一種基于CMOS圖像傳感器和USB的指紋識(shí)別儀
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引 言
CMOS圖像傳感器是近年來得到快速發(fā)展的一種新型固態(tài)圖像傳感器。它將圖像傳感部分和控制電路高度集成在同一芯片里，體積明顯減小、功耗也大大降低，滿足了對(duì)高度小型化、低功耗成像系統(tǒng)的要求。與傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器還具有集成度高、控制簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此隨著CMOS集成電路工藝的不斷進(jìn)步和完善，CMOS圖像傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種通用圖像采集系統(tǒng)中。同時(shí)作為一種PC機(jī)與外圍設(shè)備間的高速通信接口，USB 具有許多突出的有點(diǎn)： 連接簡(jiǎn)便，可熱插拔，無需定位及運(yùn)行安裝程序，無需連接外設(shè)時(shí)關(guān)機(jī)及重啟系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正的即插即用；高傳輸速率，USB 1.1協(xié)議支持12Mb/s;不占用系統(tǒng)硬件資源，能夠自動(dòng)檢測(cè)和配置外圍設(shè)備，不存在硬件沖突問題。
因此，利用CMOS數(shù)字圖像傳感器與USB接口數(shù)據(jù)傳輸來實(shí)現(xiàn)的指紋識(shí)別儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，便攜化等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)將介紹利用OMniVision公司的CMOS彩色數(shù)字圖像傳感器OV762M和cypress公司的EZ-USB AN2131QC USB控制傳輸芯片（內(nèi)部集成了增強(qiáng)形51內(nèi)核）來實(shí)現(xiàn)指紋信息的采集和USB傳輸，同時(shí)由于指紋傳感器輸出數(shù)據(jù)的速率（27MB/s）與USB控制器（AN2131QC）數(shù)據(jù)傳輸速率（12Mb/s）的不匹配，故系統(tǒng)采用了SRAM和CPLD構(gòu)成中間高速緩沖區(qū)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
應(yīng)用AN2131QC、CPLD和OV762M設(shè)計(jì)的指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示：
圖1 指紋識(shí)別硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)略框架圖
首先，AN2131QC通過I2C對(duì)指紋識(shí)別傳感器（OV7620）的窗口設(shè)置等參數(shù)進(jìn)行配置，光學(xué)透鏡把像成在OV762M的像面上后，CMOS圖像傳感器（OV7620）對(duì)其進(jìn)行空間采樣，并按照一定的幀頻連續(xù)輸出8位的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)Y[7∶M]（輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的幀同步信號(hào)為VSYNC,水平有效信號(hào)為HREF,輸出時(shí)鐘信號(hào)為PCLK）。為了實(shí)現(xiàn)指紋傳感器輸出數(shù)據(jù)與USB控制器（AN2131QC）讀取數(shù)據(jù)速度與時(shí)序的匹配，使用了SRAM（IS61C1024）和CPLD構(gòu)成高速緩沖區(qū)，利用此高速緩沖區(qū)將OV762M采集的指紋數(shù)據(jù)緩存。最后AN2131QC實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的USB通信，將高速緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行相應(yīng)圖像處理。
CMOS數(shù)字圖像傳感器OV7620
CMOS數(shù)字圖像傳感器OV762M集成了一個(gè)664×492 的感光陣列、幀（行）控制電路、視頻時(shí)序產(chǎn)生電路、模擬信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)輸出電路及寄存器I2C編程接口。感光陣列得到原始的彩色圖像信號(hào)后，模擬處理電路完成諸如顏色分離與均衡、增益控制、gamMA校正、白電平調(diào)整等主要的信號(hào)處理工作，最后可根據(jù)需要輸出多種標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)。視頻時(shí)序產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生行同步、場(chǎng)同步、混合視頻同步等多種同步信號(hào)和像素時(shí)鐘等多種內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，外部控制器可通過I2C總線接口設(shè)置或讀取OV762M的工作狀態(tài)、工作方式以及數(shù)據(jù)的輸出格式等。
AN2131QC通過I2C總線接口設(shè)定OV762M的寄存器來控制輸出幀率在0.5幀/s~3M幀/s之間變化，輸出窗口在4×2~664×492 之間可調(diào)（默認(rèn)輸出640×48M的標(biāo)準(zhǔn)VGA格式），設(shè)置黑白平衡等。根據(jù)指紋采集的需要，窗口輸出設(shè)置為： 320×288,經(jīng)過設(shè)定后的OV762M輸出時(shí)序如圖2 所示：
圖2 0V762M輸出時(shí)序
VSYNC是垂直場(chǎng)同步信號(hào)（也是每幀同步信號(hào)，CMOS是按列采集圖像的），其下降沿表示一幀圖像的開始，HREF 提供了一種有效的控制方式，當(dāng)輸出像素行列分別處于設(shè)定窗口之間時(shí)HREF 為有效高電平，此時(shí)輸出有效的視頻數(shù)據(jù)，PCLK是輸出數(shù)據(jù)同步信號(hào)，上升沿輸出一個(gè)有效的像素Y[7∶M].
基于CPLD技術(shù)的高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)
在由CPLD和SRAM構(gòu)成的高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，CPLD充當(dāng)了SRAM的控制器，其內(nèi)部電路實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示：
圖3 SRAM高速緩沖區(qū)控制器的CPLD實(shí)現(xiàn)
圖3中ram_rd,raM_wr為輸出到SRAM的讀寫信號(hào)線，raM_data,ram_addr為SRAM的數(shù)據(jù)地址總線；latch_f為SRAM的讀寫允許信號(hào)，當(dāng)為高電平時(shí)允許對(duì)SRAM寫操作，為低電平時(shí)允許對(duì)SRAM讀操作；兩個(gè)8路三態(tài)門用于隔離總線，當(dāng)對(duì)SRAM寫時(shí)，輸出cpu_datA為高阻態(tài)，當(dāng)對(duì)SRAM讀時(shí)，將采集數(shù)據(jù)信號(hào)Y [7∶M]隔離；cpu_rds,vsync為開始讀寫信號(hào)，單個(gè)正脈沖將SRAM地址置0;cpu_rD作為SRAM快速讀脈沖，pclk為SRAM寫脈沖；irq為寫滿標(biāo)志，用于向上提供中斷標(biāo)志；地址發(fā)生器用于產(chǎn)生SRAM地址（IS61C1024有17根地址線）。
圖4 CPLD實(shí)現(xiàn)的仿真波形
由圖3中邏輯知道，當(dāng)允許對(duì)SRAM寫（latch_f=1）且采集的數(shù)據(jù)有效（href=1）時(shí)，pclk脈沖通過地址發(fā)生器產(chǎn)生地址（sync單個(gè)正脈沖將SRAM地址復(fù)位到0），將采集的數(shù)據(jù)Y[7∶M]寫入SRAM中，當(dāng)寫滿（寫完一幀的32M像素×288像素）時(shí)，irq信號(hào)有效，通過中斷將latch_f置低允許將SRAM數(shù)據(jù)讀出（cpu_rds單個(gè)正脈沖將SRAM地址復(fù)位到0），此后cpu_rD通過地址發(fā)生器產(chǎn)生地址將SRAM中數(shù)據(jù)讀出到USB緩沖區(qū)。上述邏輯仿真波形如圖4 所示（由于數(shù)據(jù)線和地址線較多，故只取其中部分信號(hào)時(shí)序，cpu_datA為X 表示其值根據(jù)SRAM數(shù)據(jù)總線上具體值而定），由圖4 可知，CPLD實(shí)現(xiàn)了對(duì)SRAM的控制，與SRAM一起組成了高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
USB 快速批量傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)
USB 控制接口芯片AN2131QC特性簡(jiǎn)介
AN2131QC是基于USB 1.1協(xié)議設(shè)計(jì)的，支持高速12Mb/s的傳輸速率，內(nèi)嵌有增強(qiáng)型8051微控制器、8kB的RAM和一個(gè)智能USB內(nèi)核的收發(fā)器，它包含一個(gè)I2C總線控制器和3個(gè)8位多功能I/O口，有8位數(shù)據(jù)總線和16位地址總線用于外部RAM擴(kuò)展。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 AN2131QC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
AN2131QC內(nèi)部的USB差分收發(fā)器連接到USB總線的D+和D-上。串行接口引擎（SIE）對(duì)USB總線上串行數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和譯碼（即實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議的打包和解包工作），同時(shí)執(zhí)行錯(cuò)誤糾正、位填充及其它USB需要的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，這種機(jī)制大大減輕了8051的工作，簡(jiǎn)化了固件的編程。內(nèi)核微處理器是一個(gè)增強(qiáng)型8051,其指令周期為4 個(gè)時(shí)鐘周期并具有雙DPTR指針，同時(shí)指令與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容。它使用內(nèi)部RAM存儲(chǔ)固件程序和數(shù)據(jù)，上電后，主機(jī)通過USB總線將固件程序和外設(shè)特性描述符下載到內(nèi)部RAM（也可以直接從板上E2PROM上讀?。?，然后重連接，按照下載的特性描速符進(jìn)行重枚舉，這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)軟件USB快速批量傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。
當(dāng)采集的指紋數(shù)據(jù)導(dǎo)入了由SRAM和CPLD構(gòu)成的高速數(shù)據(jù)緩沖緩沖區(qū)后，要通過USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位PC機(jī)，AN2131QC必須先將數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部USB緩沖區(qū)，因此，AN2131QC將數(shù)據(jù)傳到內(nèi)部USB緩沖的速度將是整個(gè)USB數(shù)據(jù)傳輸速度快慢的關(guān)鍵。為了使USB數(shù)據(jù)傳輸（從外部讀入數(shù)據(jù)并將之傳到PC機(jī)）達(dá)到最快，需要采用很多措施，下面就設(shè)計(jì)指紋識(shí)別儀固件（AN2131QC程序）中采用的USB批量傳輸進(jìn)行探討。
正常情況下，AN2131QC內(nèi)核結(jié)構(gòu)從外部讀入數(shù)據(jù)到USB的端點(diǎn)緩沖區(qū)，要使用的匯編程序?yàn)椋?/FONT>
movx a,@dptr;讀外部數(shù)據(jù)到acc寄存器incdptr;外部地址加1
incdps;切換DPTR指針（內(nèi)核有雙DPTR指針，用dps進(jìn)行切換）
movx @dptr,a;將acc內(nèi)容放入U(xiǎn)SB緩沖區(qū)
incdptr;USB緩沖區(qū)地址加1
incdps;切換DPTR指針
由上述程序可知，數(shù)據(jù)在寄存器中完成操作后，都必須有一個(gè)“incdptr”和“incdps”指令來完成16位地址的增加和緩沖區(qū)指針切換。為了消除這種內(nèi)部消耗，使用AN2131QC提供的一種特殊的硬件指針即自動(dòng)指針（只用于內(nèi)部緩沖區(qū)），8051裝載USB緩沖區(qū)地址到兩個(gè)AUTOPTRH （高字節(jié)地址）和AUTOPTRL（低字節(jié)地址）寄存器中，向AUTODATA寫入的數(shù)據(jù)就直接存入由AUTOPTR/H2L指向的地址緩沖區(qū)中，并且內(nèi)核自動(dòng)增加AUTOPTR/H2L中16位地址的值。這樣USB緩沖區(qū)可以像FIFO一樣來順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，節(jié)省了每次寫內(nèi)部USB緩沖區(qū)時(shí)的“incdptr”指令。同時(shí)內(nèi)核還提供一種快速模式（只用于對(duì)外部數(shù)據(jù)操作），此模式從外部讀數(shù)據(jù)“movx a,@dptr”時(shí)，直接將外部數(shù)據(jù)總線和內(nèi)部緩沖區(qū)連在一起，由于使用CPLD和SRAM構(gòu)成的指紋高速緩沖區(qū)具有FIFO的性質(zhì)，所以使用快速模式讀外部指紋數(shù)據(jù)時(shí)也節(jié)省了“incdptr”指令。將上述兩種方式結(jié)合起來，讀外部數(shù)據(jù)到內(nèi)部緩沖區(qū)程序就只需要一條指令：movx @dptr,A（dptR存放AUTODATA寄存器地址），此指令需要兩個(gè)8051機(jī)器周期（8個(gè)24MHz時(shí)鐘周期）。這樣，一個(gè)字節(jié)可以在333ns內(nèi)讀入到USB端點(diǎn)緩沖區(qū)。
在USB接口數(shù)據(jù)傳輸一側(cè)，當(dāng)PC機(jī)要對(duì)一特定端點(diǎn)進(jìn)行讀數(shù)據(jù)并發(fā)送IN令牌，如果一個(gè)IN令牌到達(dá)時(shí)8051還沒有完成向USB端點(diǎn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)裝載（讀外部數(shù)據(jù)），AN2131QC就發(fā)送一個(gè)NAK握手信號(hào)來響應(yīng)IN令牌，表明PC機(jī)應(yīng)該在稍后再發(fā)送一個(gè)IN令牌。為了解決這種等待從而達(dá)到最快的傳輸速度，可以使用雙緩沖技術(shù)（端點(diǎn)配對(duì)），使8051在前一個(gè)數(shù)據(jù)包在USB總線上傳輸?shù)臅r(shí)候，裝載塊數(shù)據(jù)的下一個(gè)數(shù)據(jù)包。
結(jié) 論
利用CMOS數(shù)字圖像傳感器OV762M和USB控制器AN2131QC實(shí)現(xiàn)的指紋儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，使用方便。指紋識(shí)別系統(tǒng)中使用CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速緩沖，解決了速度時(shí)序匹配問題；使用了快速批量USB傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸，使指紋數(shù)據(jù)的傳輸達(dá)到最高速（每幀傳輸只用80Ms）。使用現(xiàn)論述的方法實(shí)現(xiàn)的指紋儀采集的指紋數(shù)據(jù)經(jīng)PC機(jī)重現(xiàn)后效果如圖6所示（左圖是未經(jīng)任何處理的重現(xiàn)，右圖是經(jīng)過平滑、細(xì)化等算法處理后的重現(xiàn)）。
圖6 采集指紋重現(xiàn)效果（處理前后）
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