基于FPGA的指紋識別模塊設計方案

項目背景及可行性分析

本項目名稱是：基于FPGA的指紋識別模塊設計。

主要內容為：本模塊采用xilinx公司的Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片，通過富士通公司的MFS300滑動式電容指紋傳感器對指紋圖象進行提取，然后對提取的指紋圖像進行灰度濾波、圖像增強、二值化、二值去噪、細化等預處理，得到清晰的指紋圖象，再從清晰的指紋圖象中提取指紋特征點，存入外部FLASH作為建檔模板。指紋比對時，采用同樣的方法獲得清晰的指紋圖像，建立比對模板，然后將比對模板與建檔模板利用點模式匹配算法進行比對，得出比對結果。該模塊利用嵌入式軟核實現系統的管理，利用硬件實現指紋識別，保證了系統功能的完整性與識別的正確性。該識別模塊可用于門禁、考勤、安檢、保險箱柜等很多方面，也可和計算機等設備聯機使用，滿足各個方面的不同需求，因此它的設計具有很廣泛的應用前景和市場價值。

項目關鍵技術及創新點的論述;

2.1項目的關鍵技術

2.1.1 指紋圖像的采集

本模塊利用美國富士通公司的MFS300滑動式電容指紋傳感器對指紋圖像進行提取和保存。這款指紋傳感器采用標準CMOS 技術，含有8 位A/D 變換器，能在2.8 V～5 V 的寬電壓范圍內工作，能自動檢測到是否有指紋到達傳感器，并實現在線采集。它能在保證指紋圖像高分辨率（500dpi）的同時大大減小了傳感器的尺寸（13.3×3.6mm2）。然后XC3S500E利用其SPI端口通過讀寫MFS300內部的寄存器，實現對它的控制，以完成指紋采集的任務。

2.1.2 指紋圖像的預處理

圖像預處理的主要步驟包括：方向圖計算、圖像增強、二值化、二值去噪、細化等。預處理的目的是改善輸入指紋圖像的質量，以提高特征提取的準確性。原始指紋圖像一般存在噪聲污染、脊線斷裂或脊線模糊等問題，需要進行圖像增強（使用濾波技術）以改善質量。由于指紋特征僅包含在脊線的形狀結構中，所以，通過二值化和細化把深淺不一、寬度不同的脊線變成灰度相同、單像素寬的細脊線，以便于特征提取。

2.1.3 指紋圖像的特征提取與比對

系統通過細節特征提取算法對預處理后的指紋圖像進行全局特征和細節特征的提取，將獲得指紋圖像特征參數存入外設FLASH中，建立指紋數據庫。在識別模式時，系統用同樣的方式提取指紋圖像特征參數，存入擴展SRAM中，然后將外設FLASH和擴展SRAM中的數據利用點模式匹配算法進行比對，最終將比對結果輸出。

2.1.4 系統整體需要考慮的問題

有效的指紋辨識系統不僅僅依賴于辨識算法，還需要考慮很多其他方面的問題，它包括注冊和辨識過程、排斥欺騙和安全考慮等。我們必須對這些問題提出應對辦法，才能實現有效的辨識。

2.2 系統創新點

縱覽全球諸多指紋識別事件：出入關按指紋、開門按指紋、領社保按指紋、上班考勤按指紋、幼兒園接送孩子按指紋、銀行取款按指紋、超市購物按指紋付款、洗衣服按指紋進行分工、打手機按指紋、上電腦按指紋等等新現象層出不窮，指紋識別已經與人們的生活休戚相關。指紋化產品呈現出廣闊的市場開發前景和巨大的利潤空間。

由于此開發板具有VGA、RS232、鍵盤/鼠標等接口，可以很方便的在很多產品得到應用，使產品具有指紋識別的功能。例如，它可以與指紋保險箱（柜）、指紋門鎖、IC卡系統、汽車啟動系統連接使用，也可以統購RS232和計算機等設備聯機使用。同時，目前的指紋識別認證系統大都采用DSP或者ARM來實現，這樣的嵌入式系統很難實現小型化集成化，更無法SOC，使得指紋識別在小型化便攜式產品中的應用得到局限，而本模塊以FPGA作為核心控制系統，由于FPGA具有高度集成、低功耗、短開發周期等優點，所以如果本模塊設計成功，可以實現指紋識別模塊的小型化、集成化和SOC，使得指紋識別可以應用到更多的領域，為人們的生活帶來更多的便利和安全，同時也具有更廣闊的市場開發前景和更大的利潤空間。

技術成熟性和可靠性論述

本模塊采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片，這款芯片采用90ns的先進工藝，最大容量50萬門，足以滿足設計的要求。美國富士通公司的MFS300滑動式電容指紋傳感器采用標準CMOS 技術，含有8 位A/D 變換器，能在2.8 V～5 V 的寬電壓范圍內工作，能自動檢測到是否有指紋到達傳感器，并實現在線采集。它能在保證指紋圖像高分辨率（500dpi）的同時大大減小了傳感器的尺寸（13.3×3.6mm2）。系統利用XC3S500E的SPI端口和MPS300進行數據傳輸，使得傳輸更方便，傳輸速度更快、抗干擾能力更強。再加上該模塊利用嵌入式軟核實現系統的管理，利用硬件實現識別算法，保證了系統功能的完整性與識別的正確性。而識別算法我們采用美國FBI推薦的特征點匹配算法來實現指紋的識別，更保證了系統功能的實現。

項目實施方案

1.方案基本功能框圖及描述

用框圖的方式并加以簡單的描述簡述實施本項目的技術方案。

圖1 系統結構框圖系統采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片，通過MFS300滑動式電容指紋傳感器進行指紋圖象的采集，自動A/D轉換，并將轉換后的數字信號通過SPI端口傳送給FPGA核心控制單元，以進行指紋登記或指紋對比。內擴展的SRAM和Flash 分別用作存儲指紋程序運行時的臨時數據和指紋數據信息。PROM在上電時對FPGA 進行程序配置。鍵盤用于實現模塊模式的切換和模塊密碼設置等功能。RS23接口可以與計算機等設備進行聯機操作，方便系統功能的擴展。該系統利用嵌入式軟核實現系統的管理，利用硬件實現識別算法，保證了系統功能的完整性與識別的正確性。

2.需要的開發平臺

實現本方案所需要的基本功能、功能、接口

所需要的目標FPGA開發平臺，簡述為什么需要此平臺

是否需要其它配套的開發工具

需要的硬件開發平臺是：初級板Spartan-3E

以partan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制系統，利用其SPI端口訪問MFS300傳感器的寄存器實現數據采集任務，在其內部嵌入DSP軟核，實現對圖像的預處理、特征參數的提取和匹配，利用其外設FLASH存儲指紋數據信息，建立指紋數據庫;通過LCD顯示模塊建立人機交互界面等。

需要的軟件開發平臺是：Xilinx ISE 9.1i、Matlab等;

利用Xilinx ISE 9.1i完成對FPGA的控制，利用Matlab實現濾波器的仿真，算法的研究，軟核的制作等。

3.方案實施過程中需要開發的模塊

在本方案中需要研制、開發的功能主要模塊，以及開發的方式

需要具體開發的模塊包括數據采集模塊、原始圖像的預處理模塊、算法識別驗證模塊（通過Matlab實現Dsp算法，作為軟核嵌入FPGA）、鍵盤操作模塊、LCD顯示模塊等。

4.系統最終要達到的性能指標

論述本項目最終完成時所設想達到的目標。

能準確有效地完成指紋特征參數的提取和指紋的辨識驗證。

需要的其它資源

1.設計輸入輸出功能子板

子板功能描述、接口說明、時間、方式

需要美國富士通公司的MFS300滑動式電容指紋傳感器一個

按鍵16個

LCD一塊

2.測試設備

列出在方案實施過程中所需要的測試設備（萬用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等）

需要的測試設備有萬用表、示波器、邏輯分析儀、電源等。

3.方針、開發工具

列出在方案實施過程中所需要的仿真、開發工具等。

仿真工具用Modelsim，開發工具包括Ise、Matlab等