《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM9和滑動(dòng)指紋傳感器的采集系統(tǒng)
中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)
朱文娟 王正勇 張超 葉勇建
摘要: 為了解決這個(gè)難題,本文實(shí)現(xiàn)了基于ARM9芯片AT91RM9200[4]和滑動(dòng)指紋傳感器AT77104A FingerChip的指紋采集系統(tǒng),并在該系統(tǒng)中完成指紋有效拼接。
Abstract:
Key words :

1、 前言

  指紋因其唯一性,終身不變性等特點(diǎn),在安全性要求較高的行業(yè),如海關(guān)、金融和刑偵領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著人們安全意識(shí)和隱私覺(jué)悟的提高,手機(jī)、筆記本、PDA等日常電子消費(fèi)品中也逐漸開始使用指紋識(shí)別技術(shù)。此類電子消費(fèi)品因?yàn)楸銛y、手持等特點(diǎn),在體積、重量、功耗方面都有很高的要求,而傳統(tǒng)的指紋傳感器面積較大,不適合此類產(chǎn)品的使用。

  隨之產(chǎn)生的滑動(dòng)指紋傳感器(sweep fingerprint sensor),因?yàn)樗〉捏w積、更低的價(jià)格和極低功耗,已經(jīng)逐漸開始應(yīng)用于電子消費(fèi)領(lǐng)域和其他安全系統(tǒng)中。以ATMEL公司的AT77C104A FingerChip為例[1],與傳統(tǒng)的指紋傳感器相比,它具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)體積小,僅為1.5×15mm;(2)強(qiáng)魯棒性,采集到的相鄰的指紋幀沒(méi)有旋轉(zhuǎn)形變等;(3)低功耗,圖像采集時(shí)為4.5mA,導(dǎo)航時(shí)為1.5mA,睡眠模式小于10uA。 [2]中應(yīng)用的圖像傳感器,獲取的指紋圖像大小為240×240,面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滑動(dòng)指紋傳感器。然而手指滑過(guò)滑動(dòng)指紋傳感器時(shí),采集到的一個(gè)指紋幀序列而并非完整的指紋圖像。如何將得到的指紋幀序列快速的拼接成一幅完整的指紋圖像,達(dá)到與傳統(tǒng)的面積較大的指紋傳感器相同的效果,成為一個(gè)急需解決的難題[3]。

  為了解決這個(gè)難題,本文實(shí)現(xiàn)了基于ARM9芯片AT91RM9200[4]和滑動(dòng)指紋傳感器AT77104A FingerChip的指紋采集系統(tǒng),并在該系統(tǒng)中完成指紋有效拼接。

2、 指紋采集和拼接系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

  AT91RM9200是ATMEL推出的ARM9 32位處理器,具有一下優(yōu)點(diǎn):運(yùn)算速度快(在工作頻率為180MHz的情況下它的運(yùn)算速度為200MIPS)、低功耗、可提供片上或片外存儲(chǔ)器以及一系列外圍控制、通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的靈活配置。這些特征使得這款芯片適合嵌入式指紋采集系統(tǒng)的開發(fā)。

  在硬件核心電路中,使用兩片16位的SDRAM來(lái)配置成32位寬度的高性能存儲(chǔ)器,讀取數(shù)據(jù)時(shí)候以四個(gè)字節(jié)為一個(gè)單位,從而加快了數(shù)據(jù)的讀取速度。同時(shí)外擴(kuò)一個(gè)8M的DataFlash,用于存放Uboot、Linux文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

  在本系統(tǒng)中,包括的通信過(guò)程為:

 ?。?)主機(jī)和ARM板之間的通信包括:首先PC主機(jī)在超級(jí)終端中使用Xmodem協(xié)議發(fā)送文件RomBoot.bin到AT91RM9200內(nèi)置的ROM中,下載完畢后,自動(dòng)運(yùn)行;其次分別將RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下載存儲(chǔ)到DataFlash,復(fù)位后自動(dòng)啟動(dòng)U-Boot;最后通過(guò)以太網(wǎng)口將Linux鏡像文件和應(yīng)用程序下載到DataFlash中。再次復(fù)位后,開發(fā)板進(jìn)入Linux系統(tǒng)。

  (2)AT77C104A和控制芯片之間的通信:通過(guò)SPI接口完成??刂菩酒ㄟ^(guò)寫寄存器,設(shè)置AT77C104A的工作模式;AT77C104A將采集到的數(shù)據(jù)傳遞到SDRAM中。

 ?。?)在該嵌入式系統(tǒng)中,拼接采集到的指紋幀序列,通過(guò)USB接口導(dǎo)出拼接后的指紋圖像。

圖1指紋采集和拼接系統(tǒng)框圖

3、AT91RM9200與AT77C104B FingerChip連接及通信過(guò)程

  指紋采集芯片采用ATMEL公司的熱敏傳感芯片AT77C104A FingerChip,通過(guò)滑過(guò)傳感陣列的指紋脊和谷的溫度變化來(lái)獲取指紋數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的指紋傳感器相比,AT77C104A在體積、功耗、工作頻率以及對(duì)工作環(huán)境的魯棒性等方面均有優(yōu)勢(shì)。該芯片提供了SPI接口,有兩種通信總線:

 ?。?)SLOW總線:對(duì)應(yīng)SLOW模式,起控制作用,控制和讀寫內(nèi)部寄存器;

 ?。?)FAST總線:對(duì)應(yīng)FAST模式,用于獲取象素,使主機(jī)獲得所有的指紋象素。

  在本指紋采集系統(tǒng)中,利用AT91RM9200的SSC接口與AT77C104B FingerChip相連。SSC 包含獨(dú)立的接收器、發(fā)送器及一個(gè)時(shí)鐘分頻器。每個(gè)發(fā)送器及接收器有三個(gè)接口:針對(duì)數(shù)據(jù)的TD/RD 信號(hào)、針對(duì)時(shí)鐘的TK/RK 信號(hào)及針對(duì)幀同步的TF/RF 信號(hào)。AT91RM9200與AT77C104B FingerChip 通信時(shí),前者處于主機(jī)方式,后者處于從機(jī)方式,連接如圖2所示。

  在該通信過(guò)程中,SSC的接收器時(shí)鐘RK由TK驅(qū)動(dòng),同時(shí)接收端與發(fā)送端同步,所以TF與RF相連。AT91RM9200通過(guò)I/O口(PIO_PA5)提供片選信號(hào),選擇指紋傳感器的工作模式。SSC的可編程高電平及兩個(gè)32位專用PDC 通道,可在沒(méi)有處理器干涉的情況下進(jìn)行連續(xù)的高速率數(shù)據(jù)傳輸,適用于快速獲取指紋數(shù)據(jù)。

  AT77C104A FingerChip內(nèi)部有13個(gè)寄存器。AT91RM9200通過(guò)寫AT77C104A FingerChip內(nèi)部的模式寄存器,將FingerChip設(shè)置成獲取象素模式。此時(shí),AT91RM9200通過(guò)PIO_PA5將FingerChip的FSS(Fast SPI Slave Slect,低電平有效)信號(hào)置為低電平。設(shè)置完成后,AT91RM9200為主機(jī),F(xiàn)ingerChip為從機(jī)。FingerChip的MISO信號(hào)將采集到的數(shù)據(jù)輸入到AT91RM9200的SSC端口對(duì)應(yīng)的RD端,存儲(chǔ)到SDRAM中。

圖2 AT91RM9200與AT77C104B FingerChip連接

  滑動(dòng)時(shí)指紋傳感器獲得的每一個(gè)像素,由一個(gè)16進(jìn)制數(shù)表示,對(duì)應(yīng)著4個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)傳感器通過(guò)SPI端口傳輸獲取到一幀數(shù)據(jù)時(shí),先傳輸一個(gè)幀同步信號(hào)F0F00200,然后再傳輸232×8像素指紋數(shù)據(jù)。因此,每傳輸一幀數(shù)據(jù),需要n=(232×8+8)×4=7496個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)FingerChip以6Mbps工作時(shí),每秒中可獲取804幀指紋數(shù)據(jù)。獲取到的指紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SDRAM中,通過(guò)指紋拼接程序?qū)⒓y幀序列拼接成完整的指紋圖像,然后通過(guò)USB傳輸回PC主機(jī)中顯示。

4、 系統(tǒng)定制和驅(qū)動(dòng)程序加載

  4.1系統(tǒng)定制

  為了增加系統(tǒng)的可維護(hù)性,采用Linux系統(tǒng),Linux內(nèi)核可根據(jù)需要裁減。系統(tǒng)定制過(guò)程為:(1) 首先將RomBoot.bin下載到AT91RM9200的SDRAM里;當(dāng)超級(jí)終端顯示RomBoot程序界面之后,分別將RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下載存儲(chǔ)到DataFlash的0xc0000000和0xc0008000地址。復(fù)位開發(fā)板,進(jìn)入U(xiǎn)-Boot命令行。(2)在超級(jí)終端中,通過(guò)tftp將裁減過(guò)的Linux內(nèi)核鏡像文件和文件系統(tǒng)下載到Dataflash中運(yùn)行。

  4.2 加載驅(qū)動(dòng)程序

  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在Linux內(nèi)核中,使某個(gè)特定的硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口,同時(shí)完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié)。用戶通過(guò)一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用完成對(duì)硬件的操作,而這些調(diào)用是和特定的驅(qū)動(dòng)程序無(wú)關(guān)的。將這些調(diào)用映射到作用了實(shí)際硬件的設(shè)備特定的操作上,就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)。另一方面,這種編程接口使得驅(qū)動(dòng)程序獨(dú)立于內(nèi)核的其他部分而建立,在需要的時(shí)候,可以在運(yùn)行時(shí)“插入”內(nèi)核(調(diào)入內(nèi)存),也即Linux中的模塊化實(shí)現(xiàn),這也是Linux中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一大特點(diǎn)。

  將FingerChip驅(qū)動(dòng)程序加載到Linux文件系統(tǒng)中,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),使用insmod命令,即可實(shí)現(xiàn)指紋傳感器設(shè)備的裝載。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制。

5、 基于滑動(dòng)式指紋傳感器的指紋拼接算法

  當(dāng)手指滑過(guò)時(shí),滑動(dòng)指紋傳感器采集到是一系列指紋幀序列,因此在嵌入式系統(tǒng)中,需要對(duì)獲取的指紋幀序列進(jìn)行拼接。與PC機(jī)中的CPU相比,ARM芯片速度較低。為了減少刮取指紋后的等待時(shí)間,對(duì)指紋拼接速度的要求很高。

  從大量的指紋序列中發(fā)現(xiàn),當(dāng)采集速度足夠快時(shí),指紋幀序列相鄰兩幀之間是連續(xù)的,而且會(huì)有部分重疊。同時(shí),相鄰指紋幀之間的旋轉(zhuǎn)和形變微乎其微,幾乎可以被忽略,所以在相鄰指紋幀配準(zhǔn)的時(shí)候,只需要計(jì)算出兩幀之間的偏移量就可以。

  本文運(yùn)用基于塊匹配指紋拼接算法[5],能夠快速有效的尋找到相鄰指紋幀之間的偏移量。塊匹配算法是:(1)在圖像A中選取M×N大小的X區(qū)域;(2)在圖像B中選取所有可能的M×N大小的Y區(qū)域;(3)計(jì)算X區(qū)域和Y區(qū)域?qū)?yīng)象素差值的平均值MAE;MAE越小,兩區(qū)域相似度越高;(4)MAE最小值對(duì)應(yīng)的Y區(qū)域即為與X區(qū)域匹配。計(jì)算公式為:

(1)

其中0≤i≤M-1,0≤j≤N-1,p(i,j)為X區(qū)域的點(diǎn)p的象素值,q(i,j)為Y區(qū)域?qū)?yīng)點(diǎn)q的象素值。MAE越小,兩區(qū)域相似度越高。理想情況下,MAE最小值為0。

  具體實(shí)現(xiàn)步驟:(1)FingerChip AT77104A獲取到的指紋幀數(shù)據(jù)大小為232×8,設(shè)x方向?yàn)?32,y方向?yàn)?。為了有效的拼接相鄰兩幀指紋,設(shè)置獲取每一幀數(shù)據(jù)的頻率,使得y方向的偏移量dy不大于8,即保證相鄰兩幀一定有重疊。(2)理想情況下,手指在y方向滑動(dòng),在x方向上偏移量為0。因此,只考慮dx不大于dy的情況。當(dāng)dx超過(guò)dy時(shí),滑動(dòng)無(wú)效。(3)由(1)(2)可得,|dx|<8。同時(shí)可得,最后一行,中間的(232-8×2)個(gè)象素與下一幀必有重疊。(4)取前一幀最后一行(232-8×2)個(gè)象素,即(232-8×2)×1的模板,與新獲取的一幀指紋匹配。(5)匹配方法:在新的指紋幀里面尋找所有可能的(232-8×2)×1的模板,計(jì)算求得MAE。選取MAE的最小值對(duì)應(yīng)的模板,此模板與上一幀的最后一行的(232-8×2)×1的模板相匹配。即得dx,dy。(6)重復(fù)執(zhí)行以上步驟,直到得到一幅完整的指紋圖像。圖3-a為拼接前的指紋幀,圖3-b為拼接后的指紋圖像。

圖3 a.拼接前的指紋幀 b.拼接后的指紋圖像

6、 總結(jié)

  本文實(shí)現(xiàn)了基于ARM9芯片AT91RM9200和滑動(dòng)指紋傳感器AT77C104B FingerChip的指紋采集系統(tǒng),具有低功耗,采集便捷,通信系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),具有很大的實(shí)用價(jià)值。開發(fā)的指紋拼接算法通過(guò)了AT77C104B FingerChip獲取的100幅指紋幀序列的測(cè)試,均能達(dá)到較好的效果。該系統(tǒng)獲取到的指紋幀序列和拼接后的指紋圖像,均可通過(guò)USB接口導(dǎo)出,可用于指紋拼接算法有效性的測(cè)試和指紋識(shí)別算法的測(cè)試。因?yàn)锳T91RM9200支持以太網(wǎng)的接入,因此可以聯(lián)網(wǎng)集控。下一步的工作是,在此指紋采集和指紋拼接算法的基礎(chǔ)上,開發(fā)指紋識(shí)別系統(tǒng)。

 

 

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