基于智能互聯(lián)網(wǎng)芯片AT75C220和傳感器實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用方案

指紋識(shí)別技術(shù)近年來(lái)逐漸成熟，在門(mén)禁、安防和金融等方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。典型的指紋識(shí)別系統(tǒng)是以指紋傳感器和DSP處理器為核心構(gòu)成。指紋傳感器采集指紋圖像，DSP處理器實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別算法。同時(shí)，通常的指紋識(shí)別系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的通信能力，除了具有RS485通信外，高檔的指紋識(shí)別系統(tǒng)還要求具有以太網(wǎng)接口和Internet連接能力。Atmel公司新推出的智能互聯(lián)網(wǎng)芯片AT75C220集成了ARM內(nèi)核、DSP協(xié)處理器以及以太網(wǎng)MAC接 口，用AT75C220和指紋傳感器結(jié)合可構(gòu)成高性能的指紋識(shí)別系統(tǒng)。

1 AT75C220主要特點(diǎn)

AT75C220是定位于智能互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高性能ARM處理器，采用ARM7TDMI微處理器核，具有OadDSP核，強(qiáng)大的外設(shè)（如中斷控制器和外設(shè)數(shù)據(jù)控制器），其DMA通道增強(qiáng)了微控制器的實(shí)時(shí)性能。主要特點(diǎn)有：

集成ARM7TDMI ARM Thumb處理器核

一個(gè)16b定點(diǎn)DSP核

雙以太網(wǎng)10／100Mb／s MAC接口

88kB的完整快速RAM（支持DMA方式）

多媒體數(shù)字信號(hào)編解碼器（CODEC接口）

集成SDRAM控制器

這樣，AT75C220就很適合于需要圖像處理功能并具有互聯(lián)網(wǎng)通信能力的設(shè)備，比如高性能的指紋識(shí)別設(shè)備和VoIP應(yīng)用等。單芯片集成多種功能可以降低成本，提高系統(tǒng)可靠性。同時(shí)，該芯片完備的開(kāi)發(fā)軟件支持（包括LINUX操作系統(tǒng)和DSP算法程序支持等）也有利于減少產(chǎn)品上市時(shí)間。

2 芯片結(jié)構(gòu)

AT75C220主要由運(yùn)行速度達(dá)40 MI／s的基于ARM7TDMI的RISC處理器、運(yùn)行速度為60MI／s的DSP處理器和雙以太網(wǎng)10／100Mb／s的MAC接口組成。其內(nèi)部機(jī)構(gòu)如圖1所示。

AT75C220包含2種不同的總線ASB和APB，ASB用于連接ARM核、DSP核等核心模塊，而APB總線則連接串行通信接口、通用I／O口等，兩總線之間用AMBA總線橋連接。

ARMTTDMI微處理器是一個(gè)高性能的嵌入式CPU，他功耗低，運(yùn)算速度快，內(nèi)含Thumb指令解碼器，可支持16b指令，同時(shí)支持調(diào)試和快速乘法等功能，并可通過(guò)模塊互交總線與其他功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

ARMTTDMI（Thumb） 是公司授權(quán)用戶最多的一項(xiàng)產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴(kuò)展組合在一起，以減少內(nèi)存容量和系統(tǒng)成本。同時(shí)，他還利用嵌入式ICE調(diào)試技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng) 設(shè)計(jì)，并用一個(gè)DSP增強(qiáng)擴(kuò)展來(lái)改進(jìn)性能。選擇基于ARM核的產(chǎn)品的另一個(gè)理由是，ARM公司的處理器核心得到了大量廠家的支持，便于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和升級(jí)換 代。

同其他集成DSP核的芯片相比，AT75C220的DSP子系統(tǒng)資源是相當(dāng)豐富的，如圖2所示，除包含一個(gè)60MI／s，16b定點(diǎn)DSP內(nèi)核外，還具有不 同用途的RAM：2kB×l6X-RAM，2kB×l6Y-RAM，16kBXl6通用數(shù)據(jù)RAM，24 kB×l6可下載程序RAM，一個(gè)256×16 雙端口的RAM郵箱用于MCU-DSP通信。完整的CODEC接口允許大量的工業(yè)聲音、多媒體或數(shù)據(jù)的連接。

芯片集成的以太網(wǎng)接口包括了2個(gè)獨(dú)立的10／100Mb／s以太網(wǎng)MAC接口和一個(gè)32kB的數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)。雙端口MAC的設(shè)計(jì)使設(shè)備嵌入到現(xiàn)有的以太網(wǎng)中 而不需要另外的電纜，由于2個(gè)MAC接口之間用局部總線連接，大量的數(shù)據(jù)包可以不受延遲地從一個(gè)MAC傳送到另一個(gè)MAC，其間無(wú)需軟件的參與。數(shù)據(jù)包緩 沖區(qū)由MAC接口通過(guò)DMA的方式操作，用于臨時(shí)保存接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)包，在大多數(shù)情況下可以滿足較大的通信量。

3 指紋識(shí)別算法

指 紋自動(dòng)識(shí)別作為一個(gè)有較大難度的模式識(shí)別研究分支，其研究難點(diǎn)主要集中在如何對(duì)采集進(jìn)來(lái)的各種有噪聲圖像進(jìn)行濾波和增強(qiáng)、如何抽取指紋的全局和局部特征以 及如何進(jìn)行在圖像不能完全定位和圖像可能發(fā)生扭曲變形情況下的特征匹配上。一般可以分為以下幾個(gè)步驟，如圖3所示，指紋識(shí)別算法流程主要包括灰度濾波、二 值化、二值濾波、細(xì)化、細(xì)化后的去噪等步驟，最后進(jìn)行特征提取和匹配。

本系統(tǒng)的指紋識(shí)別算法的灰度濾波采用基于塊方圖的方向?yàn)V波，接著進(jìn)行二值化并細(xì)化指紋圖像，在二值化和細(xì)化的過(guò)程中進(jìn)一步去噪聲，消除導(dǎo)致錯(cuò)誤的特征點(diǎn)的可 能性。用模板匹配的方法分別獲取指紋的特征點(diǎn)，如端點(diǎn)、叉點(diǎn)等。指紋匹配采用基于中心點(diǎn)的匹配算法。通過(guò)在PC機(jī)上驗(yàn)證，該算法可以達(dá)到較好的效果。

4 指紋識(shí)別系統(tǒng)

指 紋識(shí)別系統(tǒng)一般由指紋傳感器、DSP處理器和外圍電路組成，為增加系統(tǒng)的處理能力，系統(tǒng)中往往還包括另外的處理器管理諸如通信、人機(jī)接口、指紋數(shù)據(jù)庫(kù)等。 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，電容式的指紋傳感器FPSll0采集指紋圖像并交由AT75C220內(nèi)部的DSP協(xié)處理器進(jìn)行指紋識(shí)別，完成圖像的預(yù)處理、提取指 紋特征碼，并同指紋庫(kù)中的指紋特征進(jìn)行匹配，給出判別結(jié)果。ARM核運(yùn)行于LINUX操作系統(tǒng)之上，實(shí)現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議棧，由于指紋識(shí)別器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 對(duì)實(shí)時(shí)性和吞吐率要求并不高，但是要求可靠性和保密性比較高，所以傳輸層協(xié)議選擇TCP協(xié)議，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了加密。ARM處理器上還包括了人機(jī)接口 和控制輸出，控制輸出用于對(duì)電子門(mén)鎖進(jìn)行控制。另外，ARM軟件還包括門(mén)禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)中的一些專有控制模塊，比如門(mén)禁權(quán)限管理、考勤數(shù)據(jù)庫(kù)管理等

5 算法的移植

指紋識(shí)別算法開(kāi)始時(shí)在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)，需要移植到AT75C220的DSP子系統(tǒng)中。如果直接用C語(yǔ)言移植，難以發(fā)揮DSP的實(shí)際處理能力，執(zhí)行效率相當(dāng)?shù)汀?關(guān)鍵的算法模塊用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)后，指紋的采集、圖像預(yù)處理和匹配可以在1s中完成，算法效率和識(shí)別率與PC機(jī)上計(jì)算相當(dāng)，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

由于硬件采用集成多功能的AT75C220構(gòu)成系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了小型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的要求。實(shí)踐證明，采用這種結(jié)構(gòu)的設(shè)備處理能力得到了提高，代表了未來(lái)門(mén)禁系統(tǒng)發(fā)展的方向。

硬件功能的集成使主要的設(shè)計(jì)工作集中在軟件設(shè)計(jì)上，如何進(jìn)一步提高識(shí)別率，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的完善，數(shù)據(jù)的保密性傳輸是今后設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

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