電容式指紋傳感器FPC1011C的指紋識別系統

石懷彬,解梅

(電子科技大學 電子工程學院,成都 611731)

引 言

指紋識別系統是日常生活中常見的一種識別方式,其廣泛應用于門禁、考勤和其他安防領域。本指紋識別系統,采用雙供電方式,既可與電腦聯機使用,也可作為便攜式設備使用。作為便攜式時,大約可存儲300～500枚指紋,同時系統有著很高的識別率。

指紋識別系統應用范圍大、精度高、可以實時快速對指紋進行采集,注冊匹配,廣泛應用于安防領域中。

1 硬件設計

1.1 硬件架構框圖

本指紋識別系統是以TMS320VC5510A[1]為硬件平臺,配以 Flash、SDRAM 、指紋傳感器 FPC1011C[2]、LCD和鍵盤等外圍設備而成的嵌入式指紋識別系統。可以實現對指紋的識別、匹配、存儲等功能。系統采用雙電源設計保持系統隨時供電。具體結構框圖如圖1所示。

圖1 指紋識別系統框圖

1.2 指紋傳感器模塊

FPC1011C是瑞典FingerPrints公司成功推出的一種電容式面裝指紋傳感器,具有高圖像質量(363 dpi的分辨率)、高耐磨(高達100萬次)、高抗靜電(可達15 kV以上)、低功耗(3.3 V工作電壓下的功耗為50 mW)等特點,是一種全新的基于certus傳感器平臺的電容式指紋傳感器。其工作電壓為2.5 V或者3.3 V,傳感器還具有高速的SPI接口,8腳的軟排線可以方便地接入各種系統。

系統采用3.3 V電壓對指紋傳感器進行供電,把DSP的MCBSP2[3]接口配置為SPI主機模式與傳感器(SPI從機)進行通信。采集圖像大小為200×152像素,SPI時鐘頻率由MCBSP2的CLKX2提供,設置為1 MHz。硬件連接如圖2所示。

圖2 指紋傳感器FPC1011C框圖

1.3 電源模塊

電源模塊由兩部分構成,分別是電源電池自動轉換模塊和DC/DC電平轉換模塊。轉換模塊使系統在掉電的情況下可以自動轉到電池供電,使系統正常運行。DC/DC電平轉換為DSP外設提供3.3 V電壓,為內核提供1.6 V電壓。

自動電源切換電路采用凌特公司的 LTC4414[4],電路如圖3所示。LTC4414通過控制2個P溝道MOSFET,實現一種用于電源切換的近似理想二極管的功能,從而實現兩個電源的高效“或”操作。FDS6975是一款雙P溝道MOSFET芯片。

圖3 電源電池自動轉換電路

電平轉換使用 LM1085-3.3 V[5]和 LM1085-ADJ可調輸出電壓,輸出電壓VOUT=1.25×(1+R2/R1)。為產生1.6 V電壓,使R2=38.3Ω,R1=110Ω,電路如圖4所示。

圖4 LM1085-ADJ輸出1.6 V電壓

1.4 人機交互模塊

為方便操作和直觀顯示處理結果,系統安裝有鍵盤和LCD,可以實時進行操作和顯示。LCD采用的是FYD12864-0402B[6],其以ST 7920為驅動模塊,內嵌漢字庫,支持串口和并口數據傳輸。此處采用串口SPI協議傳輸,如圖5所示。

圖5 液晶顯示SPI協議時序

數據傳輸時,DSP被配置為SPI主模式,以MCBSP1與LCD通信。通信過程中,CS為 LCD的片選端,系統中直接接高電平,時鐘SCLK由DSP的CLKX1提供,SID連接MCBSP1的數據輸出口DX1。傳輸過程中要對數據進行打包,使其符合SID顯示的數據格式。其中 RW和RS為00時DSP向LCD寫指令,為01時寫數據。因此若向LCD發送數據“01h”,則實際數據為“FA0010”。時鐘頻率SCLK被設置為100 kHz,可滿足實時顯示的需要。

人機交互中的鍵盤由3個按鍵組成,分別對應3個硬件中斷(int0、int1、int2),來實現指紋采集、注冊和匹配功能。指紋采集后存入SDRAM,注冊時指紋采集2次,匹配成功后存入Flash。匹配時先采集指紋進入SDRAM,再提取Flash中的指紋進行匹配,成功后作其他動作。

2 軟件設計

在硬件架構上必須有相應的軟件設計才可以實現系統的功能。軟件設計是在DSP的開發環境CCS中進行的,運用了嵌入式操作系統DSP/BIOS[7],使開發更加方便快捷。在DSP/BIOS中,可方便地實現內存分配、中斷選擇、任務調度等功能。

本系統的任務調度主要以3個硬件中斷為觸發條件,來實現指紋采集、注冊和匹配功能,具體框圖如圖6所示。

圖6 系統中斷和任務框圖

采用SEM對系統任務進行調度,系統上電啟動后,任務處于掛起狀態,并一直輪詢,等待中斷觸發。啟動注冊中斷時必須在采集兩枚有效指紋數據成功的情況下觸發,否則會顯示注冊失敗。注冊中斷觸發后,對兩枚指紋進行匹配,如匹配成功則指紋特征數據寫入Flash,如果失敗則重新采集兩枚指紋進行注冊。這樣可以降低因為首次指紋采集不清晰,而產生的匹配不成功。指紋匹配中斷觸發前提是Flash中存有注冊的指紋,同時實時采集新的指紋成功。若匹配失敗,則必須重新采集指紋進行匹配。

指紋傳感器圖像采集程序如下:

3 總 結

本指紋采集系統可以完美地實現指紋的采集、注冊和匹配功能,其內部算法處理時間＜1 s,完全可以滿足實時工作的需要。用各手指進行試驗后,其平均FRR(False Rejection Rate)和 FAR(False Acceptance Rate)可達 2.83%和0.17%,完全可以滿足生活中的需要。

[1]Texas Instruments.TMS320VC5510/5510A Fixed-Point Digital Signal Processors[OL].http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tms320vc5510a.htm l.

[2]Fingerprints Cards.FPC1011C area Sensor Package Product Specification[OL].http://www.fingerprints.com/Downloads/Tech%20open%20area.aspx.

[3]Texas Instruments.TMS320VC5501/5502/5503/5507/5509/5510 DSP Multichannel Buffered Serial Port(McBSP)Reference Guide[OL].http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tms320vc5510a.html.

[4]Linear Technology.LTC4414-36V,Low Loss Powe Path Controller for Large PFETs[OL].http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1003,C1142,C1079,P12912.

[5]National semiconductor.LM1085 3A Low Dropout Positive Regulators[OL].http://www.national.com/mpf/LM/LM1085.html#Overview.

[6]成都飛宇達公司.FYD12864-0402B產品說明書[OL].http://www.cdfyd.com/product.html.