基于ARM的指纹采集仪的设计与实现

1 引言
    在个人身份识别领域，指纹识别作为目前最为成熟的生物识别技术之一，成为很多应用场合的首选。和PC环境相比，嵌入式系统有着体积小，功耗低的特点，由于功能相对专一，在稳定性，可靠性和安全性上有一定优势。所以现在嵌入式系统不仅应用在移动设备上，而且在固定场合的身份识别系统也被越来越多的采用。
    WinCE．Net嵌入式操作系统是微软公司推出的一种全新开发的操作系统，具备抢先式多任务功能以及强大的通讯能力，专门应用在信息设备，移动应用，消费类电子产品以及嵌入式应用等非PC领域，目前已经发展到5．0版本。本文涉及的指纹采集设备工作在以ARM920T为内核的嵌入式系统上。设计这套系统的目的是进行便携式指纹识别仪器应用研究，并提供一个指纹识别算法平台。

2 指纹采集系统的设计与实现
    系统采用嵌入式32位ARM器件S3C2440作为主控CPU，由指纹图像的采集模块，核心处理模块，RAM，EEP一ROM，外部存储器，LCD显示模块，接口模块7个部分组成。图l给出系统结构框图。

2．1 指纹采集模块

    现有的光学传感器的体积都较大，成像结果要经过变换才可以使用。该采集系统采用Veridicom公司的FPS200固体指纹识别传感器设计而成。FPs200是一种性能优越，功耗低，价格便宜的指纹识别传感器。由于其特殊的EDS保护，特别窄小的物理尺寸，以及独特的省电特性，使传感器尤其适合嵌入式系统使用。主要原理是，在指纹图像感知区域集成了二维金属电极阵列，每根电极充当电容一极，在传感器表面，二极之间有一层钝化层作为电容的介电层。由于指纹的脊和谷与传感器接触时会产生不同的电容值，测量这些不同的数值即形成图像。

    与同类产品相比，FPS200的性能特点如下：
    (1)支持多接口模式。FPS200有3种接口模式，8位的系统总线接口，集成全速的USB接口和集成的串行外设接口，使芯片的应用设计更加灵活。芯片集成USB控制器，大大减少了USB电路设计的工作量，同时USB接口协议支持更高的传输速率；
    (2)自动指纹检测功能。FPS200可自动检测手指是否放在传感器上，如果有，则进入工作状态；否则，进入睡眠状态。此设计不需轮询检测指纹，提高了芯片的丁作效率；
    (3)FPS200内部包括一个新的二阶的A／D转换器，功耗低(75％)；FPS200传感器单元间距变小，提高了传感器阵列的机械强度。
    系统采用USB接口模式，设计中请注意：①FPS200的工作电压是3.3~3．6 V，而USB的供电电压是5 V，所以要用电压转换芯片实施电压转换；②FPS200通过MODEl和MODEO 2个引脚来实现接口模式的选择。在USB接口模式下，将微处理器接口模式和SPI予以屏蔽。此时MODE[1：0]=l0b，采用FPS200内部ROM；其他部分引脚CS0,CSl，MOSI，MOSO被屏蔽，引脚悬空；XTAL1与XTAL2之间接12MHz晶体电路；FPS200内部的多频振荡器不工作。图2给出FPS200传感器和系统的连接电路。

2．2 数据处理与显示[page]

    系统微处理器模块采用ARM2440开发系统，该系统采用Samsung公司的ARM处理器S3C2440，由6层板设计。该开发系统在尽可能小的面板上(120mmx90mm)集成64MBSDRAM,64MB NAND Flash，lMB B00T Flash，RJ一45 网卡，音频输入和输出，USB Host，USB Slave，标准串口，SD卡插座等设备接口，支持LCD／STN液品屏接口，可以接各种单色，伪彩，真彩液晶屏，并含有触摸屏接口。通过预留的USB口可实时地将数据导入U盘或者PC机硬盘中。
    现在的SD卡成本低，容量大，所以存储模块采用SD卡进行图像存储。
    液晶显示模块采用Samsung公司的3．5寸TFT(带触摸)，通过液晶屏的触摸功能或USB鼠标，可以方便的对测试系统进行窗口化操作。

3 系统软件设计及实现
    采用EVC工具开发上位机软件，可直接在Windows CE[5]环境下运行。上位机软件是控制系统运行的重要部分，主要完成人机接口，指纹图像的采集并处理系统和采集模块的通讯。系统软件可分为主程序模块、通许模块和指纹采集模块。主程序模块主要完成界面显示，人机接口，模块调用等功能；指纹采集模块完成指纹图像的采集；通讯模块负责接受数据和发送由人机接口控制的寄存器的修改指令。
    为了能够采集指纹，首先必须初始化FPS200的相关寄存器，按照传感器的技术要求，初始化寄存器CTRLB，DTR，DCR和PGC的值，以设置传感器的工作方式，调整传感器灵敏度，为指纹采集做好准备。改变DTR的值可以改变电容的放电时间，DCR控制放电电流的大小，PGC控制放大器增益，当DTR和DCR值增大时，图像变白，对比度降低。
    通过写寄存器CTRLA可选择采集指纹的方式，有3种指纹采集方式：采集某行(GETROW)；采集子图像(GETSUB)，采集整幅图(GETIMG)。选择不同的采集方式，需要初始化的行列寄存器则不同。图3给出系统软件流程图。

4 试验结果分析
    图4给出采集部分试验结果，对比图像后发现，FPS200的放电参数DCR，DTR和PGC对指纹的清晰度有一定影响。其中DTR参数控制电容的放电时间，延长放电时间可减少指纹图像的背景噪声；增加DCR参数值同样能起到减少指纹背景噪声的作用，但升高DCR同时减少DTR时可维持图像的清晰度；PGC参数控制指纹图像和背景的对比度，需要根据不同的工作条件进行参数调整。图4(a)的图像是在DCR=0x0l，DTR=0x40，PGC=0x0B(g=3)下采集的；图4(b)的图像是在DCR=Ox0l，DTR=0x23，PGC=Ox00(g=1)下采集的。当手指情况较好时，图4(a)的参数要比图4(b)的参数得到的图像更好。

5 结语
    本文设计了一个基于ARM的指纹采集系统，使用FPS200固体指纹传感器作为指纹采集元器件。减少了许多软件优化图像的过程。以Samsung的S3C2440为硬件平台，WindowsCE系统为软件平台．非常容易地对外实施扩展，为下一步的指纹识别打下了良好的基础。系统操作简单，携带方便，尤其适合不宜使用基于PC构架的指纹采集仪器的场合，且成本低廉，易于推广。