USB型指紋采集儀的設(shè)計與實現(xiàn)

1、收稿日期:2003-08-11.光電技術(shù)應(yīng)用USB 型指紋采集儀的設(shè)計與實現(xiàn)佟雨兵,張其善(北京航空航天大學電子工程系,北京100083摘要:介紹了一種新型C MOS 指紋傳感芯片F(xiàn)PS200的性能、結(jié)構(gòu)及工作原理,實現(xiàn)了基于FPS200芯片的US B 型指紋采集儀的設(shè)計,并對設(shè)計中要注意的問題進行了具體說明。該采集儀具有自動檢測指紋、上傳圖像快、結(jié)構(gòu)簡單和使用方便等特點。關(guān)鍵詞:指紋自動識別系統(tǒng);FPS200;US B 中圖分類號:TP391.41文獻標識碼:A 文章編號: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引言基于人體指紋、面相、聲音和虹膜等生物特征的身份識別是模式識別領(lǐng)域中的一個重要研究方向。當前研究和應(yīng)用較多的是基于指紋的身份認證與識別。指紋圖像的獲取是指紋識別系統(tǒng)中的重要部分,其性能嚴重影響系統(tǒng)的處理效果。除了極少情況采用掃描指紋捺印采集圖像外,大部分指紋圖像的獲取是利用指紋采集儀來實現(xiàn)的。目前,指紋采集儀主要有光學指紋采集儀、半導體型指紋采集儀和超聲波型指紋采集儀。其中,超聲波型指紋采集儀因價格原因應(yīng)用較少;光學指紋采集儀體積較大,不易于嵌入,不具備指紋自動檢測功能,在強光下采集圖像效果差;半導體型指紋采集儀集成度高,易于嵌入

5、,已經(jīng)逐步成為指紋采集的主流產(chǎn)品。李志敏等1曾介紹過采用FPS110芯片的指紋采集儀的設(shè)計,相比FPS110芯片而言,FPS200性價比更高,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1芯片封裝未變,但厚度減少至1.4mm ;(2功耗更低并且不用單獨供電;(3具備指紋自動檢測功能;(4集成度更高,功能更強,支持多種接口,設(shè)計方法更簡單,所設(shè)計的指紋采集儀上傳圖像的速度更快。本文將介紹FPS200芯片的性能、結(jié)構(gòu)及工作原理,給出基于該芯片的US B 型指紋采集儀的設(shè)計和實現(xiàn)的方法,并對設(shè)計中要注意的問題進行了詳細的說明。2FPS200的結(jié)構(gòu)與性能2.1FPS200的結(jié)構(gòu)FPS2002由美國Veridicom 公

6、司生產(chǎn),是一種非光學C MOS 器件。與FPS110一樣,FPS200也是基于電容器充放電原理,傳感陣列與接觸傳感器的指紋之間形成電容陣列,電容陣列值描述了一幅指紋圖像。FPS200每一列有2組采樣保持電路。指紋采集按行實現(xiàn),選定一行,對該行所有電容充電,用采樣保持電路保存電壓值;然后放電,用另一組采樣保持電路保存剩余電壓值。2組電壓值之差進行數(shù)字67SEMICON DUCTOR OPTOE LECTR ONICS V ol.25N o.1Feb.2004化即可表示該行的指紋圖像。FPS200的傳感陣列為256×300,傳感面積為1.28cm ×1.5cm ,分辨率為500

7、dpi ,操作電壓為3.35V ,內(nèi)部集成8位A/D ,結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示 。圖1FPS200結(jié)構(gòu)框圖FPS200有19個功能寄存器(Function Register ,采用變址尋址方式進行訪問。如圖1所示,可以通過變址寄存器(Index Register 選擇功能寄存器,通過讀、寫數(shù)據(jù)寄存器(Data Register 獲取和改變寄存器的內(nèi)容。FPS200有3種總線接口模式:US B 接口模式、微處理器接口模式,串行外設(shè)接口模式(SPI ;3種模式用到的引腳以及寄存器的設(shè)置不同,本文采用US B 接口模式。FPS200內(nèi)部嵌有US B 控制器,該模式主要用到DP 、DM 、EXTI NT

8、、XT A L1和XT A L2幾個引腳。但是,該模式必須注意VDD 和VDDA 端的電壓要在3.33.6V 之間。2.2FPS200的性能特點與FPS110相比,FPS200主要有以下幾個方面的性能特點:(1支持多接口模式。FPS200有3種接口模式,使芯片的應(yīng)用設(shè)計更靈活。芯片集成US B 控制器,大大減少了US B 電路設(shè)計的工作量,同時US B 接口協(xié)議將支持更高的數(shù)據(jù)傳輸率(US B2.0下,數(shù)據(jù)最大傳輸速率為12Mb/s ;(2自動指紋檢測功能(Automatic Finger Detection ,AFD 。FPS200可以自動檢測手指是否放到傳感器上,如果有,則進入工作狀態(tài);否

9、則,進入睡眠狀態(tài)。這種設(shè)計不采用輪詢檢測指紋,提高了芯片工作的效率;(3FPS200內(nèi)部包括一個新的二階的A/D 轉(zhuǎn)換器,功耗降低75%;(4FPS200傳感單元間的距離變小,提高了傳感陣列的機械強度。3采集儀設(shè)計與實現(xiàn)US B 型指紋采集儀的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和US B 軟件嵌入的接口設(shè)計兩部分。3.1硬件設(shè)計由于FPS200芯片內(nèi)部集成了US B 控制電路,基于該芯片的聯(lián)機型指紋采集儀硬件設(shè)計比FPS110簡單。指紋采集儀的電路原理框圖如下(部分引腳電路未標出 :圖2指紋采集儀電路原理框圖指紋采集儀的硬件設(shè)計過程中,要注意以下兩個問題:(1FPS200工作電壓問題。US B 型指紋采集儀

10、由PC 機US B 口供電,但是FPS200工作在3.33.6V ,接到PC 機US B 口之前需要進行電壓的調(diào)節(jié)。本文采用MAX1625芯片實現(xiàn)這一功能,輸入電壓為4.55V ,芯片輸出電壓為3.3V ,圖2中B 點的電壓值為3.3V 。(2其他引腳的處理問題。FPS200芯片主要是通過MODE1和MODE0兩個引腳來實現(xiàn)接口模式的選擇。US B 接口模式下,微處理器接口模式和SPI 將予以屏蔽。此時,如圖2所示,MODE 1:0=10b ,采用FPS200內(nèi)部ROM ;其他部分引腳CS O 、CS1、MOSI 和MOS O 被屏蔽,引腳電路懸空;XT A L1與XT A L2之間接12MH

11、 z 晶體電路,FPS200內(nèi)部的多頻振蕩器不工作。3.2軟件嵌入的接口設(shè)計問題(1US B 驅(qū)動和部分寄存器的設(shè)置。FPS200芯片內(nèi)嵌US B 控制器并已提供US B 的驅(qū)動程序。與US B 接口模式相對應(yīng),FPS200內(nèi)部的寄存器需要進行相應(yīng)的設(shè)置。CTR LA ,CTR LB ,CTR LC 為3個控制寄存器,CTR LC 主要用于控制P0和P1口的輸出;在77半導體光電2004年第25卷第1期佟雨兵等:US B 型指紋采集儀的設(shè)計與實現(xiàn)US B 接口模式下,CTR LB 的第7和6位為MODE1、MODE0引腳的狀態(tài)值;設(shè)置CTR LB 3為1,啟動指紋自動檢測功能;通過給CTR L

12、A 寄存器單元賦值,可以實現(xiàn)圖像采集的初始化,讀A/D 轉(zhuǎn)換獲得圖像數(shù)據(jù),CTR LA 的bit2、bit1和bit03個寄存器單元分別對應(yīng)著3種圖像采集方式即局域圖像采集、全圖采集和選擇行采集,但是3個寄存器單元中有且必須只有1位為1;(2采集儀與AFIS 應(yīng)用系統(tǒng)的接口設(shè)計。US B 型指紋采集儀軟件接口設(shè)計流程如圖3所示。采集儀由PC 機US B 口供電,通過判斷指紋自動檢測電路是否是發(fā)出中斷信號來檢測是否有手指放到采集儀上。采集儀初始化主要包括設(shè)備的I D 、采集圖像的高度、寬度及灰度、傳感芯片的工作模式及句柄,可以通過指令或命令函數(shù)實現(xiàn)初始化操作,如采集圖像的高度、寬度及灰度可以通過

13、getSens orG eometry (handle ,&rows ,&cols ,&grays 實現(xiàn)。充放電電流以及充放電時間是影響FPS200靈敏性的兩個參數(shù),以下是對其進行調(diào)節(jié)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;返回數(shù)值:-10和-12是程序運行的錯誤代碼,在程序調(diào)試中,兩個函數(shù)的參數(shù)可以隨時調(diào)節(jié)。本采集儀在US B 接口模式下,采用G et Whole Image 獲取圖像的方式。因此,設(shè)置寄存器CTR LA 1=1,FPS200把暫存圖像起始行列值的寄存器都置零,按行進行指紋采集并啟動A/D 轉(zhuǎn)換,直到完成第299行,第255列的像素轉(zhuǎn)換。根據(jù)AFIS 系統(tǒng)的指紋圖像質(zhì)量判斷程序確定是否需要重新采集指紋圖像,到這一步,已經(jīng)完成了軟件接口的嵌入。此時,采集儀已經(jīng)作為AFIS 系統(tǒng)的采集前端而嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中了 。圖3US B 型采集儀軟件設(shè)計流程圖4結(jié)束語目前,基于FPS200的US B 型指紋采集儀已經(jīng)用于本實驗室指紋識別數(shù)據(jù)庫的建立和面向網(wǎng)絡(luò)身份認證的指紋識別前端系統(tǒng)。該采集儀1s 內(nèi)可以連續(xù)采集4幅單枚指紋圖像,采集的指紋圖像為256×300,256級灰度圖。理論上,利用US B 傳輸指紋可以達到12Mb/s ,要比RS -232快很多;并且該指紋采集儀體積較小,也易于嵌入到其他設(shè)備中。參考文獻:1李志敏.采用FPS1