（控制理论与控制工程专业论文）基于usb接口的指纹采集与识别系统的设计.pdf

南京理工大学硕士学位论文基于u s b 接口的指纹采集与识别系统的设计 摘要 生物识别技术代表了未来身份验证技术的发展方向，而指纹识别技术又是最可 靠、最有效的生物识别技术之一，跟传统的身份验证技术相比更为安全、可靠。基于 u s b 接口的指纹采集提出了一种更方便、更快捷的指纹采集方式。 本文简要地介绍了指纹识别技术、自动指纹识别系统及其应用。本文的重点是基 于u s b 接口的指纹采集系统的设计和自动指纹识别算法的研究。针对本课题所采用的 指纹传感器f p s 2 0 0 ，介绍了其u s b 接口电路的实现；接着着重介绍了f p s 2 0 0u s b 设 备的w d m 驱动程序的设计，以及指纹采集应用程序的实现；通过对采集的指纹图像进 行预处理，经过滤波、锐化、二值化和细化后，提取指纹特征，存入指纹特征数据库 或以此特征进行模板匹配。经过设计与研究，本系统实现了基于u s b 的指纹数据传输， 显示指纹图像，提取指纹特征，并对指纹匹配算法作了一定的研究，从流程上基本实 现了自动指纹识别系统的功能。 配 关键词：自动指纹识别系统，u s b ，w d m 驱动程序，预处理，指纹特征，模板匹 硕士论丈 a b s t r a c t b i o m e t r i c si st h e f u t u r e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no fi d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i cf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ni so n eo ft h em o s t r e l i a b l ea n de f f e c t i v eb i o m e t r i c st e c h n o l o g i e s c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a l i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，i ti ss a f e ra n dm o r er e l i a b l e f i n g e r p r i n t c a p t u r i n gb a s e do nu s bp u t sf o r w a r da m o r ec o n v e n i e n ta n df a s t e rf i n g e r p r i n t c a p t u r i n gw a y i nt h i sp a p e r ，a 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 ma n di t s a p p l i c a t i o na r eb r i e f l y i n t r o d u c e da n dt h ek e yp o i n t so ft h i sp a p e ra r e f i n g e r p r i n tc a p t u r i n gb a s e o nu s b a n dt 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 a l g o r i t h u lw i t ht h ef i n g e r p r i n ts e n s o rf p s 2 0 0 t h er e a l i z a t i o no ff i n g e r p r i n t c a p t u r i n gc i r c u i tb a s e do nu s bi si n t r o d u c e df i r s t , t h e nt h ed e s i g n a t i o no f 1 r d mu s bd e v i c ed r i v e ra n df i n g e r p r i n tc a p t u r i n ga p p l i c a t i o np r o g r a ma r ea l s o d o n e ；a tl a s t ，t h ec a p t u r e df i n g e r p r i n ti m a g ei sp r e p r o c e s s e d ，t h r o u g hb e i n g f i l t e r e d ，s h a r p e n e d ，b i n a r i m i z e da n dt h i n n e d ，t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e f i n g e r p r i n t a y ep i c k e du pa n dt e m p l a t em a t c h i n gi sc a r r i e do u t o v e r d e s i g n a t i o na n dr e s e a r c h ，f i n g e r p r i n td a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g hu s bw a s i m p l e m e n t e d ，t h ef i n g e r p r i n ti m a g ew a sd i s p l a y e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e f i n g e r p r i n tw a sp i c k e du p ，t h ef i n g e r p r i n tm a t c h i n ga l g o r i t h mw a ss t u d i e di n aw a y a n dt h ef u n c ti o no ft 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 i sb a s i c a l l yr e a l i z e d k e o r d s ：a 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 ，u s b ，w d md r i v e r ， i m a g eb e i n gp r e - p r o c e s s e d ，c h a r a c t e r i s t i c so ff i n g e r p r i n t ，t e m p l a t em a t c h i n g 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：二，口6 年7 月弓日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 孳查垦 埘年7 月7 日 南京理工大学硕士学位论文基于u s b 接口的指纹采集与识别系统的设计 l 绪论 i i 指纹识别技术概述1 1 乜1 n 町棚 在跨入二十一世纪之后，每一个生活在现代社会的人都会深刻体会到信息时代的 到来。现在电子、通讯和信息技术等现代科技的日新月异，为人类相互交流提供了更 为快捷和便利的手段，但同时也给社会和个人的信息安全带来了隐患。为了保护个人 隐私和集体或社会的信息安全，人们引入了一系列安全措施来进行身份验证，如何及 时、准确而又安全地进行身份验证，是一个炙手可热的研究难题。 一直以来，人类验证身份传统的方法就是验证其人是否持有有效的证明物件或信 物，如身份证、i c 卡或钥匙等。从本质上讲，这种验证方法都是验证此人是否持有 某“物”，而不是真正意义上的验证其本人只要“物”的有效性得到确认，随之持 有该。物”的人的身份也得到确认显然，这种以物证人的方法是存有明显纰漏的， 人们并为此付出了惨痛的代价首先，合法的人如果遗失了验证身份的“物”( 如身 份证、i c 卡等) ，则合法人本身的身份得不到有效地认证；另外，有些不法分子有机 可乘，他们利用各种伪造证件、信物以及盗用或破解密码的手段来获得合法的身份验 证。因此，人们开始寻求一种直接认人而不认物的身份验证方法，这就是所谓的“人 体生物特征身份鉴别技术”。它是根据每个人自身具有的生物特征来鉴别个人身份的 为了确保准确性和安全性，我们就要求这些特征具有“人各有异”、“终生不变”和 “随身携带”的特点。迄今为止，现代科学技术发现同时具备以上三个特点的人体生 物特征有三个：它们分别是指纹、虹膜( 视网膜的毛细血管分布图) 和人体细胞的遗 传基因( d n a 结构 。其它还有一些生物特征，如掌纹、面容、声音、骨架、行为动 作等，虽尚能在一段时间内具有“人各有异”的特点，但不能同时兼备以上三个特点。 基于人体的生物特征，人们研究并发展起来了指纹识别、语音识别、脸型识别等 多种生物识别技术。目前技术已经趋于成熟并得到了广泛地应用，其中指纹识别技术 以其独特的优势特别受人青昧。相对于其它生物识别技术，指纹识别已经成为应用最 为广泛的识别技术。指纹识别是一个多方面的、多范畴的研究领域，它涵盖了半导体 技术、计算机技术、图像处理以及模式识别等多个研究方向。随着半导体技术、图像 处理、计算机科学等多学科的发展，目前人们已经把这几个方面的研究融合在一起， 形成了一个有机的整体，这就是自动指纹识别系统( a u t o m a t i cf 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 ，简称师i s ) 。目前自动指纹识别系统是国内外学术界研究 和商业界开发的热点 自动指纹别系统，包括了指纹采集与自动指纹识别两个方面。 。 指纹采集要依赖于指纹采集设备，目前国内外不少厂商都致力于高性能的指纹采 硕士论文 集设备的研究。随着半导体技术的突飞猛进，各种新样式、高性能的指纹传感器如雨 后春笋般地出现。目前形形色色的指纹采集设备有很多，如果要实时显示指纹并进行 识别，则首先要得到指纹数据，于是高速而又可靠的数据传输是首要解决的问题基 于u s b 总线的指纹采集设备，其配置和使用方便，而且传输速率高，全速达1 2 如s ， 高速更是达到4 8 0 m b s ，比传统的串口传输速率要高十多甚至几百倍，完全满足指纹 识别数据传输上实时性要求 自动指纹识别主要解决两个方面的问题，信息提取和特征匹配。信息提取就是利 用图像处理的方法对一幅指纹图像进行特征提取的过程，提取有用的特征信息进行存 储为以后的指纹辨识做好准备；特征匹配是指将现有的指纹图像与指纹特征库中指纹 模板作比对来决定是否来自同一个手指。指纹识别就是要在这些识别过程中寻找突破 口 自动指纹识别系统的性能在很大程度上取决于指纹识别算法的高效性和可靠性。 在不同的应用领域，不同的场合，对指纹识别系统的性能有不同的要求比如在用于 鉴定犯罪分子身份的场合，速度快并不是指纹识别系统的首要要求，但准确率、可靠 性商才是它的真芷目标，因此指纹识别算法就要求比较精确、复杂；而对于小型的门 禁或考勤系统，它要求的是实时性和方便性，因此就寻求指纹识别算法的方便与快速 性。所有的识别算法都是基于指纹图像的，因此所有的指纹识别算法都离不开指纹图 像处理，实质上指纹图像处理与识别就是数字图像处理的一个特殊应用。于是提出更 高效，更实用的数字图像处理算法是自动指纹识别的一个研究热点。 1 2 本文所研究的主要内容 本论文的主要工作就是研究并设计一个小型的自动指纹识别系统，整个识别系统 包括基于u s b 接口的指纹采集系统的设计与实现，上位机的指纹图像处理以及最终的 指纹识别，整个系统如图1 2 1 所示其中指纹采集设备采用了新式的电容式指纹传 感器，数据传输摒弃了传统的串行数据传输方式，采用u s b 数据传输。一方面，大大 提高了数据传输的速率，满足实时采集的目的；另一方面，采集系统即插即用，不需 要额外供电，满足便携式和嵌入式应用场合上位机的指纹识别软件实现了从指纹图 像显示、预处理、提取特征，以及指纹信息的管理，到最后的指纹识别 2 南京理工大学硕士学位论文基于u s b 接口的指纹采橐与识别系统的设计 慝霉鹭 ；：。，乙型生一。4 窿到霸 隧0 錾霉学镱 匿慝菡p 掣了， 图1 2 1 本文所研究的指纹识别系统 首先通过指纹采集电路采集指纹图像，通过u s b 接口方式，将数据传送到上位计 算机，显示指纹图像；然后对得到的指纹图像，进行图像预处理，经过滤波、锐化、 二值化、细化后，提取指纹特征，存储特征模板到数据库；如果是身份验证，则用同 样的方法采集图像，处理图像，提取指纹特征，然后与模板进行一一比对，从而完成 指纹识别。本文的主要内容包括： a ：基于u s b 接口的指纹采集电路的硬件设计 电容式指纹传感器f p s 2 0 0 介绍； f f s 2 0 0 在u s b 接口模式下的电路连接。 b ：f p s 2 0 0u s b 设备驱动程序的开发 w 晰u s b 驱动程序的设计； f p s 2 0 0u s b 设备驱动程序的具体实现； f p s 2 0 0u s b 设备的i n f 文件的编写。 c ：上位机指纹识别系统软件的设计 采集并显示指纹图像； 指纹图像处理； 指纹匹配； 指纹信息管理。 自动指纹识蹦硕士论文 2 自动指纹识别一 2 1 指纹识别技术的独特优势2 瑚 指纹识别技术是基于个人独特的身体特征指纹进行自动身份验证的一种方法，它 是随着信息技术的发展而产生和发展起来的一种新型的身份认证技术。 人的身体特征具有不可复制的特点，而且具有唯一性和稳定性。这是生物识别技 术的基础。在这些人体特征中，指纹相对于其他的人体特征具有下述特点： ( 1 ) 稳定性：指纹有很强的稳定性，并且终生不变，一个人在从年少到年老的 一生的时间里，其指纹特征始终是不变的。 ( 2 ) 独特性：指纹有明显的独特性，两个人的指纹不可能相同，即使是同一个 人其不同手指的指纹也明显不同。 ( 3 ) 普遍性：指纹人人都有，而且各不相同。 ( 4 ) 易采集性：指纹样本便于获取，指纹采集设备容易实现，指纹识别技术已 经比较成熟。 具有了这些优越的条件，人体指纹的检测与识别顺理成章成为当前生物识别技术 研究的热点。 2 2 自动指纹识别系统 自动指纹识别系统( a 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 ，简称a f i s ) 是利用指纹对用户身份进行自动鉴别认证的系统，它是一个整体上的概念，包括了指 纹采集软硬件的设计和自动指纹识别算法的研究与实现。它的发展和应用得益于现代 电子集成制造技术的发展和快速可靠的指纹识别算法的研究。 处理器运算速度的飞速提高提供了在p c 机甚至单片机上进行两枚指纹比对运算 的可能性。同时，随着现代电子集成制造技术的发展，可以制造出相当小且高性能的 指纹图像采集设备，加上匹配算法可靠性的不断提高，使得自动指纹识别技术已经非 常实用。 2 2 1 指纹采集设备 自动指纹识别技术的进步和指纹传感器技术的发展密切相关。如果说指纹识别算 法是指纹识别的“灵魂”，则指纹传感器就是指纹识别的“眼睛”，是充分发挥与完美 指纹识别算法各项性能的关键，其性能参数的好坏将直接影响到整个系统的性能指 纹采集设备按指纹传感器的工作原理的不同可分为：光电式、电容式、压敏式和超声 波式等多种。 4 南京理工大学硕士学位论文基于i j s b 接口的指纹采集与识别系统的设计 ( 1 ) 光电式指纹传感器：其工作原理是利用光源发出的一组光线，经过棱镜后 照射到待采集手指上，由于指纹的脊和谷对光线的反射不同，所形成的指纹纹路图像 被投射到了半导体光敏矩阵器件上，形成随图像明暗变化而改变的电信号，最后经过 a d 转换为数字图像信息。 ( 2 ) 半导体电容式指纹传感器：它是一种非视觉型的全新概念的指纹传感器， 由半导体晶片构成，在晶片表面，集成了约1 0 0 0 0 0 个电容传感器阵列，其表面是绝 缘的。当手指放在上面时，手指上导电性能良好的真皮层上的脊和谷相对晶片表面的 距离不同，与芯片之间产生不同的电容使电容传感器阵列中相应单元的电压值也不 同，继而使这些电信号转换成一个8 b i t 的灰度数字指纹图像。 ( 3 ) 热敏式指纹传感器：其采样原理是通过感应按在传感器上指纹的脊和谷的 温度不同来获得指纹图像。其依靠手指在指纹传感器表面滑动时，对应热敏传感器单 元上温度的不同变化来生成指纹图像的电信号其特点是体积小，成本极低，但输出 的图像经拼接后生成的指纹图像几何失真较大 ( 4 ) 压敏指纹传感器：其表面是具有弹性的压敏介质材料，它们根据指纹的外 表凹凸变化转化为相应的电信号，继而形成指纹图像。其主要特点是成本较低，但对 于皮肤娇嫩的手指，采集的图像不够清晰。 ( 5 ) 超声波指纹传感器：其取像原理是通过超声波扫描指纹的表面，接收其反 射信号，测量它的变化值，得到谷的深度和具体位置，进而获得指纹图像。其特点是 采集面积大，适应能力好，但是设备体积大，成本高以及使用寿命不稳定。 综上所述，各种指纹传感器都有其各自的优势，也有其缺点。表2 2 2 1 是几种 指纹传感器性能的比较。随着半导体技术的进步，9 0 年代中期开始出现的半导体电 容式指纹传感器，它的价格越来越低，体积也越来越小，而采集的图像质量也越来越 好，受到了广泛的应用。 表2 2 2 1 传感器蛙能比较 比较项光学全反射技术硅晶体电容传感器技术超声波扫描 体积 大小 由 耐用性非常耐用 较容易损坏一般 干手指，汗多和微脏的手指干手指成像差，汗多和微 成像能力 很好 成像模糊脏的手指成像模糊 耗电较多较少 较多 成本低低很高 2 2 2 指纹识别嘲 指纹识别是整个自动指纹识别系统的核心，它涉及图像处理、模式识别、数 自动指纹识剐 硬士论文 据库等多种技术。指纹识别是将输入的指纹图像和已采集的指纹图像数据库中的指纹 逐一比对，从中找出相匹配的指纹，从丽实现身份认证 ， 指纹识别通常由两个部分组成：离线部分和在线部分，如图2 2 2 1 所示离线 部分用于采集指纹图像，然后使用一定的算法提取细节特征并把这些特征存入数据 库；在线部分，用指纹采集设备获取指纹图像，然后用相同的算法提取细节特征，同 时从数据库中提取指纹特征与之比对判断是否是相同的手指，最终输出比对结果。 型罐窭虱赢翟蟹k 麓垂銎劂题氩曩 l 蕊教赫库 图2 2 2 1 指纹识别过程框图 指纹识别系统的灵魂是指纹识别算法，它通常包括图像预处理、特征提取和细节 匹配。 一 一 。 由于指纹采集环境的影响、采集设备自身、手指上的伤痕、皮肤状况等，采集的 指纹通常都含有很多噪声，这对于识别是很不利的因此指纹识别中一个很重要的步 骤就是要先对采集的指纹图像进行预处理，目的在于去除噪声，增强图像，以便特征 提取；特征提取就是提取图像具有代表性的，可以表征整幅图像的一些细节特征信息； 细节点提取通常采用f b i ( f e d e r a lb u r e a ui n v e s t i g a t i o n ，美国联邦调查局) 提出 的指纹细节点模型，即提取指纹的纹线端点和纹线分叉点：指纹匹配是指纹识别的核 心问题，也是指纹识别算法的关键。指纹匹配算法有很多，目前世界上有很多学者和 机构都致力于匹配算法的研究，常用的算法也是基于f b i 提出的细节点模型来傲匹配 的。 可以说指纹识别的效果很大程度上取决于以上处理算法的有效性。 2 3 自动指纹识别技术的应用“” 最早的指纹识另l j 是应用于鉴别罪犯的身份1 9 世纪初，科学研究发现指纹有两 个重要特征：不同手指的指纹脊线的式样不同：指纹脊线的式样终身不变这两个研 究成果使得指纹在罪犯身份鉴别中得到正式应用。随着计算机技术和图像处理技术的 发展，人们开始研究利用计算机来处理指纹图像。从此，自动指纹识别系统在法律实 施方面得到广泛应用。 指纹识别技术最为典型的应用就是取代传统的安防技术。这样用户就不再受遗忘 密码、密码被盗等问题困扰，安全性明显提高。指纹锁、指纹鼠标、指纹键盘之类的 产品就属此类应用。 指纹识别技术应用主要可分为三个部分：信息技术、支付借贷，门禁控制。目前 6 堕塞里三查兰堡主兰垒丝苎薹王! 罂堡呈竺塑竺墨墨量坚型墨笙箜垦盐一一 指纹识别技术主要典型运用如下： 金融j 保险、证券行业 金融保险箱管理 重要系统及部门职员授权管理。 指纹提款业务 信用卡指纹认证 证券交易身份确认 保险受益人身份确认 信息产业 计算机应用系统身份确认( 以指纹代替系统密码) 互联网电子交易系统身份确认 智能卡的密码替换( 以指纹代替密码) 重要通讯网设备管理员身份确认( 交换机、移动通信网) 安防业 指纹汽车锁 楼字指纹门锁 重要部门及设备管理 指纹门禁 指纹考勤系统 俱乐部会员身份确认 血库献血身份确认 随着指纹识另i j 产品的开发和生产，指纹识别技术已广泛彼人所接受，并逐步进入 到各行业中 ， 7 基于u s b 接口的指纹采集电路设计硕士论文 3 基于u s 8 接口的指纹采集电路设计 - - 3 i 指纹传感器f p s 2 0 0 简介嘲 对于自动指纹识别系统来说，指纹采集是前提，采集指纹就要有相应的指纹采集 设备。目前市场上可供选择的指纹采集设备有很多，在保证性能的前提下，减小功能 部件的体积以及功耗是一个重要的指标，另外为满足高速数据传输的要求，本文选用 了v e r i d i c o m 公司的f p s 2 0 0 指纹传感器作为采集器件。 f p s 2 0 0 是v e r i d i c o m 公司推出的第三代半导体指纹传感器，其实物如图3 1 1 所示它是一款专为嵌入式系统设计的高性能，低成本，低功耗的电容式固态指纹传 感器，是理想的接触式指纹采集设备。其主要特性有： 电容式固态设备 2 5 6 x 3 0 0 传感器阵列 2 8 c m i 5 0 c m 传感器区域 5 0 0 - - d p i 分辨率 工作电压3 3 v 5 v 超坚固的外壳保护层 集成8 位模数转换器 三种总线方式 8 位微处理器总线接口( m c u ) 集成u s b 全速接口( u s b ) 集成串行外设接口( s p i ) 标准嘣o s 技术 低于2 0 0 毫瓦的超低功耗 自动手指检测 其较小的塑料外壳封装以及超低的功耗， 便携式设备和手机等，其主要应用有： 图3 i if p s 2 0 0 指纹传感器 使它非常适用于各种i n t e r n e t 设备、 数据库、网络、工作站的安全访问 便携式指纹认证系统 电子商务、网上银行、网上证券、p o s 系统的交易安全 膝上电脑、p d a 等其他移动设备的安全登录 家庭、办公室、汽车的门锁或门禁控制系统 其内部结构如图3 1 2 所示： 南京理工大学硕士学位论文基于u s b 接口的指纹采集与识别系统的设计 3 1 1f p s 2 0 0 工作原理 图3 1 2f p $ 2 0 0 内部结构图 f p s 2 0 0 是接触式指纹采集设备，通过直接接触指纹纹面来获取指纹图像。其工 作原理如下：它有一个3 0 0 行、2 5 6 列的二维金属电极组成的传感器阵列。每一个电 极作为电容器的一个极板，而与传感器接触的手指表面作为电容器的另一极扳，传感 器表面的钝化层作为电容器两极之间的介质。指纹的脊和谷在电容阵列上产生不同的 电容量，结果导致产生不同的放电电压，通过对不同放电电压的读取来形成指纹图像 的数字量。具体工作过程如下：f p s 2 0 0 指纹传感器包含有3 0 0 行2 5 6 列的传感器阵 列，与每一列相联系的是两个采样保持电路。指纹图像采集每次采集一行，而每一次 行采集发生两个阶段。第一阶段，被采集的行的电容阵列被预先充电为v d d 电压，在 基于u s b 接口的指纹采集电路设计硕士论文 预充电阶段中，内部信号允许第一批采样保持电路保存该行的预充电电压；第二阶段， 被采集行的电容阵列放电，每个传感器单元的放电大小正比于放电电流( 设定的放电 电流) 。经过一定的时间后( 设定的放电时间) ，内部信号又允许第二批采样保持电路 保存放电后的极间电压。根据两次电极间的电压差，就可以测量出电容的大小，然后 对电容量进行a d 转换，就可以获得每一行指纹脊和谷形成的电容值。当所有行都被 采集完后，这些数字量就作为采集指纹图像的数字量。 3 1 2f p s 2 0 0 的接口配置 由于f p s 2 0 0 内部集成了微处理器单元接口( m c u ) 、串行外设接口( s p i ) 、u s b 接口，这样我们就可以方便地选择其不同的工作模式表3 1 2 1 为f p s 2 0 0 的各引 脚及其功能。 表3 1 2 1f p s 2 0 0 芯片引脚及其功能 管脚号名称功能管脚号名称功能 1v d n a l 模拟电源 2v s s a l 模拟地 3i s e t 设置参考电流 4a i n 模拟输入 5f s e t 设置内部振荡器频率 6 v s s a 2模拟地 7 v d a 2模拟电源 8t e s t 测试模式允许 9p o 输出端口0 1 0p i 输出端口i 1 1 - 1 4 d 7 ：4 数据线1 5v s s l 数字她 1 61 ，i ) d l 数字电源 1 7 - 2 0 i ) e 3 ：0 数据线 2 1 a 0 地址输入2 2r d _ 读允许，低电平有效 2 3町卜 写允许，低电平有效 2 4v s s 2 数字地 2 5v 叻2数字电源2 6 x t a l 2 内部振荡器输出 2 7x t l l 内部振荡器输入 2 8i n t r - 中断输出，低电平有效 2 9w a i t - 等待，低电平有效 3 0既i n t 外部中断输入 3 lc s i s c l k片选，s p i 主时钟输出3 2c s o - s c s 一片选，低电平有效 3 3强0 s i s p i 主输出从输入3 4 m i s o s p i 主输入从输出 3 5m o d e l 接口模式选择l 3 6砷0 d e 0 接口模式选择0 3 7i ) mu s bd +3 8d pu s bd - 3 9 v d d 3数字电源4 0v s s 3数字地 4 l 咱os h i e l d 保护地 在微处理器模式下，s p i 和u s b 工作模式无效，且需要一个外部控制器对f p s 2 0 0 南京理工大学硕士学位论文基于u s b 接口的指纹采集与识别系统的设计 进行控制操作，用到以下引脚：d 7 ：o 、a o 、r d - 、w r 一、c s o 一、c s i 、e x t i n t 、i n t r - 和w a i t - 其中d e 7 ：0 为内部数据总线，a o 作为地址线，将a 0 置低时选择索引寄存 器，将a 0 置高时则选择由索引寄存器所指向的功能寄存器，索引寄存器的值在被重 写或芯片复位之前，一直保持不变；c s o - 、c s i 为芯片片选信号，当c s o 一置低，c s i 置高时选中传感器芯片；r d - 、w r - 为读写控制信号，数据在w r - 的上升沿被锁存；i n t r 和w a i t 一为状态信号，当中断事件发生时，i n t r - 信号有效；如果a d 转换正在进行 时读取转换的结果，w a i t 一被置为低电平。另外要有独立的时钟源提供芯片工作，可 以选择芯片内部多谐振荡器或者外部x t a l l x t a l 2 时钟信号输入 在s p i 工作模式下，m c u 和u s b 工作模式无效，且f p s 2 0 0 只能作为s p i 从设备 使用，还需要s p i 主控制器。此时需要用到如下引脚：s c l r 、s c s 一、m o s i 、m i s o 和 e x t i n t 。s c l k 作为同步串行时钟输入，由主控制器提供；s c s 一为从器件的片选信号， 如s i 和m i s o 作为同步串行总线的输入输出。同样f p s 2 0 0 需要独立的时钟源提供芯 片工作，可以选择芯片内部多谐振荡器或者外部x t a l l x t a l 2 时钟信号输入。 在u s b 工作模式下，有两种使用模式，一种是使用内部r o m 作为u s b 接口配置存 储器，另一种就是使用外部r o m 作为u s b 接口配置存储器。 使用内部r o m 的u s b 接口模式，这种方式比较简单，不需要另外附加的任何外围 控制器件，只需要一个1 2 m h z 的外部晶振电路。在此模式下，只用到d p 、d m 、e x t i n t 、 x t a l l 和x t a l 2 引脚，内部的1 2 姗z 的多谐振荡器、微处理器总线以及s p i 接口都被 禁止。通过响应u s b 主控制器的u s bg e ? _ d e s c r i p t o r 命令来访问内部r o m 的设备描 述符来进行u s b 设备配置。 如果使用外部r o m 的u s b 接口模式，必须同时使用s p i 接口，并且此时芯片工作 在主控制器模式。此时用到d p 、d m 、s c l k 、s c s - 、m o s i 、m i s o 、e x t i n t 、x t a l l 和 x t a l 2 引脚。芯片内部r o m 被禁止，通过响应u s b 主控制器的u s bg e t _ d e s c r i p t o r 命令，用外部r 吼中的设备描述符来配置u s b 设备。 f p s 2 0 0 内置了高速的u s b 核电路，不需要外部的u s b 控制器；同时，可以选择 性地使用内部或外部r o m 来对u s b 设备进行配置。f p s 2 0 0 内部r o m 已经内置了一部 分固件程序，我们只要按照标准的命令请求就可以获得设备的一些信息，以及对设备 采集指纹流程的控制。在这里，为了便于设备的开发，我们选用了集成的内部r o m 。 因此在u s b 工作模式下，f p s 2 0 0 可以作为标准的u s b 设备使用，且是一个全速的u s b 设备，可支持1 2 m b s 的数据传输。 3 1 3 三种接口方式的比较 由节3 1 - 2 所知，f p s 2 0 0 指纹传感器有三种工作方式。由f p s 2 0 0 的独特结构， 在u s b 接口模式下，并不需要外围控制器件的参与，同时外围电路也大大减少，一方 l l 基于u s b 接口的指纹采集电路设计硕士论文 面减少了指纹采集设备的体积，另一方面也相应减少了系统的功耗。同时，u s b 设备 即插即用，配置使用方便，数据传输速率高。和其他工作方式相比，u s b 接口的工作 方式具有无与伦比的优势，这正是本系统采用u s b 接口模式的关键所在。表3 1 3 1 列出了f p s 2 0 0 在几种工作方式下各方面的比较。 表3 1 3 1f p s 2 0 0 几种接口方式的比较 工作方式外部控制器外围电路体积功耗采集速度数据传输率 u s b 不需要几乎没有 小低 1 3 帧秒 1 2 q b s 需要s p i 主串口传输最高 s p i一般般1 0 帧秒 控制器模块 l1 5 2 0 0 b s 需要控制单 串口传输 最高 h f c u一般一般3 0 帧秒 兀模块1 1 5 2 0 0 b s 3 2u s b 体系结构埘 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 即通用的串行总线，是近些年发展起来的一种新 的总线协议，是一种应用在计算机领域的新型接口技术，旨在取代p c 现有的各种外 围接i = l ，使外围设备( 简称外设) 的连接具有单一化、即插即用、热插拔等特点。它 的出现大大简化了p c 机和外设的连接过程，使p c 机接口的扩展变得更加容易。通常 构成一个u s b 系统需要三个方面：u s b 主机，u s b 设备和u s b 互联 u s b 的拓扑结构 u s b 将u s b 主机和u s b 设备连接在一起，采用分层的星形拓扑结构，如图3 2 1 所示。一个u s b 系统包含三类硬件设备：u s b 主机( u s bh o s t ) ，u s b 设备( u s bd e v i c e ) 和u s b 集线器( u s bh u b ) 。每段线路都是集线器在中间，两端是主机和设备之间的点 对点的连接 u s b 主机：任何一个u s b 系统必须要有一个主机，有且只有一个主机，它提供 以下功能：检测u s b 设备的连接与断开；管理主机与设备之间的控胄4 传送；管 理主机与设备之间的数据传送：收集状态及一些活动的统计信息；控制主机控 制器与u s b 设备的电气接口，包括提供有限的电源。 u s b 设备：在这里。u s b 设备指为u s b 主机提供额外功能的功能设备。功能设 备是能够在总线上发送或接收数据或控制信息的u s b 设备。典型的功能设备是 一个独立的外设，它通过电缆插入集线器的某个端口 u s b 集线器：u s b 集线器用于设备的扩展连接，是u s b 主机和设备的硬件接口， 所有的u s b 设备都连接在u s b 集线器的端口上。 南京理工大学硕士学位论文 基于u s b 接口的指纹采集与识别系统的设计 图3 2 1u s b 物理拓扑结构 u s b 的层间结构 u s b 主机与u s b 设备通过u s b 总线的连接，从终端用户的角度来看，就是物理 上将u s b 主机与设备连接在一起，可简单地用图3 2 2 表示。 图3 2 2 简单的u s b 主机、设备连接 但以开发人员的观点，可以将整个系统分为几个不同的层次，如图3 2 3 所示 主机与设备的简单连接其实是层次与实体之间相互作用。主机的逻辑构成包括u s b 主机控制器，u s b 系统软件和客户软件；u s b 设备的逻辑构成包括u s b 总线接口， u s b 逻辑设备和功能设备。u s b 总线接口层提供了在主机和设备之间的物理连接和 逻辑连接；u s b 设备层对u s b 系统软件是可见的，系统软件对设备层完成一般的u s b 操作；功能层可以通过与之相配合的客户软件向主机提供一些额外的功能。u s b 设 备层和功能层的通信是逻辑上的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信由u s b 总线 接口层来完成。 基于u s b 接口的指纹采集电路设计硕士论文 主机互联 物理设备 实际的通信流逻辑通信流 图3 2 3t l s b 的层次结构 3 3f p s 2 0 0u s b 接口电路的实现 f p s 2 0 0 内部已经集成了高速的u s b 芯片，在u s b 接口的工作方式下，它就是一 个标准的u s b 设备基于f p s 2 0 0 的指纹采集电路，就是作为功能设备通过u s b 总线 与p c 机连接。 p c 机与u s b 设备通过u s b 电缆连接，它包括两条信号线( d + 、d - ) ，条+ 5 v 电 源线、b u s 以及一条接地线c , n d ，如图3 3 1 所示。 一v b 潞 ：d 十 弧 s v b u s 。 d 电穗 d 一。 g n n + 4 一一o i 一口 图3 3 1u s b 的电缆连接 其中p c 主机通过v b u s 给u s b 提供电源，通过d + 、d 携带交替方向的差分信号 与u s b 设备的两条信号线d + 、d _ 进行通信。对于本指纹采集系统，所有电源都由u s b 电缆中的v b u s 和g n d 提供。而f p s 2 0 0 在u s b 工作模式下，芯片的正常工作电压为 3 3 3 6 v ，于是需要将5 v 电源进行电压转换为3 3 v 。在这里我们选用了线性直流 电压转换芯片a l j s i l l 7 3 3 ，其电压转换模块如图3 。3 2 所示： 南京理工大学硕士学位论文 基于u s b 接口的指纹采集与识别系统的设计 图3 3 2 指纹采集电路电压转换模块 当u s b 设备连接到主机时，主机要对u s b 设备的传输速率进行识别，好与之进行 有效的数据通信。u s b 设备分为低速( 1 5 m b s ) 、全速( 1 2 妨s ) 和高速( 4 8 0 m b s ) 设 备。主机对于全速和低速设备的识别是通过电缆下行端的上拉电阻位置来区分的。全 速设备的d + 线上连有1 5 1 d l 的上拉电阻r 。接至3 o v 一3 6 v 的电压，如图3 3 3 ( a ) 所示；低速设备的d - 线上连有1 5 1 d l 的上拉电阻r 。接至3 o v 一3 6 v 的电压，如图 3 3 3 ( b ) 所示：对于高速设备的识别，仍然是采用全速设备的电路连接，只不过在上 拉电阻和d + 之间有一个软件控制的开关( 集成在u s b 设备接口芯片内部) 。当采用高 速传输，d + 线上不需要上拉电阻j 乙；当采用全速传输，则在d 十线上必须使用上拉电 阻 当然对于实际传输速率的大小还要由u s b 芯片的能力来决定。 ( a ) 全速u s b 设备电缆与电阻连接 ( b ) 低速u s b 设备电缆与电阻连接 图3 3 3 全速和低速u s b 设备的电缆与电阻连接 根据u s b 设备的连接特性，在u s b 工作模式下，f p s 2 0 0 的d p 、d m 引脚必须分别 1 5 基于u s b 接口的指纹采集电路设汁 硬士论文 与u s b 连接器的d + 、d 一引脚相连，由于它是一个全速的u s b 设备，所以d p 引脚必须 还要接一个1 5 k q 的上拉电阻作为设备的识别。其u s b 接口模式下的电路如图3 3 4 所示。 图3 3 4f p s 2 0 0u s b 接口模式电路原理图 图3 3 4 中d p 、d m 分别对应f p s 2 0 0 的两根数据线，用于u s b 数据传输；x t a l i 、 x t a l 2 接一个1 2 m h z 的外部晶振电路，作为f p s 2 0 0 芯片的工作时钟；i s e t 引脚接一 个4 7 0 9 i 的电阻用于设置内部参考电流，此电流决定了采集指纹图像时传感器内部的 放电电流：f s e t 引脚接一个电阻来设置内部多谐振荡器以及自动指纹检测频率，在 l o o q 的阻值下，可获得1 2 m h z ( 垃0 ) 的多谐振荡器频率以及1 2 0 k h z ( ：f 2 0 ) 的自动 指纹检测频率；p o ，p 1 是两个可编程的输出端口，分别接l e d 来指示f p s 2 0 0 的工作 状态。另外，该系统集成了f p s 2 0 0 的三种工作方式( 眦u 、s p i 以及用内部r o m 的u s b 模式) ，工作模式由m o d e l 、m o d e 0 引脚电平的组合方式决定，如表3 3 1 所示，分别 用跳线连接实现。 表3 3 1f p s 2 0 0 工作模式选择 m o d e i ：o 】模式选择 0 0 b 微处理器单元模式 0 1 b 串行外围接口模式 1 0 b u s b 接口模式，使用内部r o m 1 i bu s b 接口模式，使用外部r o m 南京理工大学硕士学位论文 基于u s b 接口的指纹采集与识别系统的设计 4f p s 2 0 0u s b 设备驱动程序设计 f p s 2 0 0 工作在u s b 接口模式时，它就是一个标准的u s b 设备。当指纹采集设备 与u s b 主机( p c 机) 相连的时候，为了让主机识别它，就需要相应的设备驱动程序。 u s b 设备驱动程序的主要任务就是完成u s b 设备的配置，以及设备与主机之间的数据 通信。目前，常用的u s b 设备驱动程序都是基于w d m 驱动程序的 4 1w d m 驱动程序 4 1 1w i ) m 驱动程序简介 w d m 。( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ，w i n d o w s 驱动程序模型) 是m i c r o s o f t 最新 推出的一种驱动程序模型，旨在实现在对新硬件支持的基础上，进一步降低所需驱动 程序的数量和复杂性，以简化驱动程序的开发。w d m 驱动程序是一种即插即用( p n p ， p l u ga n dp l a y ) 驱动程序，同时还支持操作系统用户的电源管理策略。 w d m 引入了设备对象的概念来描述一个设备，主要包含物理设备对象( p h y s i c a l d e v i c eo b j e c t ，p d o ) 、功能设备对象( f u n c t i o n a ld e v i c eo b j e c t ，f d o ) 和过滤设 备对象( f i l t e rd e v i c eo b j e c t ，f i d o ) 。其中，p d o 对应实际的物理设备，f d o 和 f i d