1、收稿日期:2003-08-11.光電技術應用USB 型指紋采集儀的設計與實現佟雨兵,張其善(北京航空航天大學電子工程系,北京100083摘要:介紹了一種新型C MOS 指紋傳感芯片FPS200的性能、結構及工作原理,實現了基于FPS200芯片的US B 型指紋采集儀的設計,并對設計中要注意的問題進行了具體說明。該采集儀具有自動檢測指紋、上傳圖像快、結構簡單和使用方便等特點。關鍵詞:指紋自動識別系統;FPS200;US B 中圖分類號:TP391.41文獻標識碼:A 文章編號:1001-5868(200401-0076-03Design and R ealization of USB Finge

2、rprint C apturing SetT ONG Y u 2bing ,ZH ANG Qi 2shan(Dept.of E lectronic E ngineering ,B eijing U niversity of Aeronautics and Astronautics ,B eijing 100083,CHN Abstract :Features of a new C MOS fingerprint sens or chip -FPS200is introduced as well as its structure and operation.The set based on FP

3、S200is used to capture fingerprint image and transmit the image with high speed.S ome special issues during the design are discussed in detail.The set can automatically detect fingerprint and can be used easily with its sam ple structure.K ey w ords :automatic fingerprint identification system ;FPS2

4、00;US B (universal serial bus 1引言基于人體指紋、面相、聲音和虹膜等生物特征的身份識別是模式識別領域中的一個重要研究方向。當前研究和應用較多的是基于指紋的身份認證與識別。指紋圖像的獲取是指紋識別系統中的重要部分,其性能嚴重影響系統的處理效果。除了極少情況采用掃描指紋捺印采集圖像外,大部分指紋圖像的獲取是利用指紋采集儀來實現的。目前,指紋采集儀主要有光學指紋采集儀、半導體型指紋采集儀和超聲波型指紋采集儀。其中,超聲波型指紋采集儀因價格原因應用較少;光學指紋采集儀體積較大,不易于嵌入,不具備指紋自動檢測功能,在強光下采集圖像效果差;半導體型指紋采集儀集成度高,易于嵌入

5、,已經逐步成為指紋采集的主流產品。李志敏等1曾介紹過采用FPS110芯片的指紋采集儀的設計,相比FPS110芯片而言,FPS200性價比更高,主要體現在以下幾個方面:(1芯片封裝未變,但厚度減少至1.4mm ;(2功耗更低并且不用單獨供電;(3具備指紋自動檢測功能;(4集成度更高,功能更強,支持多種接口,設計方法更簡單,所設計的指紋采集儀上傳圖像的速度更快。本文將介紹FPS200芯片的性能、結構及工作原理,給出基于該芯片的US B 型指紋采集儀的設計和實現的方法,并對設計中要注意的問題進行了詳細的說明。2FPS200的結構與性能2.1FPS200的結構FPS2002由美國Veridicom 公

6、司生產,是一種非光學C MOS 器件。與FPS110一樣,FPS200也是基于電容器充放電原理,傳感陣列與接觸傳感器的指紋之間形成電容陣列,電容陣列值描述了一幅指紋圖像。FPS200每一列有2組采樣保持電路。指紋采集按行實現,選定一行,對該行所有電容充電,用采樣保持電路保存電壓值;然后放電,用另一組采樣保持電路保存剩余電壓值。2組電壓值之差進行數字化即可表示該行的指紋圖像。FPS200的傳感陣列為256×300,傳感面積為1.28cm ×1.5cm ,分辨率為500dpi ,操作電壓為3.35V ,內部集成8位A/D ,結構框圖如圖1所示 。圖1FPS200結構框圖FPS2

7、00有19個功能寄存器(Function Register ,采用變址尋址方式進行訪問。如圖1所示,可以通過變址寄存器(Index Register 選擇功能寄存器,通過讀、寫數據寄存器(Data Register 獲取和改變寄存器的內容。FPS200有3種總線接口模式:US B 接口模式、微處理器接口模式,串行外設接口模式(SPI ;3種模式用到的引腳以及寄存器的設置不同,本文采用US B 接口模式。FPS200內部嵌有US B 控制器,該模式主要用到DP 、DM 、EXTI NT 、XT A L1和XT A L2幾個引腳。但是,該模式必須注意VDD 和VDDA 端的電壓要在3.33.6V

8、之間。2.2FPS200的性能特點與FPS110相比,FPS200主要有以下幾個方面的性能特點:(1支持多接口模式。FPS200有3種接口模式,使芯片的應用設計更靈活。芯片集成US B 控制器,大大減少了US B 電路設計的工作量,同時US B 接口協議將支持更高的數據傳輸率(US B2.0下,數據最大傳輸速率為12Mb/s ;(2自動指紋檢測功能(Automatic Finger Detection ,AFD 。FPS200可以自動檢測手指是否放到傳感器上,如果有,則進入工作狀態;否則,進入睡眠狀態。這種設計不采用輪詢檢測指紋,提高了芯片工作的效率;(3FPS200內部包括一個新的二階的A/

9、D 轉換器,功耗降低75%;(4FPS200傳感單元間的距離變小,提高了傳感陣列的機械強度。3采集儀設計與實現US B 型指紋采集儀的設計主要包括硬件設計和US B 軟件嵌入的接口設計兩部分。3.1硬件設計由于FPS200芯片內部集成了US B 控制電路,基于該芯片的聯機型指紋采集儀硬件設計比FPS110簡單。指紋采集儀的電路原理框圖如下(部分引腳電路未標出 :圖2指紋采集儀電路原理框圖指紋采集儀的硬件設計過程中,要注意以下兩個問題:(1FPS200工作電壓問題。US B 型指紋采集儀由PC 機US B 口供電,但是FPS200工作在3.33.6V ,接到PC 機US B 口之前需要進行電壓的

10、調節。本文采用MAX1625芯片實現這一功能,輸入電壓為4.55V ,芯片輸出電壓為3.3V ,圖2中B 點的電壓值為3.3V 。(2其他引腳的處理問題。FPS200芯片主要是通過MODE1和MODE0兩個引腳來實現接口模式的選擇。US B 接口模式下,微處理器接口模式和SPI 將予以屏蔽。此時,如圖2所示,MODE 1:0=10b ,采用FPS200內部ROM ;其他部分引腳CS O 、CS1、MOSI 和MOS O 被屏蔽,引腳電路懸空;XT A L1與XT A L2之間接12MH z 晶體電路,FPS200內部的多頻振蕩器不工作。3.2軟件嵌入的接口設計問題(1US B 驅動和部分寄存器

11、的設置。FPS200芯片內嵌US B 控制器并已提供US B 的驅動程序。與US B 接口模式相對應,FPS200內部的寄存器需要進行相應的設置。CTR LA ,CTR LB ,CTR LC 為3個控制寄存器,CTR LC 主要用于控制P0和P1口的輸出;在77半導體光電2004年第25卷第1期佟雨兵等:US B 型指紋采集儀的設計與實現US B 接口模式下,CTR LB 的第7和6位為MODE1、MODE0引腳的狀態值;設置CTR LB 3為1,啟動指紋自動檢測功能;通過給CTR LA 寄存器單元賦值,可以實現圖像采集的初始化,讀A/D 轉換獲得圖像數據,CTR LA 的bit2、bit1和

12、bit03個寄存器單元分別對應著3種圖像采集方式即局域圖像采集、全圖采集和選擇行采集,但是3個寄存器單元中有且必須只有1位為1;(2采集儀與AFIS 應用系統的接口設計。US B 型指紋采集儀軟件接口設計流程如圖3所示。采集儀由PC 機US B 口供電,通過判斷指紋自動檢測電路是否是發出中斷信號來檢測是否有手指放到采集儀上。采集儀初始化主要包括設備的I D 、采集圖像的高度、寬度及灰度、傳感芯片的工作模式及句柄,可以通過指令或命令函數實現初始化操作,如采集圖像的高度、寬度及灰度可以通過getSens orG eometry (handle ,&rows ,&cols ,&

13、;grays 實現。充放電電流以及充放電時間是影響FPS200靈敏性的兩個參數,以下是對其進行調節的部分程序,n =setDischargeCurrent (handle ,40;if (n <0printf (”C ouldn t set discharge current.n ”;closeSens or (handle ;return (-10;n =setDischargeT ime (handle ,3;if (n <0printf (”C ouldn t set discharge time.n ”;closeSens or (handle ;return (-12;返

14、回數值:-10和-12是程序運行的錯誤代碼,在程序調試中,兩個函數的參數可以隨時調節。本采集儀在US B 接口模式下,采用G et Whole Image 獲取圖像的方式。因此,設置寄存器CTR LA 1=1,FPS200把暫存圖像起始行列值的寄存器都置零,按行進行指紋采集并啟動A/D 轉換,直到完成第299行,第255列的像素轉換。根據AFIS 系統的指紋圖像質量判斷程序確定是否需要重新采集指紋圖像,到這一步,已經完成了軟件接口的嵌入。此時,采集儀已經作為AFIS 系統的采集前端而嵌入到應用系統中了 。圖3US B 型采集儀軟件設計流程圖4結束語目前,基于FPS200的US B 型指紋采集儀已經用于本實驗室指紋識別數據庫的建立和面向網絡身份認證的指紋識別前端系統。該采集儀1s 內可以連續采集4幅單枚指紋圖像,采集的指紋圖像為256×300,256級灰度圖。理論上,利用US