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基于USB與DSP的指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)
摘要：介紹一種以高速的DSP芯片TMS320VC5402為平臺對指紋圖像進行實時處理的指紋識別系統(tǒng)，用USB接口芯片與主機進行通信。介紹了系統(tǒng)的硬件、固件、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件四個方面的設(shè)計與實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：USB 指紋識別 圖像處理
指紋的不變性和唯一性使指紋識別技術(shù)成為目前應(yīng)用最廣泛的身份驗證。近年來隨著最新信息處理技術(shù)的發(fā)展、算法理論的研究以及計算機硬件的高集成和低成本，指紋識別的可靠性不斷提高，實用范圍不斷擴大。由于識別系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較大且要求盡快傳入上位機進行處理，所以合理設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸通道成為設(shè)計的一個重點。
通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是一種新型接口技術(shù)。它是由Intel、Microsoft等公司為解決日益增加的外設(shè)與有限的主板插槽與端口之間的矛盾而制定的一種串行通信標準。USB具有以下特點：(1)有較高的傳輸速率。USBl．1支持全速和低速兩種方式，全速速率為12Mbps，低速速率為1．5Mbps；USB2．0除支持USBl．1的兩種速度方式外，還增加了速率可達480Mbps的高速方式。(2)使用方便靈活。USB支持即插即用和熱插拔，允許在任何時候連接和斷開外設(shè)。當外設(shè)被連接時，系統(tǒng)會自動檢測到外設(shè)并準備使用。(3)易于擴展。通過根集線器可攜帶127個設(shè)備真正實現(xiàn)多個外設(shè)共用一個接口。此外，USB還有可靠性高、成本低、功耗小等優(yōu)點，倍受歡迎。
1 整體方案選擇
由于指紋圖像處理技術(shù)對實時性要求高、運算量要求大，所以采用通用的數(shù)字處理芯片。DSP的高速運算性能使其在數(shù)字信號的處理上有著獨一無二的優(yōu)勢。但數(shù)字信號的數(shù)據(jù)量非常龐大，需要一種方便、高速的接口實現(xiàn)與PC機的接插。 本文給出一種基于DSP(TMS320VC5402)平臺的低成本高速USB接口方案。它采用Philips公司的PDIUSBDl2接口芯片，實現(xiàn)DSP指紋圖像采集處理與PC機的高速數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)涵蓋了圖像采集、處理、存儲、傳輸?shù)葦?shù)字圖像處理技術(shù)，其硬件原理如圖1所示。
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通過圖像傳感器獲得指紋圖像及數(shù)字化輸出，將圖像數(shù)據(jù)傳遞給中央處理芯片DSP。DSP對圖像進行實時處理，如：濾波、圖像的平滑銳化、二值化、特征點提取等，同時將處理結(jié)果通過USB輸出到上位機。在整個指紋圖像采集處理系統(tǒng)中，DSP主要有三個方面的作用：通過其I2C總線對OV6620的對比度、亮度、銳度等各項參數(shù)進行設(shè)置；對指紋圖像進行數(shù)字處理；按照USB的規(guī)范應(yīng)答，提供設(shè)備識別，固化PDIUSBDl2，與上位機通信。
2 系統(tǒng)硬件方案選擇與設(shè)計
2．1 圖像傳感器
CMOS圖像傳感器是近幾年發(fā)展較快的新型圖像傳感器，可以將像素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上，是一個完整的圖像系統(tǒng)。與CCD產(chǎn)品相比較其功耗小、體積小、成本低。
在采集系統(tǒng)中，使用OV6620作為圖像采集芯片。OV6620是Omni Vision公司開發(fā)的CMOS黑白圖像采集芯片。該芯片將CMOS光感應(yīng)核與外圍支持電路集成在一起。輸出的視頻為黑白圖像。技術(shù)參數(shù)：分辨率352x288，速度30幀／秒。
2．2 數(shù)字信號處理芯片
本系統(tǒng)中采用了TI公司推出的高性能數(shù)字信號處理器TMS320VC5402。其采用程序空間與數(shù)據(jù)空間完全獨立的哈佛總線結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行采用流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一到多個處理內(nèi)核，帶有片上硬件乘法器，其指令執(zhí)行速度最快為幾十納秒，處理能力為100MIPS。這些為DSP在高速大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中提供了廣闊的應(yīng)用空間。片內(nèi)共有8條總線(4條程序存儲器總線、1條數(shù)據(jù)存儲器總線和3條地址總線)、片上存儲器和片上外圍電路等硬件，有高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，具有功耗低、高度并行等優(yōu)點。
2．3 USB接口芯片
世界上很多半導(dǎo)體公司參與了USB芯片的開發(fā)，形成了多種產(chǎn)品系列。如Intel 8*930AX／HX、Cypress FX2高速USB微控制器、National Semiconductor的USBN9602／9603。對于基于DSP平臺的USB接口設(shè)計，綜合考慮了幾種方案之后，決定采用一個不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片PDIUSBDl2，再加上簡單的外圍電路和時序調(diào)整電路。主要因為其滿足項目性能需求，且使用外接CPU，成本非常低。
PDIUSBDl2是Philips公司推出的一款特點突出的USB接口芯片。完全遵從USBl．1協(xié)議，其內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)、320字節(jié)多結(jié)構(gòu)FIFO存儲器、收發(fā)器(Transceiver)和電壓調(diào)節(jié)器。它可以工作在5V或者3．3V的工作電壓下；具有8位數(shù)
據(jù)總線，且有完全自治的DMA傳輸操作。它還具有可控制的軟件連接(SoftConnect)功能，可以保證在微控制器可靠初始化之后再連接上USB總線。多中斷模式實現(xiàn)批量和同步傳輸，在批量和同步模式下可實現(xiàn)1MB／S的數(shù)據(jù)傳輸率。PDIUSBDl2高集成度、高可靠性和寬范圍工作條件的特點，可以非常方便地兼容大部分DSP的工作環(huán)境。
3 軟件設(shè)計
3．1 固件設(shè)計
固件編程(firmware programming)是USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中終端設(shè)備程序設(shè)計的重要部分，微處理器通過固件程序與計算機進行數(shù)據(jù)交換。由于采用不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片，所以關(guān)于USBl．1協(xié)議規(guī)范的實現(xiàn)都必須靠DSP(TMS320VC5402)控制PDIUSBDl2芯片完成：在DSP(TMS320VC5402)的平臺上編寫程序，以完成USBl．1規(guī)范所要求的標準請求及用戶根據(jù)產(chǎn)品需要自己定義的請求。
當設(shè)備連接到主機后，主機通過給PDIUSBDl2的端點0發(fā)送包含標準USB請求的控制傳輸(即Setup包)，PDIUSBDl2產(chǎn)生一個中斷給MCU(1NT0)，MCU通過讀PDIUSBDl2的中斷寄存器和最后一次傳輸狀態(tài)寄存器來對每一個請求做出響應(yīng)，并通過PDIUSBDl2的端點0回送請求信息。主機從返回的信息中讀取描述數(shù)據(jù)(包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符)，分配和載入一個設(shè)備驅(qū)動程序并對設(shè)備進行配置。設(shè)備配置完成后，就可以使用配置中支持的端點傳輸數(shù)據(jù)。固件程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3．2 設(shè)備驅(qū)動
在Win32系統(tǒng)中，把每一個設(shè)備都抽象為文件，此時的應(yīng)用程序只需通過幾個簡單的文件操作APl函數(shù)，就可以實現(xiàn)與驅(qū)動程序中某個設(shè)備的通信。
PC機的驅(qū)動程序由Philips公司提供。用VC++6．0通過調(diào)用API函數(shù)，編寫PC的應(yīng)用程序。這樣即可實現(xiàn)PC機對DSP(TMS320VC5402)指紋取像系統(tǒng)的控制以及圖像的傳輸。主要使用的API函數(shù)是DeviceIOControl()、ReadFile()、WriteFile()。其中DeviceIOControl()用于PC(主機)向DSP圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請求；ReadFile()和WriteFile()分別用于從圖像采集系統(tǒng)讀出數(shù)據(jù)以及向圖像采集系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)。在設(shè)計過程中必須注意的問題是：由于USB接口是主從方式的接口，其一切傳輸過程都必須通過主機向外設(shè)發(fā)送請求后才可以開始，所以在使用ReadFile()、WriteFile()讀寫數(shù)據(jù)前，必須先通過DeviceIOControl()向圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請求。
3．3 指紋識別流程
系統(tǒng)上電時，TMS320VC5402通過12C總線操作對OV6620進行設(shè)置，然后進入指紋圖像采集階段。在該階段，TMS320VC5402處于空閑狀態(tài)，CPLD占用數(shù)據(jù)總線，
將數(shù)據(jù)直接存儲到圖像RAM中。采集完一幀指紋圖像后由CPLD發(fā)握手信號，通知DSP進人數(shù)據(jù)處理階段。在該階段，TMS320VC5402先將圖像RAM中的數(shù)據(jù)分塊搬運到用戶RAM中，進行圖像預(yù)處理、特征點提取等運算，最后通過USB將結(jié)果輸出給上位機。上位機調(diào)出指紋數(shù)據(jù)庫，并將提取的結(jié)果與指紋特征庫中的數(shù)據(jù)進行比對，從而與庫中特征指紋進行指紋匹配識別。
DSP算法具體如下：(1)預(yù)濾波。方向濾波：設(shè)計了一個水平模板，然后將水平模板旋轉(zhuǎn)到所需增強的方向進行濾波。(2)二值化。背景分離：采用標準差閾值跟蹤法，圖像的指紋部分由黑白相間的紋理組成，灰度變化很大，具有較大的標準差，而背景部分灰度分布比較平坦，標準差小。因此計算以各點為中心的一組像素的標準差，當標準差大于某一門限時，就可以確定該點為前景，否則為背景。(3)計算方向圖：采用基于法線向量的方法，其中還涉及到方向場的平滑銳化。(4)特征點提取：采用了脊線跟蹤法，其基本思想是直接對圖像進行脊線跟蹤，在跟蹤過程中檢測特征點。
整個軟件流程如圖3所示。
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