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基于USB與DSP的指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹一種以高速的DSP芯片TMS320VC5402為平臺(tái)對(duì)指紋圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的指紋識(shí)別系統(tǒng)，用USB接口芯片與主機(jī)進(jìn)行通信。介紹了系統(tǒng)的硬件、固件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件四個(gè)方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。指紋的不變性和唯一性使指紋識(shí)別技術(shù)成為目前應(yīng)用最廣泛的身份驗(yàn)證。近年來(lái)隨著最新信息處理技術(shù)的發(fā)展、算法理論的研究以及計(jì)算機(jī)硬件的高集成和低成本，指紋識(shí)別的可靠性不斷提高，實(shí)用范圍不斷擴(kuò)大。由于識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較大且要求盡快傳入上位機(jī)進(jìn)行處理，所以合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸通道成為設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。
通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是一種新型接口技術(shù)。它是由Intel、Microsoft等公司為解決日益增加的外設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。USB具有以下特點(diǎn)：(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(dá)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(shí)候連接和斷開(kāi)外設(shè)。當(dāng)外設(shè)被連接時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到外設(shè)并準(zhǔn)備使用。(3)易于擴(kuò)展。通過(guò)根集線器可攜帶127個(gè)設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)多個(gè)外設(shè)共用一個(gè)接口。此外，USB還有可靠性高、成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，倍受歡迎。
1 整體方案選擇
由于指紋圖像處理技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高、運(yùn)算量要求大，所以采用通用的數(shù)字處理芯片。DSP的高速運(yùn)算性能使其在數(shù)字信號(hào)的處理上有著獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。但數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)量非常龐大，需要一種方便、高速的接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的接插。 本文給出一種基于DSP(TMS320VC5402)平臺(tái)的低成本高速USB接口方案。它采用Philips公司的PDIUSBDl2接口芯片，實(shí)現(xiàn)DSP指紋圖像采集處理與PC機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)涵蓋了圖像采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)葦?shù)字圖像處理技術(shù)，其硬件原理如圖1所示。
通過(guò)圖像傳感器獲得指紋圖像及數(shù)字化輸出，將圖像數(shù)據(jù)傳遞給中央處理芯片DSP。DSP對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，如：濾波、圖像的平滑銳化、二值化、特征點(diǎn)提取等，同時(shí)將處理結(jié)果通過(guò)USB輸出到上位機(jī)。在整個(gè)指紋圖像采集處理系統(tǒng)中，DSP主要有三個(gè)方面的作用：通過(guò)其I2C總線對(duì)OV6620的對(duì)比度、亮度、銳度等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；對(duì)指紋圖像進(jìn)行數(shù)字處理；按照USB的規(guī)范應(yīng)答，提供設(shè)備識(shí)別，固化PDIUSBDl2，與上位機(jī)通信。
2 系統(tǒng)硬件方案選擇與設(shè)計(jì)
2．1 圖像傳感器
CMOS圖像傳感器是近幾年發(fā)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(gè)完整的圖像系統(tǒng)。與CCD產(chǎn)品相比較其功耗小、體積小、成本低。
在采集系統(tǒng)中，使用OV6620作為圖像采集芯片。OV6620是Omni Vision公司開(kāi)發(fā)的CMOS黑白圖像采集芯片。該芯片將CMOS光感應(yīng)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(shù)參數(shù)：分辨率352x288，速度30幀／秒。
2．2 數(shù)字信號(hào)處理芯片
本系統(tǒng)中采用了TI公司推出的高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5402。其采用程序空間與數(shù)據(jù)空間完全獨(dú)立的哈佛總線結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行采用流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一到多個(gè)處理內(nèi)核，帶有片上硬件乘法器，其指令執(zhí)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(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中提供了廣闊的應(yīng)用空間。片內(nèi)共有8條總線(4條程序存儲(chǔ)器總線、1條數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和3條地址總線)、片上存儲(chǔ)器和片上外圍電路等硬件，有高度專(zhuān)業(yè)化的指令系統(tǒng)，具有功耗低、高度并行等優(yōu)點(diǎn)。
2．3 USB接口芯片
世界上很多半導(dǎo)體公司參與了USB芯片的開(kāi)發(fā)，形成了多種產(chǎn)品系列。如Intel 8*930AX／HX、Cypress FX2高速USB微控制器、National Semiconductor的USBN9602／9603。對(duì)于基于DSP平臺(tái)的USB接口設(shè)計(jì)，綜合考慮了幾種方案之后，決定采用一個(gè)不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片PDIUSBDl2，再加上簡(jiǎn)單的外圍電路和時(shí)序調(diào)整電路。主要因?yàn)槠錆M足項(xiàng)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(diǎn)突出的USB接口芯片。完全遵從USBl．1協(xié)議，其內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)、320字節(jié)多結(jié)構(gòu)FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器(Transceiver)和電壓調(diào)節(jié)器。它可以工作在5V或者3．3V的工作電壓下；具有8位數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)批量和同步傳輸，在批量和同步模式下可實(shí)現(xiàn)1MB／S的數(shù)據(jù)傳輸率。PDIUSBDl2高集成度、高可靠性和寬范圍工作條件的特點(diǎn)，可以非常方便地兼容大部分DSP的工作環(huán)境。
3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 固件設(shè)計(jì)
固件編程(firmware programming)是USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中終端設(shè)備程序設(shè)計(jì)的重要部分，微處理器通過(guò)固件程序與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于采用不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片，所以關(guān)于USBl．1協(xié)議規(guī)范的實(shí)現(xiàn)都必須靠DSP(TMS320VC5402)控制PDIUSBDl2芯片完成：在DSP(TMS320VC5402)的平臺(tái)上編寫(xiě)程序，以完成USBl．1規(guī)范所要求的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求及用戶(hù)根據(jù)產(chǎn)品需要自己定義的請(qǐng)求。
當(dāng)設(shè)備連接到主機(jī)后，主機(jī)通過(guò)給PDIUSBDl2的端點(diǎn)0發(fā)送包含標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求的控制傳輸(即Setup包)，PDIUSBDl2產(chǎn)生一個(gè)中斷給MCU(1NT0)，MCU
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