摘   要： 針對掌紋識別系統(tǒng)中的圖像采集問題，提出了一種基于DSP 和CPLD的掌紋圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。將DSP的特殊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)作為算法處理核心，對掌紋圖像進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和處理。采用OV7620作為掌紋傳感器,并利用CPLD完成DSP與OV7620之間的邏輯信號轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)出了一套實(shí)時(shí)、高性能的掌紋采集系統(tǒng)。實(shí)踐證明，該圖像采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，具有一定的應(yīng)用推廣性和參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 掌紋；圖像采集; DSP; CPLD

    隨著計(jì)算機(jī)及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，生物特征識別系統(tǒng)被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。掌紋識別系統(tǒng)作為生物特征識別系統(tǒng)的一個(gè)重要方面，被廣泛關(guān)注[1]。掌紋圖像采集問題是掌紋識別系統(tǒng)中的一個(gè)難題。傳統(tǒng)的掌紋圖像采集系統(tǒng)大都基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為處理核心，配合攝像頭和圖像采集卡來實(shí)現(xiàn)圖像采集，通過算法處理軟件完成掌紋圖像的后期加工與處理。這種工作方式中，計(jì)算機(jī)扮演了主要角色。然而，這種計(jì)算機(jī)參與的系統(tǒng)應(yīng)用場合受到很大限制，難以在工業(yè)或軍事等復(fù)雜環(huán)境下靈活運(yùn)用[2]。因此，設(shè)計(jì)出一套無計(jì)算機(jī)參與的圖像采集系統(tǒng)具有非常大的必要性[3]。DSP作為數(shù)字信號處理器，憑借其特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)成為了大多數(shù)專業(yè)圖像處理系統(tǒng)的首選核心設(shè)備，可用來完成圖像的采集、存儲(chǔ)和處理。OV7620是一款CMOS型圖像采集集成芯片，作為圖像采集傳感器被廣泛應(yīng)用。CPLD設(shè)備可對不同的電子器件的邏輯信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。結(jié)合目前的現(xiàn)狀，本文將對基于DSP 和CPLD的掌紋圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。
1 DSP TMS320VC5509簡介
    與采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)不同，DSP采用的是哈佛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分開，使程序和數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在兩個(gè)分開的空間，允許取指令和執(zhí)行指令完全重疊。也就是說在執(zhí)行上一條指令的同時(shí)就可取出下一條指令并進(jìn)行譯碼，這大大提高了微處理器的速度[4]。TMS320VC5509是一款速度高、低功耗的定點(diǎn)DSP，工作主頻達(dá)144 MHz，每時(shí)鐘周期執(zhí)行1~2條指令，兩個(gè)乘法器、兩個(gè)加法器、3套內(nèi)部讀總線和兩套內(nèi)部寫總線,廣泛應(yīng)用于嵌入式、通信、工業(yè)控制、數(shù)字音頻、生物識別等技術(shù)領(lǐng)域中[5]。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體架構(gòu)
　本系統(tǒng)由算法處理核心DSP芯片TMS320VC5509、掌紋采集傳感器OV7620、邏輯轉(zhuǎn)換芯片CPLD EPM7032和圖像存儲(chǔ)器Micron公司的SDRAM MT48LC4M16A2TG組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。當(dāng)進(jìn)行掌紋圖像采集時(shí)，算法處理核心DSP利用I2C總線對OV7620進(jìn)行初始化設(shè)置，CMOS傳感器芯片OV7620完成掌紋圖像的攝取和A/D變換并按照設(shè)置的格式輸出圖像數(shù)據(jù)信號。DSP讀取經(jīng)過CPLD進(jìn)行邏輯變換的掌紋圖像數(shù)據(jù)信號，并將它們存儲(chǔ)到SDRAM中。

3.2 CPLD邏輯轉(zhuǎn)換電路
　在基于DSP的掌紋圖像采集系統(tǒng)中，一個(gè)非常關(guān)鍵的問題就是DSP如何讀取并存儲(chǔ)OV7620采集輸出的掌紋圖像數(shù)據(jù)。從OV7620的工作原理介紹中知道，無論是PCLK像素時(shí)鐘、VSYNC為場同步信號、HREF行同步信號還是FODD為奇偶場信號，都是上升沿觸發(fā)有效信號。由OV7620的工作時(shí)序可知，PCLK像素時(shí)鐘與HREF行同步信號、HREF行同步信號與VSYNC為場同步信號之間存在著一定的內(nèi)在關(guān)系[7]。只有在行同步信號HREF有效的情況下，PCLK的圖像數(shù)據(jù)才有效。類似地，只有在VSYNC場同步信號有效的情況下，HREF的信號才有意義。因此，采集一幅掌紋圖像數(shù)據(jù)需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的邏輯變換系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
    Altera公司的CPLD EPM7032在這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中完成的就是掌紋圖像采集芯片與算法處理核心DSP之間的邏輯變換功能[8]。它將OV7620采集輸出的控制信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪壿嬜儞Q，很好地解決了信號邏輯不兼容的問題，從而使得DSP可以直接讀取并存儲(chǔ)采集傳感器采集到的掌紋圖像數(shù)據(jù)。OV7620與DSP之間的控制信號的CPLD邏輯變換設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

    從表1可以看出，DSP的外部中斷INT1的邏輯時(shí)序一樣，而狀態(tài)正好與場同步信號VSYNC相反。由前面的介紹知道，DSP的INT1是下降沿觸發(fā)信號，而VSYNC是上升沿觸發(fā)信號,這種設(shè)計(jì)正好滿足信號變換需求[9]。而且每個(gè)VSYNC時(shí)鐘周期進(jìn)行一場圖像數(shù)據(jù)信號的采集存儲(chǔ)，因此，INT1外部中斷可以用來編寫采集每場圖像數(shù)據(jù)信號的程序。
    表2反映了INT2與PCLK、HREF的邏輯關(guān)系，INT2只有在時(shí)鐘像素PCLK和行同步信號HREF同時(shí)為高電平時(shí)才為低。這就保證了只有在HREF在高電平期間才有可能產(chǎn)生INT2中斷信號，而且是每個(gè)PCLK時(shí)鐘周期產(chǎn)生一次下降沿中斷信號。同樣地，這也為DSP設(shè)計(jì)INT2中斷為采集一幅掌紋圖像數(shù)據(jù)的每行數(shù)據(jù)信號提供了物理層上的基礎(chǔ)[10]。

    結(jié)合以上兩點(diǎn)，OV7620輸出的圖像數(shù)據(jù)控制信號PCLK、HREF和VSYNC經(jīng)過CPLD的邏輯變換后，產(chǎn)生了符合觸發(fā)DSP外部中斷功能的邏輯信號。這樣，CPLD EPM7032就完成了DSP與OV7620之間控制信號的邏輯變換功能。在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)兩個(gè)DSP外部中斷函數(shù)就可以完成DSP對掌紋圖像數(shù)據(jù)的讀取與存儲(chǔ)。實(shí)踐證明，基于DSP和CPLD的掌紋圖像采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。
    本文提出了一套基于TMS320VC5509的掌紋圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。利用DSP TMS320VC5509作為算法處理核心，CPLD將OV7620采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯變換，提供給DSP進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。該設(shè)計(jì)方法解決了DSP與采集傳感器時(shí)序信號不匹配的問題，實(shí)現(xiàn)了圖像的有效采集，解決了掌紋圖像采集系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的難題。本文提出的掌紋圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為實(shí)現(xiàn)一個(gè)高集成度、高性能的實(shí)時(shí)高速圖像處理系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。
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