新型指紋傳感器MBF200的特點(diǎn)及功能

1．引言

指紋識(shí)別技術(shù)是新近發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)。指紋識(shí)別是利用人體指紋的唯一性與不變性生理特征，將指紋作為人的一種“活的身份證”或一個(gè)隨身攜帶的特殊印章來(lái)進(jìn)行身份識(shí)別的一種技術(shù)。MBF200是富士通公司推出的一款固態(tài)指紋傳感器芯片，該芯片具有自動(dòng)指紋檢測(cè)功能，可支持多種接口模式，設(shè)計(jì)方便。本文詳細(xì)介紹了MBF200的特性，給出了其在USB總線接口模式下的電路實(shí)現(xiàn)方法，以及讀取所采集數(shù)據(jù)的軟件流程。該設(shè)計(jì)可用于便攜式指紋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能卡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)的安全進(jìn)入系統(tǒng)，以及其它安全訪問(wèn)控制系統(tǒng)。

2．MBF200的主要特點(diǎn)

MBF200具有高性能、低功耗和低成本等特點(diǎn)，屬于電容性傳感器。其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當(dāng)一個(gè)電容板，接觸的手指充當(dāng)?shù)诙€(gè)電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當(dāng)手指觸摸傳感器表面時(shí)，指紋的高低不平就會(huì)在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。其主要特點(diǎn)有： ●是采用標(biāo)準(zhǔn)COMS技術(shù)的電容性固態(tài)器件； ●具有500dpi的分辨率； ●傳感器面積為1.28cm%26;#215;1.50cm； ●傳感器陣列為256%26;#215;300點(diǎn)； ●具有自動(dòng)指紋檢測(cè)能力； ●內(nèi)含8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器； ●可提供三種總線接口形式； ●帶有8位微處理器總線接口； ●帶有全速USB接口和SPI接口； ●可提供3.3V～5V的工作電壓； ●5V工作電壓下的功耗小于70mW。

MBF200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中256%26;#215;300點(diǎn)傳感陣列用于產(chǎn)生感應(yīng)電壓；功能寄存器用于對(duì)芯片進(jìn)行操作控制；控制電路用于傳感器與外部接口電路的控制，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀出與寫(xiě)入；地址索引寄存器與數(shù)據(jù)寄存器分別用于對(duì)功能寄存器的地址選擇及數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)；采樣保持及AD轉(zhuǎn)換電路用于對(duì)傳感陣列所產(chǎn)生的電壓進(jìn)行采樣。另外，多頻振蕩電路用于為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。

3．器件功能

3.1 功能寄存器

MBF200是可編程的傳感器芯片，它所具有的強(qiáng)大功能是通過(guò)內(nèi)部寄存器設(shè)置完成的。表1所列是這些功能寄存器的地址和功能。在對(duì)這些寄存器進(jìn)行操作時(shí)，先向地址寄存器內(nèi)寫(xiě)入所要訪問(wèn)寄存器的地址，然后讀寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器即可。 表1 MBF200中的功能寄存器 地 址標(biāo) 識(shí)功 能 0x00 RAH 行地址高位 0x01 RAL 行地址低位 0x02 CAL 列地址低位 0x03 REH 行末地址低位 0x04 REL 行末地址低位 0x05 CEL 列末地址低位 0x06 DTR 放電時(shí)間寄存器 0x07 DCR 放電電流寄存器 0x08 CTRLA 控制寄存器A 0x09 LTRLB 控制寄存器B 0x0A CTRLC 控制寄存器C 0x0B SRA 狀態(tài)寄存器 0x0C PGC 可編程增益控制寄存器 0x0D ICR 中斷控制寄存器 0x0E ISR 中斷狀態(tài)寄存器 0x0F THR 門(mén)限寄存器 0x10 CIDH 芯片標(biāo)識(shí)高 0x11 CIDL 芯片標(biāo)識(shí)低 0x12 TST 測(cè)試模式寄存器由于列地址最大為256，所以，MBF200只有一個(gè)列開(kāi)始寄存器CAL和一個(gè)列結(jié)束寄存器CEL。另外，THR用于在自動(dòng)檢測(cè)指紋時(shí)設(shè)置門(mén)限電壓。PGC用于在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)設(shè)置放大器的增益。

3.2 MBF200的工作過(guò)程

MBF200的傳感器陣列由256列300行的傳感器單元組成。每一列有兩個(gè)采樣保持電路，每次捕獲一行指紋圖像數(shù)據(jù)。行捕獲分為兩個(gè)階段，第一階段，將電容板的被選行充電到3.3V或5V，在充電的同時(shí)，一個(gè)內(nèi)部信號(hào)使能一個(gè)采樣保持電路以采樣被選行的電容單元電壓；第二階段是傳感器板放電階段，放電快慢由放電電流寄存器決定。放電階段結(jié)束后，可由一個(gè)內(nèi)部信號(hào)使能另一個(gè)采樣保持電路去采樣電容單元的最后電壓，充電電壓與放電電壓之差就是所要測(cè)量的有用傳感信號(hào)電壓。行捕獲結(jié)束之后，接著對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，從而完成一次采樣。實(shí)際上，該芯片的靈敏度是由放電電流和放電時(shí)間寄存器來(lái)調(diào)節(jié)的。

3.3 MBF200的接口模式

MBF200支持三種接口形式和四種操作模式，這四種操作模式相互獨(dú)立，不能同時(shí)工作。其功能如表2所列。 表2 MBF200的操作模式 MODE［1，0］ 描 述 00 微處理器接口模式 01 SPI接口模式 10 USB模式，用內(nèi)部ROM 11 USB模式，用外部ROM 在微處理器接口模式中，可將MFB200與51系列8位單片機(jī)相連，且其接口形式非常簡(jiǎn)單。需要說(shuō)明的是，在該芯片中，地址選擇與數(shù)據(jù)寫(xiě)入是分兩步完成的，先通過(guò)A0置0來(lái)寫(xiě)地址索引寄存器，然后再對(duì)A0置1來(lái)讀寫(xiě)對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)寄存器。其操作真值表如表3所列。SPI是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行接口，它允許8位數(shù)據(jù)同時(shí)、同步地被發(fā)送和接收，而且只用到如下信號(hào)：SCLK、SCS、MOSI、MISO、EXINT。可將系統(tǒng)配置為SPI主操作（Master）與從操作（Slave），其接口形式與一般的串行外圍接口方式一致，故此不再贅述。 表3 微處理器接口讀寫(xiě)真值表 CS0 CS1 A0 RD WR 方 式數(shù)據(jù)線 H X X X X 無(wú)效高阻 X L X X X 無(wú)效高阻 L H X H H 任意高阻 L H L L H 讀地址寄存器輸出 L H L H L 寫(xiě)地址寄存器輸入 L H H L H 讀數(shù)據(jù)寄存器輸出 L H H H L 寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器輸入 USB接口有兩種模式：一種是用芯片內(nèi)部的ROM來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備信息，一種是用外部串行ROM來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備信息。

4 MBF200的應(yīng)用

4.1 MBF200與USB的接口

由于USB總線接口具有即插即用特性，而且目前應(yīng)用比較廣泛，所以本文設(shè)計(jì)了MBF200在USB模式下的接口電路（如圖2所示）。其中MODE分別置為1、0，采用12MHz晶振，AIN用于模擬信號(hào)輸入方式選擇，ISET用于設(shè)置內(nèi)部參考電流，F(xiàn)SET用于設(shè)置內(nèi)部多頻振蕩器及自動(dòng)指紋檢測(cè)速率。需要注意的是，在USB模式中，為芯片提供的電壓必需在3.3V～3.6V之間，由于該芯片的低功耗特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)中可以使用USB總線電源來(lái)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。 USB接口使用三個(gè)端點(diǎn)：其中端點(diǎn)0是控制端點(diǎn)，用來(lái)控制對(duì)功能寄存器的讀寫(xiě)；端點(diǎn)1是讀端點(diǎn)，用來(lái)讀取經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后的指紋圖像數(shù)據(jù)，它是以塊方式進(jìn)行讀取的，每次64個(gè)字節(jié)；端點(diǎn)是2是中斷端點(diǎn)，當(dāng)ISR（Interrupt Status Register）被置位時(shí)，由它向端點(diǎn)2發(fā)送中斷信號(hào)。

4.2 軟件控制流程

該傳感器有多種接口方式及多種圖像獲取形式，這些都是通過(guò)內(nèi)部功能寄存器的設(shè)置來(lái)完成的。 首先要對(duì)傳感器進(jìn)行初始化：主要是啟動(dòng)內(nèi)部ADC并對(duì)特殊功能寄存器CTRLB的第2位置位，以確定ADC后的地址是否自動(dòng)增加，同時(shí)設(shè)置芯片時(shí)鐘源并使能傳感器。其流程如圖3所示。 其次是調(diào)整參數(shù)，其流程如圖4所示，其中DTR是放電時(shí)間寄存器，DCR則是用來(lái)設(shè)置放電電流速率的寄存器，PGC是可編程增益控制寄存器，主要用來(lái)設(shè)置放大器的增益。 最后就是獲取指紋圖像數(shù)據(jù)，在該傳感器芯片中，共有三種指紋圖像數(shù)據(jù)獲取方式，分別為： （1）獲取子圖（GETSUB）方式。在CPU和SPI接口模式中，子圖的大小可以從任意位置開(kāi)始設(shè)置，甚至可以從一個(gè)像素點(diǎn)到整幅圖像；在USB接口模式中，子圖列的開(kāi)始必須是64的倍數(shù)。 （2）獲取整幅圖像（GETIMG）方式是把數(shù)據(jù)采集方式初始化為從行0列0到行299列255，以獲取整幅圖像數(shù)據(jù)。

（3）獲取行數(shù)據(jù)（GETROW）方式主要捕獲特定的幾行數(shù)據(jù)。 MBF200芯片內(nèi)部提供有6個(gè)寄存器，可用來(lái)設(shè)置圖像數(shù)據(jù)捕獲的位置。其中RAL是行地址低位，RAH是行地址高位，CAL是列地址，REL是行末地址低位，REH是行末地址高位，CEL是列末地址。 在USB接口方式下獲取整幅指紋圖像數(shù)據(jù)的流程如圖5所示。在USB模式中，數(shù)據(jù)是以塊為單位進(jìn)行傳輸?shù)?，每塊數(shù)據(jù)大小必須為64字節(jié)。 其它兩種接口方式的指紋圖像數(shù)據(jù)獲取流程基本相似，只是沒(méi)有數(shù)據(jù)塊的限制，它們可以讀取任意字節(jié)的指紋數(shù)據(jù)。

5 小結(jié)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)安全技術(shù)和身份認(rèn)證技術(shù)對(duì)于人們的工作與生活來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要。生物特征識(shí)別技術(shù)為信息社會(huì)日益迫切的安全需求提供了一個(gè)較好的解決方案。文中基于MBF200的指紋傳感器具有自動(dòng)指紋檢測(cè)功能，可支持多種接口模式，而且設(shè)計(jì)方便，故將得到廣泛的應(yīng)用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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