵌多达1 0 m 的b l o c k r a m 和1 7 m 的d i s t r i b u t er a m ，适应当前设计对 大容量片内存储的需求； ( 4 ) 先进的数字时钟管理器提供灵活的时钟解决方案； ( 5 ) 支持高达1 7 0 4 个用户i o 、支持2 2 个单端标准和1 0 个差分标准； ( 6 ) 更加丰富的布线资源保证逻辑资源的更大利用率； 2 4 2x u pv ir t e x l lp r o 开发系统 本论文f p g a 采用的型号为v i r t e x i ip r ox c 2 v p 3 0f p g a ，它可以用在x u p v i r t e x i ip r o 开发系统上。x c 2 v p 3 0 器件特性如表2 1 所示： 表2 1x c 2 v p 3 0 的器件特性 t a b 2 1x c 2 v p 3 0d e v i c ef e a t u r e s 特征x c 2 v p 3 0 切片数1 3 9 6 9 阵列尺寸8 0 4 6 分布的ra m 大小4 2 8 k b 乘法器块数1 3 6 ram 块大小 2 4 4 8 k b d c m ( 时钟管理模块) 数 8 p o w e r p cr i s c 内核数 2 多吉比特收发器数8 图2 2 显示了x u pv i r t e x i ip r o 开发系统的方框刚2 0 】。 第2 章系统开发环境 i i 而； “ 电洚 连接替 x s g a 梗 颠口 连接器 i o l l o o 以太周 a c 9 7 编 群码罂 v i a e x i ip m 。 f p g a r s 2 ， - n p n l 3 m u m o _ 2 g b n r m m - 一* l j n * de 俐22 x l l p v i r t e x i ip r o 开发系统 f i g2 2 x u p v i r t e x 1 1p r od e v e l o p m e n ts y “e mb i o c kd i a g r a m 高电靠电湃 嘲23 x u p v i a e x i ip r o 开发系统扳平面图 f i g2 3 x u p v i r t e x - i ip r o d e v e l o p 腓n ts y s t e m b o a r dp h o t o 1 1 8 8 2 墙口 冈存卡 接口 p s 2 口 i i s 一2 3 2 由口 指纹采集系统的设计及其预处理算法研究 x u pv i r t e x i ip r o 开发系统提供了一个高性能的硬件开发平台，这个硬件平台 的外围由各种各样的外围器件组成，这些外围器件集成电路能够开发出复杂的系 统并且能够完全显示出x u pv i r t e x i ip r o 平台上f p g a 的能力。图2 3 为x u p v i r t e x i ip r o 开发系统板面图。 下面介绍x u pv i r t e x i ip r o 开发系统的主要元器件及其功能1 2 0 】： ( 1 ) 电源和f p g a 配置 x u p v i r t e x i ip r o 是由一个5 伏可调的电源供电。在板上开关电源供应可以为 f p g a 和外围器件供应3 3 伏、2 5 伏、1 5 伏电压，m g t s ( 多吉比特收发器) 由线 性调节器提供电源。 这个板上有为当前规模f p g a 所用的所有的数字式电源，如果所要求的电压 超出了板上转换电压的范围，另外还可以利用外部电源。 x u pv i r t e x i ip r o 开发系统为v i r t e x i ip r of p g a 提供了好几种配置方法。配 置数据由内部p l a t f o r mf l a s hp r o m ( 两种潜在的配置) 、内部c o m p a c tf l a s h ( 八种 潜在的配置) 提供，外部配置由内嵌的p l a t f o r mc a b l eu s b 或并行接口提供。 ( 2 ) 系统r a m x u p v i r t e x i ip r o 开发系统提供了一个存储器模块的安装，这个模块是用户自 己提供的j e d e c 标准的1 8 4 引脚的双列直插式双倍速率同步动态随机存储器 ( d i m md d rs d r a m ) 。这个系统支持6 4 位或7 2 位结构的2 g b 或2 g b 以下的存 储能力。如果系统要求差错检验和校正，那么就必须选择7 2 位结构。 ( 3 ) 系统a c e 控制器 这个系统高级配置环境控制器用来管理f p g a 配置数据。这个控制器在f p g a 目标链和各种各样提供的配置来源之间提供了一个智能界面。这个控制器有好几 个接口：c o m p a c tf l a s h 接口，j t a g 配置口，微处理器( m p u ) 接口，j t a g 测试口， x u pv i r t e x i ip r o 开发系统提供了一个简单的a c e 控制器。j t a g 配置口连接到 f p g a 和前端扩展连接器上，j t a g 测试口连接到j t a g 端口和u s b 2 接口的c p l d ， m p u 接口直接连接f p g a 。 ( 4 ) 各种串口 第2 章系统开发环境 x u pv i r t e x i ip r o 开发系统提供了三个串口：一个r s 2 3 2 接口，两个p s 2 口， 当用r s 2 3 2 接口配置数据时，它就相当于一个使用d b 9 标准的串行连接器并且 带有硬件握手连接线的数据连接设备( d c e ) 。它的一个典型应用就是用一个9 引脚 的缆线来连接主机和c o m 端口之间的通信。两个p s 2 口可以用于鼠标和键盘与 x u p v i r t e x i ip r o 丌发系统之间的通信。所有这些串口都配备有电平转换设备，x u p v i r t e x i ip r of p g a 不能直接连接r s 2 3 2 接口和p s 2 口所要求的电平。 ( 5 ) 供用户使用的信号灯、开关和按钮 共有四个信号灯是用户自定义的信号灯。当f p g a 驱动信号0 的时候，信号 灯点亮( 也就是 兑这些信号灯低电平亮) 。一个带有四个d i p 开关的模块和5 个按 钮是为用户输入用的。如果d i p 开关扳上，那么f p g a 能够检测的一个逻辑0 电 平，否则就检测到逻辑1 。 ( 6 ) 扩展连接器 x u pv i r t e x i ip r of o 共有8 0 个信号连接到四个为用户提供的带有6 0 个引脚 的连接头和两个带有4 0 个引脚的为用户自定义提供的直角连接器。这带有6 0 个 引脚的连接头是专门为连接带形电缆而设计的，为了更好的集成，把偶数信号都 设置为地信号。x u p v i r t e x i ip r oi o 的8 0 个信号中的一些也供固定于前端的直角 连接器使用。固定于前端的直角连接器支持d i g i l e n t 扩展模块。另外，还有一个用 来支持d i g i l e n t 高速扩展模块的高速连接器。这个连接器另外三个时钟提供4 0 个 单端或差分i 徊信号。 ( 7 ) u s b 2 编程端口 x u pv i r t e x i ip r o 开发系统有一个微控制器能够和高速或全速u s b 主口通信。 这个接口用来在边界扫描模式( i e e e l l 4 9 1 i e e e l 5 3 2 ) - f 编程和配置f p g a 。目标时 钟速率从7 5 0 k h z 到2 4 m h z 可选。u s b 2 0 微控制器通过o f f - t h e s h e l f 高速a bu s b 电缆和台式机或手提电脑相连。 2 5 本章小结 本章主要阐述了指纹采集系统的开发环境，包括开发工具f p g a ，硬件描述语 言，开发平台i s e 和开发板v i r t e x i ip r o 等。 指纹采集系统的设计及其预处理算法研究 第3 章指纹采集系统设计 3 1 系统整体框图设计 在本论文中，系统主要由以下几部分组成： ( 1 ) 指纹采集器。本文采用固态指纹传感器m b f 2 0 0 作为指纹采集器，负责检 测采集指纹，m b f 2 0 0 中集成了8 位的a d 转换器，可直接转换成指纹数据。 ( 2 ) f p g a 。由它控制指纹采集器的s p i 接口，进行指纹的采集，然后将接收 到的指纹数据通过r s 2 3 2 接口输入p c 机中。它是系统的控制中心，起到“大脑” 的作用。本论文选用的是x i l i n x 公司的v i r t e x i ip r of p g a ，并在基于i s e 8 2 i 开发 平台上进行系统开发。 (