USB型指纹采集仪的设计与实现

1、收稿日期:2003-08-11.光电技术应用USB 型指纹采集仪的设计与实现佟雨兵,张其善(北京航空航天大学电子工程系,北京100083摘要:介绍了一种新型C MOS 指纹传感芯片FPS200的性能、结构及工作原理,实现了基于FPS200芯片的US B 型指纹采集仪的设计,并对设计中要注意的问题进行了具体说明。该采集仪具有自动检测指纹、上传图像快、结构简单和使用方便等特点。关键词:指纹自动识别系统;FPS200;US B 中图分类号:TP391.41文献标识码:A 文章编号:1001-5868(200401-0076-03Design and R ealization of USB Finge

2、rprint C apturing SetT ONG Y u 2bing ,ZH ANG Qi 2shan(Dept.of E lectronic E ngineering ,B eijing U niversity of Aeronautics and Astronautics ,B eijing 100083,CHN Abstract :Features of a new C MOS fingerprint sens or chip -FPS200is introduced as well as its structure and operation.The set based on FP

3、S200is used to capture fingerprint image and transmit the image with high speed.S ome special issues during the design are discussed in detail.The set can automatically detect fingerprint and can be used easily with its sam ple structure.K ey w ords :automatic fingerprint identification system ;FPS2

4、00;US B (universal serial bus 1引言基于人体指纹、面相、声音和虹膜等生物特征的身份识别是模式识别领域中的一个重要研究方向。当前研究和应用较多的是基于指纹的身份认证与识别。指纹图像的获取是指纹识别系统中的重要部分,其性能严重影响系统的处理效果。除了极少情况采用扫描指纹捺印采集图像外,大部分指纹图像的获取是利用指纹采集仪来实现的。目前,指纹采集仪主要有光学指纹采集仪、半导体型指纹采集仪和超声波型指纹采集仪。其中,超声波型指纹采集仪因价格原因应用较少;光学指纹采集仪体积较大,不易于嵌入,不具备指纹自动检测功能,在强光下采集图像效果差;半导体型指纹采集仪集成度高,易于嵌入

5、,已经逐步成为指纹采集的主流产品。李志敏等1曾介绍过采用FPS110芯片的指纹采集仪的设计,相比FPS110芯片而言,FPS200性价比更高,主要体现在以下几个方面:(1芯片封装未变,但厚度减少至1.4mm ;(2功耗更低并且不用单独供电;(3具备指纹自动检测功能;(4集成度更高,功能更强,支持多种接口,设计方法更简单,所设计的指纹采集仪上传图像的速度更快。本文将介绍FPS200芯片的性能、结构及工作原理,给出基于该芯片的US B 型指纹采集仪的设计和实现的方法,并对设计中要注意的问题进行了详细的说明。2FPS200的结构与性能2.1FPS200的结构FPS2002由美国Veridicom 公

6、司生产,是一种非光学C MOS 器件。与FPS110一样,FPS200也是基于电容器充放电原理,传感阵列与接触传感器的指纹之间形成电容阵列,电容阵列值描述了一幅指纹图像。FPS200每一列有2组采样保持电路。指纹采集按行实现,选定一行,对该行所有电容充电,用采样保持电路保存电压值;然后放电,用另一组采样保持电路保存剩余电压值。2组电压值之差进行数字67SEMICON DUCTOR OPTOE LECTR ONICS V ol.25N o.1Feb.2004化即可表示该行的指纹图像。FPS200的传感阵列为256×300,传感面积为1.28cm ×1.5cm ,分辨率为500

7、dpi ,操作电压为3.35V ,内部集成8位A/D ,结构框图如图1所示 。图1FPS200结构框图FPS200有19个功能寄存器(Function Register ,采用变址寻址方式进行访问。如图1所示,可以通过变址寄存器(Index Register 选择功能寄存器,通过读、写数据寄存器(Data Register 获取和改变寄存器的内容。FPS200有3种总线接口模式:US B 接口模式、微处理器接口模式,串行外设接口模式(SPI ;3种模式用到的引脚以及寄存器的设置不同,本文采用US B 接口模式。FPS200内部嵌有US B 控制器,该模式主要用到DP 、DM 、EXTI NT

8、、XT A L1和XT A L2几个引脚。但是,该模式必须注意VDD 和VDDA 端的电压要在3.33.6V 之间。2.2FPS200的性能特点与FPS110相比,FPS200主要有以下几个方面的性能特点:(1支持多接口模式。FPS200有3种接口模式,使芯片的应用设计更灵活。芯片集成US B 控制器,大大减少了US B 电路设计的工作量,同时US B 接口协议将支持更高的数据传输率(US B2.0下,数据最大传输速率为12Mb/s ;(2自动指纹检测功能(Automatic Finger Detection ,AFD 。FPS200可以自动检测手指是否放到传感器上,如果有,则进入工作状态;否

9、则,进入睡眠状态。这种设计不采用轮询检测指纹,提高了芯片工作的效率;(3FPS200内部包括一个新的二阶的A/D 转换器,功耗降低75%;(4FPS200传感单元间的距离变小,提高了传感阵列的机械强度。3采集仪设计与实现US B 型指纹采集仪的设计主要包括硬件设计和US B 软件嵌入的接口设计两部分。3.1硬件设计由于FPS200芯片内部集成了US B 控制电路,基于该芯片的联机型指纹采集仪硬件设计比FPS110简单。指纹采集仪的电路原理框图如下(部分引脚电路未标出 :图2指纹采集仪电路原理框图指纹采集仪的硬件设计过程中,要注意以下两个问题:(1FPS200工作电压问题。US B 型指纹采集仪

10、由PC 机US B 口供电,但是FPS200工作在3.33.6V ,接到PC 机US B 口之前需要进行电压的调节。本文采用MAX1625芯片实现这一功能,输入电压为4.55V ,芯片输出电压为3.3V ,图2中B 点的电压值为3.3V 。(2其他引脚的处理问题。FPS200芯片主要是通过MODE1和MODE0两个引脚来实现接口模式的选择。US B 接口模式下,微处理器接口模式和SPI 将予以屏蔽。此时,如图2所示,MODE 1:0=10b ,采用FPS200内部ROM ;其他部分引脚CS O 、CS1、MOSI 和MOS O 被屏蔽,引脚电路悬空;XT A L1与XT A L2之间接12MH

11、 z 晶体电路,FPS200内部的多频振荡器不工作。3.2软件嵌入的接口设计问题(1US B 驱动和部分寄存器的设置。FPS200芯片内嵌US B 控制器并已提供US B 的驱动程序。与US B 接口模式相对应,FPS200内部的寄存器需要进行相应的设置。CTR LA ,CTR LB ,CTR LC 为3个控制寄存器,CTR LC 主要用于控制P0和P1口的输出;在77半导体光电2004年第25卷第1期佟雨兵等:US B 型指纹采集仪的设计与实现US B 接口模式下,CTR LB 的第7和6位为MODE1、MODE0引脚的状态值;设置CTR LB 3为1,启动指纹自动检测功能;通过给CTR L

12、A 寄存器单元赋值,可以实现图像采集的初始化,读A/D 转换获得图像数据,CTR LA 的bit2、bit1和bit03个寄存器单元分别对应着3种图像采集方式即局域图像采集、全图采集和选择行采集,但是3个寄存器单元中有且必须只有1位为1;(2采集仪与AFIS 应用系统的接口设计。US B 型指纹采集仪软件接口设计流程如图3所示。采集仪由PC 机US B 口供电,通过判断指纹自动检测电路是否是发出中断信号来检测是否有手指放到采集仪上。采集仪初始化主要包括设备的I D 、采集图像的高度、宽度及灰度、传感芯片的工作模式及句柄,可以通过指令或命令函数实现初始化操作,如采集图像的高度、宽度及灰度可以通过

13、getSens orG eometry (handle ,&rows ,&cols ,&grays 实现。充放电电流以及充放电时间是影响FPS200灵敏性的两个参数,以下是对其进行调节的部分程序,n =setDischargeCurrent (handle ,40;if (n <0printf (”C ouldn t set discharge current.n ”;closeSens or (handle ;return (-10;n =setDischargeT ime (handle ,3;if (n <0printf (”C ouldn t set

14、 discharge time.n ”;closeSens or (handle ;return (-12;返回数值:-10和-12是程序运行的错误代码,在程序调试中,两个函数的参数可以随时调节。本采集仪在US B 接口模式下,采用G et Whole Image 获取图像的方式。因此,设置寄存器CTR LA 1=1,FPS200把暂存图像起始行列值的寄存器都置零,按行进行指纹采集并启动A/D 转换,直到完成第299行,第255列的像素转换。根据AFIS 系统的指纹图像质量判断程序确定是否需要重新采集指纹图像,到这一步,已经完成了软件接口的嵌入。此时,采集仪已经作为AFIS 系统的采集前端而嵌入到应用系统中了 。图3US B 型采集仪软件设计流程图4结束语目前,基于FPS200的US B 型指纹采集仪已经用于本实验室指纹识别数据库的建立和面向网络身份认证的指纹识别前端系统。该采集仪1s 内可以连续采集4幅单枚指纹图像,采集的指纹图像为256×300,256级灰度图。理论上,利用US B 传输指纹可以达到12Mb/s ,要比RS -232快很多;并且该指纹采集仪体积较小,也易于嵌入到其他设备中。参考文献:1李志敏.采用FPS1