DSP指紋采集系統(tǒng)設計方案

在各種生物識別技術中，指紋識別技術是最成熟、準確和最易使用的。而指紋采集作為指紋識別系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)也越來越受到人們的重視，高質量的指紋采集技術已成為一個重要的研究課題。指紋圖像的采集是自動指紋識別系統(tǒng)（AFIS-Automation Fingerprint Identification System）的重要組成部分，采集到的指紋圖像的質量好壞，直接影響到后續(xù)的指紋圖像處理過程。高質量的指紋圖像可以大大簡化指紋圖像處理的算法，提高識別率，減小拒識率。
　　隨著新型半導體指紋采集傳感器件和DSP，CPLD技術的發(fā)展，自動指紋識別技術正向著小型化和嵌入式的方向發(fā)展。本文介紹的就是基于DSP的指紋采集系統(tǒng)。
　　本系統(tǒng)的原理
　　本系統(tǒng)中的指紋傳感器采用FPS200固態(tài)指紋芯片，其成像原理如圖1所示。由圖1可以看出，一個像素點上有一個金屬電極，手指皮膚是另一個電極，兩者之間形成了電容CP。手指皮膚上的脊（ridge）和谷（valley）將產(chǎn)生不同的CP。由于CP很小，無法直接測量，所以使用以下方法：先以一固定時間對CP充電（SW1關且SA2開），接著以一固定時間對CP放電（SW1開且SW2關），放出的電能將轉儲到Cc中。每一次充電放電周期中，由于充電電壓相同，充電時間相同，所以不同的CP值將導致CP存儲不同的電能。這些電能在CP放電時將轉儲到Cc中導致Cc電壓的增高。所以CP值的不同將導致一次充電放電周期結束后Cc電壓增高值的不同（成正比），最后將導致Cc電壓增高到參考電壓所需的充電放電周期次數(shù)的不同（成反比），這樣就可以通過充電放電周期次數(shù)來測量CP了。
　　
　　圖1 FPS200指紋成像原理
　　傳感器陣列包括256列×300行的傳感器電極，每一列都有兩個采樣—保持電路與之相聯(lián)系。采集一個指紋圖像時獲取一行數(shù)據(jù)，而此過程共有兩個階段。第一階段，傳感器電極中被選擇的行預充電到VDD電平，一個內部信號允許第一采樣—保持電路集合保存預充電行的電平。第二階段，行傳感器電極以一定電流放電，每個單元的放電率跟“放電電流”成比例。經(jīng)過一段時間（即“放電時間”）后，一個內部信號允許第二采樣——保持電路集合保存最終電極的電平。預充電與放電后的電極電平之間的差別在于傳感器電容量。行獲取結束后，就可以對行中的每個單元進行A/D轉換了。芯片的敏感度可以通過調整放電時間與放電電流來控制；電流源的參考值由外接于ISET和地之間的電阻來決定，其由放電電流寄存器（DCR）控制；放電時間由放電時間寄存器（DTR）控制。
　　當指紋中的凸起部分置于傳感電容像素電極上時，電容會有所增加，通過檢測增加的電容就能進行指紋采集。傳感器中的像素點大小為45μm2，間隔為50μm，像素陣列的分辨率略高于500dpi，基于一種標準的單一多晶硅三層金屬0.5μm CMOS工藝。
　　處于指紋的凸起下的像素（電容量高）放電較慢，而處于指紋的凹處下的像素（電容量低）放電較快。這種不同的放電率可通過采樣保持（S/H）電路檢測并轉換成一個8位數(shù)字量輸出，這種檢測方法對指紋凸起和低凹具有較高的敏感性，并可形成非常好的原始指紋圖像。指紋圖像依次進行逐行采集，每個金屬電極均作為電容的一個極，與之接觸的手指則是電容的另一個極。在器件表面有一層鈍化層，作為電容兩個電極間的電介質層。將手指置于傳感器上時，指紋上的凸起和凹進會在陣列上產(chǎn)生不同的電容值，并構成用于認證的一整幅圖像。
　　系統(tǒng)硬件設計
　　本系統(tǒng)的工作主要由以下部分構成：指紋圖像采集部分、程序與數(shù)據(jù)存儲部分、全局邏輯控制部分以及數(shù)據(jù)通信部分。
　　指紋圖像采集部分：系統(tǒng)利用軟件查詢方式來判斷是否進行指紋的采集。當進行指紋采集時，指紋傳感芯片按照設定的參數(shù)采集指紋并將模擬圖像轉換成數(shù)字圖像，然后在DSP的控制下將數(shù)據(jù)存儲在外部數(shù)據(jù)空間中，等待進行下一步的處理。