基于FPGA的指纹采集接口设计与实现（二）

    三、指纹采集接口的设计与实现 

    本文中指纹传感器MBF300的主要任务是采集指纹图像，并自动A/D转换，并把转换后的图像数据通过SPI接口传送到FPGA芯片XC3S400中，以进行指纹登记或者指纹识别比对。由此可见，指纹采集是整个指纹识别系统的第一步，采集质量的好坏将直接影响系统的性能与准确度的高低，因此，接下来将重点介绍指纹采集接口――SPI接口的设计，在此过程中，XC3S400为SPI主设备，MBF300为SPI从设备。 

    1、指纹采集电路 

    由于FPGA内部采用的SRAM存储器结构，所以需要外置一个PROM在上电时对FPGA进行程序配置。同时，还扩展了一个SRAM和Flash分别用作存储指纹程序运行时的临时数据和指纹数据信息。另外，为了实现与PC机通信，指纹采集部分还设计一个RS232接口，整个的硬件电路如图2所示。由图中可以看出，整个指纹采集的核心部件就是FPGA芯片XC3S400，它相当于常见的嵌入系统中的DSP或者ARM，控制着整个指纹采集，以及指纹登记，指纹比对，结果输出等过程。 

    2、指纹采集接口硬件设计与实现 

    本文的SPI接口主设备为FPGA芯片XC3S400，从设备为指纹传感器MBF200。由于FPGA没有特定管脚的要求，本文任意选用XC3S400的4个I/O口137―140，分别与指纹传感器MBF300的相应管脚连接，见图3所示。 

    3、指纹采集接口软件设计与实现 

    接口时钟采用传感器内部的12M时钟，整个采集指纹图像流程如图4所示，主要有初始化，调整参数，指纹采集，指纹存储几部分组成。 

    3.1初始化XC3S400和MBF300 

    XC3S400为FPGA器件，因此在系统上电后先要对其进行初始化，即从PROM中读取配置数据，以完成后面的指纹采集、特征点提取、存储、比对等工作；初始化XC3S400之后，接着初始化指纹传感器MBF300，其中部分VHDL源程序如下： 

    …… 

    ENTITYini_mbf300IS 

    PORT(…… 

    pgc:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); 

    dtr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); 

    dcr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); 

    thr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); 

    ctrlb:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); 

    isr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); 

    icr:INOUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0); 

    ……);–定义需要初始化的MBF300寄存器； 

    ENDini_mbf300; 

    ARCHITECTUREini_mbf300OFini_mbf300IS 

    BEGIN 

    pgc<=”00000110″;–初始设置图像增益为1.5； 

    dtr<=”00111111″; 

    dcr<=”00000001″; 

    thr<=”00101100″; 

    ctrlb<=”00000001″;–使能阵列，AD及时钟； 

    isr<=”00000011″;–清空中断； 

    icr<=”01011001″;–使能自动检测；…… 

    ENDini_mbf300；…… 


    3.2调整MBF300参数 

    调整MBF300参数，也就是调整PGC、DTR、DCR三个寄存器的值来调整放电时间、放电电流速率和图像的放大增益，直到获得最佳质量的图像。 

    3.3采集指纹图像 

    XC3S400按照MBF300的SPI时序要求，在MOSI信号线上发送一系列读写MBF300寄存器的指令，并由MBF300在MISO信号线上发送A/D转换后的指纹数据，直到一幅完整的256*32的指纹图像传输完毕。详细的工作流程见图5。 

    3.4存储指纹图像 

    采集到的原始指纹图像保存到片外SRAM中，地址空间为0000000000000000~FFFFFFFFFFFFFFFF。 

    4实验调试与结论 

    指纹采集接口的整个程序的VHDL源代码已经通过调试，在ModelSimSE6.1b中成功仿真，FPGA的SPI时序与MBF300一致，完全能达到指纹采集的目的。于是将MBF300设置为DTR＝0x15，DCR=0x20，PGC=0x01，通过SPI接口采集到的原始指纹数据通过图2中的RS232接口传送给PC机，然后利用Matlab工具数据转化得到如图6的指纹图像，它足以满足后续的指纹特征点提取、比对等要求。 

    四、小结 

    这种基于FPGA芯片XC3S400与固体指纹传感器MBF300的SPI接口具有设计实现简单，传输速率高的特点，完全能胜任指纹采集的任务。而MBF300的高精度更能保证采集到的指纹图像的质量，这有利于简化后续的指纹图像增强、二值化等算法。总之，基于FPGA与指纹传感器的指纹采集系统的SPI接口的成功实现，为指纹识别技术的SOC片上集成打开一个良好的开端。 

    本文作者创新点： 

    虽然基于DSP或者ARM的指纹识别认证系统已经在考勤，门禁等领域实现商品化，但这样的嵌入式系统很难实现小型化集成化，更无法SOC，所以本文采用FPGA来实现指纹识别认证系统，利用FPGA高集成度，低功耗，短开发周期等优点，并以实现系统的ASIC为研究背景，具有很强的现实意义和广阔的市场空间。 

    只有保证高质量的指纹采集才会保证高质量的指纹识别认证，因此本文主要介绍了基于FPGA的指纹识别系统的指纹采集接口部分的设计与实现方案，经实验研究证实该接口完全能满足实际需要，这为指纹识别系统的片上集成打开了一个良好的开端。 

    参考文献： 

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    [3]黄林波，杜坤梅，谢建阳等.基于ARM的指纹识别算法的研究与开发.哈尔滨商业大学学报(自然科学版).2005;21(2):179-181; 

    [4]沈小丰,李小贝.便携式指纹识别系统的设计.自动化技术与应用.2005;24(4):55-58 

    [5]MBF300SolidStateFingerprintSweepSensor，DataSheet[Z].2002 

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