《電子技術應用》
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基于ARM的指紋采集儀的設計與實現(xiàn)
摘要:  WinCE.Net嵌入式操作系統(tǒng)是微軟公司推出的一種全新開發(fā)的操作系統(tǒng),具備搶先式多任務功能以及強大的通訊能力,專門應用在信息設備,移動應用,消費類電子產品以及嵌入式應用等非PC領域,目前已經發(fā)展到5.0版本。本文涉及的指紋采集設備工作在以ARM920T為內核的嵌入式系統(tǒng)上。設計這套系統(tǒng)的目的是進行便攜式指紋識別儀器應用研究,并提供一個指紋識別算法平臺
Abstract:
Key words :

  1 引言

  在個人身份識別" title="身份識別">身份識別領域,指紋識別作為目前最為成熟的生物識別技術之一,成為很多應用場合的首選。和PC環(huán)境相比,嵌入式系統(tǒng)有著體積小,功耗低的特點,由于功能相對專一,在穩(wěn)定性,可靠性和安全性上有一定優(yōu)勢。所以現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)不僅應用在移動設備上,而且在固定場合的身份識別系統(tǒng)也被越來越多的采用。

  WinCE.Net嵌入式操作系統(tǒng)是微軟公司推出的一種全新開發(fā)的操作系統(tǒng),具備搶先式多任務功能以及強大的通訊能力,專門應用在信息設備,移動應用,消費類電子產品以及嵌入式應用等非PC領域,目前已經發(fā)展到5.0版本。本文涉及的指紋采集" title="指紋采集">指紋采集設備工作在以ARM920T" title="ARM920T">ARM920T為內核的嵌入式系統(tǒng)上。設計這套系統(tǒng)的目的是進行便攜式指紋識別儀器應用研究,并提供一個指紋識別算法平臺。

  2 指紋采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

  系統(tǒng)采用嵌入式32位ARM器件S3C2440" title="S3C2440">S3C2440作為主控CPU,由指紋圖像的采集模塊,核心處理模塊,RAM,EEP一ROM,外部存儲器,LCD顯示模塊,接口模塊7個部分組成。圖l給出系統(tǒng)結構框圖。
系統(tǒng)結構框圖

  2.1 指紋采集模塊

  現(xiàn)有的光學傳感器的體積都較大,成像結果要經過變換才可以使用。該采集系統(tǒng)采用Veridicom公司的FPS200固體指紋識別傳感器設計而成。FPs200是一種性能優(yōu)越,功耗低,價格便宜的指紋識別傳感器。由于其特殊的EDS保護,特別窄小的物理尺寸,以及獨特的省電特性,使傳感器尤其適合嵌入式系統(tǒng)使用。主要原理是,在指紋圖像感知區(qū)域集成了二維金屬電極陣列,每根電極充當電容一極,在傳感器表面,二極之間有一層鈍化層作為電容的介電層。由于指紋的脊和谷與傳感器接觸時會產生不同的電容值,測量這些不同的數(shù)值即形成圖像。

  與同類產品相比,F(xiàn)PS200的性能特點如下:

  (1)支持多接口模式。FPS200有3種接口模式,8位的系統(tǒng)總線接口,集成全速的USB接口和集成的串行外設接口,使芯片的應用設計更加靈活。芯片集成USB控制器,大大減少了USB電路設計的工作量,同時USB接口協(xié)議支持更高的傳輸速率;

  (2)自動指紋檢測功能。FPS200可自動檢測手指是否放在傳感器上,如果有,則進入工作狀態(tài);否則,進入睡眠狀態(tài)。此設計不需輪詢檢測指紋,提高了芯片的丁作效率;

  (3)FPS200內部包括一個新的二階的A/D轉換器,功耗低(75%);FPS200傳感器單元間距變小,提高了傳感器陣列的機械強度。

  系統(tǒng)采用USB接口模式,設計中請注意:①FPS200的工作電壓是3.3~3.6 V,而USB的供電電壓是5 V,所以要用電壓轉換芯片實施電壓轉換;②FPS200通過MODEl和MODEO 2個引腳來實現(xiàn)接口模式的選擇。在USB接口模式下,將微處理器接口模式和SPI予以屏蔽。此時MODE[1:0]=l0b,采用FPS200內部ROM;其他部分引腳CS0,CSl,MOSI,MOSO被屏蔽,引腳懸空;XTAL1與XTAL2之間接12MHz晶體電路;FPS200內部的多頻振蕩器不工作。圖2給出FPS200傳感器和系統(tǒng)的連接電路。
FPS200傳感器和系統(tǒng)的連接電路

  2.2 數(shù)據處理與顯示

  系統(tǒng)微處理器模塊采用ARM2440開發(fā)系統(tǒng),該系統(tǒng)采用Samsung公司的ARM處理器S3C2440,由6層板設計。該開發(fā)系統(tǒng)在盡可能小的面板上(120mmx90mm)集成64MBSDRAM,64MB NAND Flash,lMB B00T Flash,RJ一45 網卡,音頻輸入和輸出,USB Host,USB Slave,標準串口,SD卡插座等設備接口,支持LCD/STN液品屏接口,可以接各種單色,偽彩,真彩液晶屏,并含有觸摸屏接口。通過預留的USB口可實時地將數(shù)據導入U盤或者PC機硬盤中。

  現(xiàn)在的SD卡成本低,容量大,所以存儲模塊采用SD卡進行圖像存儲。

  液晶顯示模塊采用Samsung公司的3.5寸TFT(帶觸摸),通過液晶屏的觸摸功能或USB鼠標,可以方便的對測試系統(tǒng)進行窗口化操作。

  3 系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn)

  采用EVC工具開發(fā)上位機軟件,可直接在Windows CE[5]環(huán)境下運行。上位機軟件是控制系統(tǒng)運行的重要部分,主要完成人機接口,指紋圖像的采集并處理系統(tǒng)和采集模塊的通訊。系統(tǒng)軟件可分為主程序模塊、通許模塊和指紋采集模塊。主程序模塊主要完成界面顯示,人機接口,模塊調用等功能;指紋采集模塊完成指紋圖像的采集;通訊模塊負責接受數(shù)據和發(fā)送由人機接口控制的寄存器的修改指令。

  為了能夠采集指紋,首先必須初始化FPS200的相關寄存器,按照傳感器的技術要求,初始化寄存器CTRLB,DTR,DCR和PGC的值,以設置傳感器的工作方式,調整傳感器靈敏度,為指紋采集做好準備。改變DTR的值可以改變電容的放電時間,DCR控制放電電流的大小,PGC控制放大器增益,當DTR和DCR值增大時,圖像變白,對比度降低。

 

  通過寫寄存器CTRLA可選擇采集指紋的方式,有3種指紋采集方式:采集某行(GETROW);采集子圖像(GETSUB),采集整幅圖(GETIMG)。選擇不同的采集方式,需要初始化的行列寄存器則不同。圖3給出系統(tǒng)軟件流程圖。

系統(tǒng)軟件流程圖

  4 試驗結果分析

  圖4給出采集部分試驗結果,對比圖像后發(fā)現(xiàn),F(xiàn)PS200的放電參數(shù)DCR,DTR和PGC對指紋的清晰度有一定影響。其中DTR參數(shù)控制電容的放電時間,延長放電時間可減少指紋圖像的背景噪聲;增加DCR參數(shù)值同樣能起到減少指紋背景噪聲的作用,但升高DCR同時減少DTR時可維持圖像的清晰度;PGC參數(shù)控制指紋圖像和背景的對比度,需要根據不同的工作條件進行參數(shù)調整。圖4(a)的圖像是在DCR=0x0l,DTR=0x40,PGC=0x0B(g=3)下采集的;圖4(b)的圖像是在DCR=Ox0l,DTR=0x23,PGC=Ox00(g=1)下采集的。當手指情況較好時,圖4(a)的參數(shù)要比圖4(b)的參數(shù)得到的圖像更好。

采集部分試驗結果

  5 結語

  本文設計了一個基于ARM的指紋采集系統(tǒng),使用FPS200固體指紋傳感器作為指紋采集元器件。減少了許多軟件優(yōu)化圖像的過程。以Samsung的S3C2440為硬件平臺,WindowsCE系統(tǒng)為軟件平臺.非常容易地對外實施擴展,為下一步的指紋識別打下了良好的基礎。系統(tǒng)操作簡單,攜帶方便,尤其適合不宜使用基于PC構架的指紋采集儀器的場合,且成本低廉,易于推廣。

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