基于USB與DSP的指紋識別系統的設計實現

 摘要：介紹一種以高速的DSP芯片TMS320VC5402為平臺對指紋圖像進行實時處理的指紋識別系統，用USB接口芯片與主機進行通信。介紹了系統的硬件、固件、設備驅動程序和應用軟件四個方面的設計與實現方法。

指紋的不變性和唯一性使指紋識別技術成為目前應用最廣泛的身份驗證。近年來隨著最新信息處理技術的發展、算法理論的研究以及計算機硬件的高集成和低成本，指紋識別的可靠性不斷提高，實用范圍不斷擴大。由于識別系統數據量較大且要求盡快傳入上位機進行處理，所以合理設計數據傳輸通道成為設計的一個重點。

通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是一種新型接口技術。它是由Intel、Microsoft等公司為解決日益增加的外設與有限的主板插槽與端口之間的矛盾而制定的一種串行通信標準。USB具有以下特點：(1)有較高的傳輸速率。USBl．1支持全速和低速兩種方式，全速速率為12Mbps，低速速率為1．5Mbps；USB2．0除支持USBl．1的兩種速度方式外，還增加了速率可達480Mbps的高速方式。(2)使用方便靈活。USB支持即插即用和熱插拔，允許在任何時候連接和斷開外設。當外設被連接時，系統會自動檢測到外設并準備使用。(3)易于擴展。通過根集線器可攜帶127個設備真正實現多個外設共用一個接口。此外，USB還有可靠性高、成本低、功耗小等優點，倍受歡迎。

1 整體方案選擇

由于指紋圖像處理技術對實時性要求高、運算量要求大，所以采用通用的數字處理芯片。DSP的高速運算性能使其在數字信號的處理上有著獨一無二的優勢。但數字信號的數據量非常龐大，需要一種方便、高速的接口實現與PC機的接插。 本文給出一種基于DSP(TMS320VC5402)平臺的低成本高速USB接口方案。它采用Philips公司的PDIUSBDl2接口芯片，實現DSP指紋圖像采集處理與PC機的高速數據傳輸。本系統涵蓋了圖像采集、處理、存儲、傳輸等數字圖像處理技術，其硬件原理如圖1所示。

    通過圖像傳感器獲得指紋圖像及數字化輸出，將圖像數據傳遞給中央處理芯片DSP。DSP對圖像進行實時處理，如：濾波、圖像的平滑銳化、二值化、特征點提取等，同時將處理結果通過USB輸出到上位機。在整個指紋圖像采集處理系統中，DSP主要有三個方面的作用：通過其I2C總線對OV6620的對比度、亮度、銳度等各項參數進行設置；對指紋圖像進行數字處理；按照USB的規范應答，提供設備識別，固化PDIUSBDl2，與上位機通信。

2 系統硬件方案選擇與設計

2．1 圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是近幾年發展較快的新型圖像傳感器，可以將像素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上，是一個完整的圖像系統。與CCD產品相比較其功耗小、體積小、成本低。

在采集系統中，使用OV6620作為圖像采集芯片。OV6620是Omni Vision公司開發的CMOS黑白圖像采集芯片。該芯片將CMOS光感應核與外圍支持電路集成在一起。輸出的視頻為黑白圖像。技術參數：分辨率352x288，速度30幀／秒。

2．2 數字信號處理芯片

本系統中采用了TI公司推出的高性能數字信號處理器TMS320VC5402。其采用程序空間與數據空間完全獨立的哈佛總線結構，指令的執行采用流水線結構，內部有一到多個處理內核，帶有片上硬件乘法器，其指令執行速度最快為幾十納秒，處理能力為100MIPS。這些為DSP在高速大數據量的數據采集處理系統中提供了廣闊的應用空間。片內共有8條總線(4條程序存儲器總線、1條數據存儲器總線和3條地址總線)、片上存儲器和片上外圍電路等硬件，有高度專業化的指令系統，具有功耗低、高度并行等優點。

2．3 USB接口芯片

世界上很多半導體公司參與了USB芯片的開發，形成了多種產品系列。如Intel 8*930AX／HX、Cypress FX2高速USB微控制器、National Semiconductor的USBN9602／9603。對于基于DSP平臺的USB接口設計，綜合考慮了幾種方案之后，決定采用一個不帶MCU內核的USB接口芯片PDIUSBDl2，再加上簡單的外圍電路和時序調整電路。主要因為其滿足項目性能需求，且使用外接CPU，成本非常低。

PDIUSBDl2是Philips公司推出的一款特點突出的USB接口芯片。完全遵從USBl．1協議，其內部集成有串行接口引擎(SIE)、320字節多結構FIFO存儲器、收發器(Transceiver)和電壓調節器。它可以工作在5V或者3．3V的工作電壓下；具有8位數據總線，且有完全自治的DMA傳輸操作。它還具有可控制的軟件連接(SoftConnect)功能，可以保證在微控制器可靠初始化之后再連接上USB總線。多中斷模式實現批量和同步傳輸，在批量和同步模式下可實現1MB／S的數據傳輸率。PDIUSBDl2高集成度、高可靠性和寬范圍工作條件的特點，可以非常方便地兼容大部分DSP的工作環境。

3 軟件設計

3．1 固件設計

固件編程(firmware programming)是USB數據傳輸系統中終端設備程序設計的重要部分，微處理器通過固件程序與計算機進行數據交換。由于采用不帶MCU內核的USB接口芯片，所以關于USBl．1協議規范的實現都必須靠DSP(TMS320VC5402)控制PDIUSBDl2芯片完成：在DSP(TMS320VC5402)的平臺上編寫程序，以完成USBl．1規范所要求的標準請求及用戶根據產品需要自己定義的請求。

當設備連接到主機后，主機通過給PDIUSBDl2的端點0發送包含標準USB請求的控制傳輸(即Setup包)，PDIUSBDl2產生一個中斷給MCU(1NT0)，MCU通過讀PDIUSBDl2的中斷寄存器和最后一次傳輸狀態寄存器來對每一個請求做出響應，并通過PDIUSBDl2的端點0回送請求信息。主機從返回的信息中讀取描述數據(包括設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符)，分配和載入一個設備驅動程序并對設備進行配置。設備配置完成后，就可以使用配置中支持的端點傳輸數據。固件程序結構如圖2所示。

3．2 設備驅動

在Win32系統中，把每一個設備都抽象為文件，此時的應用程序只需通過幾個簡單的文件操作APl函數，就可以實現與驅動程序中某個設備的通信。

PC機的驅動程序由Philips公司提供。用VC++6．0通過調用API函數，編寫PC的應用程序。這樣即可實現PC機對DSP(TMS320VC5402)指紋取像系統的控制以及圖像的傳輸。主要使用的API函數是DeviceIOControl()、ReadFile()、WriteFile()。其中DeviceIOControl()用于PC(主機)向DSP圖像采集系統發送請求；ReadFile()和WriteFile()分別用于從圖像采集系統讀出數據以及向圖像采集系統寫入數據。在設計過程中必須注意的問題是：由于USB接口是主從方式的接口，其一切傳輸過程都必須通過主機向外設發送請求后才可以開始，所以在使用ReadFile()、WriteFile()讀寫數據前，必須先通過DeviceIOControl()向圖像采集系統發送請求。

3．3 指紋識別流程

系統上電時，TMS320VC5402通過12C總線操作對OV6620進行設置，然后進入指紋圖像采集階段。在該階段，TMS320VC5402處于空閑狀態，CPLD占用數據總線，

將數據直接存儲到圖像RAM中。采集完一幀指紋圖像后由CPLD發握手信號，通知DSP進人數據處理階段。在該階段，TMS320VC5402先將圖像RAM中的數據分塊搬運到用戶RAM中，進行圖像預處理、特征點提取等運算，最后通過USB將結果輸出給上位機。上位機調出指紋數據庫，并將提取的結果與指紋特征庫中的數據進行比對，從而與庫中特征指紋進行指紋匹配識別。

DSP算法具體如下：(1)預濾波。方向濾波：設計了一個水平模板，然后將水平模板旋轉到所需增強的方向進行濾波。(2)二值化。背景分離：采用標準差閾值跟蹤法，圖像的指紋部分由黑白相間的紋理組成，灰度變化很大，具有較大的標準差，而背景部分灰度分布比較平坦，標準差小。因此計算以各點為中心的一組像素的標準差，當標準差大于某一門限時，就可以確定該點為前景，否則為背景。(3)計算方向圖：采用基于法線向量的方法，其中還涉及到方向場的平滑銳化。(4)特征點提?。翰捎昧思咕€跟蹤法，其基本思想是直接對圖像進行脊線跟蹤，在跟蹤過程中檢測特征點。

整個軟件流程如圖3所示。