指紋，由于其具有終身不變性、唯一性和方便性，已幾乎成為生物特征識(shí)別的代名詞。在指紋識(shí)別應(yīng)用市場(chǎng)上智能手機(jī)上的指紋識(shí)別占了很大的比例，如今這項(xiàng)技術(shù)正方便著我們的生活。而本文介紹的是一款使用FPGA的指紋識(shí)別系統(tǒng)電路。
本設(shè)計(jì)選用具有高集成度、低功耗、短開(kāi)發(fā)周期的FPGA來(lái)完成此項(xiàng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的ASIC為研究背景，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)空間。 采用xilinx公司Spartan 3E系列FPGA作為核心控制器件，這款器件采用90ns的工藝，最大容量50萬(wàn)門(mén)，可支持32位的RISC處理器，具有128 Mbit 并行Flash，足以滿足設(shè)計(jì)的要求。該項(xiàng)目利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理，利用硬件實(shí)現(xiàn)識(shí)別算法，保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。
指紋采集模塊
本設(shè)計(jì)中采用的是富士通的MBF200指紋傳感器，MBF200硬件框圖如圖1所示，采用SPI模式，所以MBF200與FPGA只通MISO，MOSI，/S/C/S，SCLK四個(gè)端口相連接。 /S/C/S為MBF200的使能端，SCLK為MBF200的系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)需要采集指紋信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA向/S/C/S發(fā)送低電平，則MBF200開(kāi)始工作。FPGA通過(guò)MOSI向MBF200發(fā)送控制命令，控制MBF200的數(shù)據(jù)輸出方式及傳輸模式。VDD［3:1］為數(shù)字電源輸入，VDDA［2:1］為模擬電源輸入，VSS［3:1］為數(shù)字地，VSSA［2:1］為模擬地，所以如圖所接。而為了防止數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，用10歐電阻隔開(kāi)。并且數(shù)字電源輸入與相應(yīng)的數(shù)字地之間均接有電容用來(lái)閣除非直流信號(hào)。為了防止數(shù)字地與信號(hào)地之間的干擾，本設(shè)計(jì)采用0歐電阻隔離。0歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用（0歐電阻也有阻抗），這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。
圖1 MBF200硬件連接電路
MODE［1:0］引腳是用來(lái)設(shè)定MBF200所用接口模式的，在本設(shè)計(jì)中，置MODE［1:0］為01，選定SPI傳輸模式。 在SPI模式當(dāng)中，AIN，ISET，F(xiàn)EST三個(gè)接口都不會(huì)用上，但根據(jù)MBF200內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，最好接電阻與地相接。
指紋數(shù)據(jù)處理模塊
由于指紋數(shù)據(jù)處理涉及很多算法，運(yùn)算量大，所以本系統(tǒng)在Spartan－3E開(kāi)發(fā)板上嵌入一個(gè)Microblaze軟核來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，首先將SPI口傳輸進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)送人SDRAM進(jìn)行存儲(chǔ)，開(kāi)發(fā)板上帶有32M的SDRAM，完全可以存儲(chǔ)很多張指紋數(shù)據(jù)。在創(chuàng)建指紋數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，系統(tǒng)從SDRAM中取出數(shù)據(jù)，放入Microblaze進(jìn)行處理，再將處理后的指紋數(shù)據(jù)信息存入FLASH組建指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。在比對(duì)模式時(shí)，利用Microblaze進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)扔存入SDRAM，然后從FLASH和SDRAM分別提取指紋圖像特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出比對(duì)結(jié)果。
指紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
trataFlash與FPGA管腳連接圖如圖2所示。 CE［2:0］為strataFlash使能信號(hào)輸入端口當(dāng)只用一個(gè)片子時(shí)，CE［2:1］接地只用CE0控制。由于在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA與FLASH之間的數(shù)據(jù)傳輸D［0］與FPGA對(duì)MBF200的控制線MISO復(fù)用，所以從FLASH里取數(shù)據(jù)與控制MBF200產(chǎn)生沖突，時(shí)序不好控制，所以本設(shè)計(jì)中將會(huì)給BYTE#置高關(guān)閉A0，將strataFlash置于X16模式。 D［7:0］在寫(xiě)模式下，傳送控制命令在寫(xiě)CUI時(shí)，在緩沖器寫(xiě)和編程模式下。在讀模式下，D［7:0］發(fā)送CFI、數(shù)據(jù)陣列和標(biāo)志數(shù)據(jù)。狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)將不通過(guò)這8位傳輸。 VPEN是鎖定使能輸入，當(dāng)VPEN《VPRNLK時(shí)，內(nèi)存將不允許寫(xiě)入數(shù)據(jù)或者命令。
圖2 FLASH輸入存儲(chǔ)模塊硬件控制圖
本系統(tǒng)采用xilinx公司Spartan 3E系列FPGA作為核心控制芯片，通過(guò)富士通公司的MBF200指紋傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋圖象的采集，利用SPI接口傳輸?shù)紽PGA進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，利用內(nèi)嵌的MicroBlaze處理器對(duì)指紋圖象進(jìn)行灰度濾波、二值化、二值去噪、細(xì)化等預(yù)處理，得到清晰的指紋圖象，再?gòu)那逦闹讣y圖象中提取指紋特征點(diǎn)并存入指紋數(shù)據(jù)庫(kù)作為建檔模版。指紋比對(duì)時(shí)，采用同樣的方法，得到比對(duì)模版，然后將比對(duì)模版與建檔模版利用指紋識(shí)別算法進(jìn)行比對(duì)，得出比對(duì)結(jié)果。該項(xiàng)目利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理，利用硬件實(shí)現(xiàn)識(shí)別算法，保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。該識(shí)別系統(tǒng)可用于門(mén)禁、考勤、證件管理等很多方面，具有很廣泛的應(yīng)用前景。
編者結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)選用具有高集成度、低功耗、短開(kāi)發(fā)周期的FPGA來(lái)完成此項(xiàng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的ASIC為研究背景，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)空間。該項(xiàng)目利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理，利用硬件實(shí)現(xiàn)識(shí)別算法，保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。