基于ARM和滑动指纹传感器的采集系统
时间：03-01
来源：EDN
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1、 前言
指纹因其唯一性，终身不变性等特点，在安全性要求较高的行业，如海关、金融和刑侦领域得到广泛应用。随着人们安全意识和隐私觉悟的提高，手机、笔记本、PDA等日常电子消费品中也逐渐开始使用指纹识别技术。此类电子消费品因为便携、手持等特点，在体积、重量、功耗方面都有很高的要求，而传统的指纹传感器面积较大，不适合此类产品的使用。
随之产生的滑动指纹传感器（sweep fingerprint sensor），因为它更小的体积、更低的价格和极低功耗，已经逐渐开始应用于电子消费领域和其他安全系统中。以ATMEL公司的AT77C104A FingerChip为例[1]，与传统的指纹传感器相比，它具有以下优点：（1）体积小，仅为1.5×15mm;（2）强鲁棒性，采集到的相邻的指纹帧没有旋转形变等;（3）低功耗，图像采集时为4.5mA，导航时为1.5mA，睡眠模式小于10uA。 [2]中应用的图像传感器，获取的指纹图像大小为240×240，面积远远大于滑动指纹传感器。然而手指滑过滑动指纹传感器时，采集到的一个指纹帧序列而并非完整的指纹图像。如何将得到的指纹帧序列快速的拼接成一幅完整的指纹图像，达到与传统的面积较大的指纹传感器相同的效果，成为一个急需解决的难题[3]。
为了解决这个难题，本文实现了基于ARM9芯片AT91RM9200[4]和滑动指纹传感器AT77104A FingerChip的指纹采集系统，并在该系统中完成指纹有效拼接。
2、指纹采集和拼接系统的硬件设计
AT91RM9200是ATMEL推出的ARM9 32位处理器，具有一下优点：运算速度快（在工作频率为180MHz的情况下它的运算速度为200MIPS）、低功耗、可提供片上或片外存储器以及一系列外围控制、通信和数据存储的灵活配置。这些特征使得这款芯片适合嵌入式指纹采集系统的开发。
在硬件核心电路中，使用两片16位的SDRAM来配置成32位宽度的高性能存储器，读取数据时候以四个字节为一个单位，从而加快了数据的读取速度。同时外扩一个8M的DataFlash，用于存放Uboot、Linux文件系统和应用程序。
在本系统中，包括的通信过程为：
（1）主机和ARM板之间的通信包括：首先PC主机在超级终端中使用Xmodem协议发送文件RomBoot.bin到AT91RM9200内置的ROM中，下载完毕后，自动运行;其次分别将RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下载存储到DataFlash，复位后自动启动U-Boot;最后通过以太网口将Linux镜像文件和应用程序下载到DataFlash中。再次复位后，开发板进入Linux系统。
（2）AT77C104A和控制芯片之间的通信：通过SPI接口完成。控制芯片通过写寄存器，设置AT77C104A的工作模式;AT77C104A将采集到的数据传递到SDRAM中。
（3）在该嵌入式系统中，拼接采集到的指纹帧序列，通过USB接口导出拼接后的指纹图像。
3、AT91RM9200与AT77C104B FingerChip连接及通信过程
指纹采集芯片采用ATMEL公司的热敏传感芯片AT77C104A FingerChip，通过滑过传感阵列的指纹脊和谷的温度变化来获取指纹数据。与传统的指纹传感器相比，AT77C104A在体积、功耗、工作频率以及对工作环境的鲁棒性等方面均有优势。该芯片提供了SPI接口，有两种通信总线：
（1）SLOW总线：对应SLOW模式，起控制作用，控制和读写内部寄存器;
（2）FAST总线：对应FAST模式，用于获取象素，使主机获得所有的指纹象素。
在本指纹采集系统中，利用AT91RM9200的SSC接口与AT77C104B FingerChip相连。SSC 包含独立的接收器、发送器及一个时钟分频器。每个发送器及接收器有三个接口：针对数据的TD/RD 信号、针对时钟的TK/RK 信号及针对帧同步的TF/RF 信号。AT91RM9200与AT77C104B FingerChip 通信时，前者处于主机方式，后者处于从机方式，连接如图2所示。
在该通信过程中，SSC的接收器时钟RK由TK驱动，同时接收端与发送端同步，所以TF与RF相连。AT91RM9200通过I/O口（PIO_PA5）提供片选信号，选择指纹传感器的工作模式。SSC的可编程高电平及两个32位专用PDC 通道，可在没有处理器干涉的情况下进行连续的高速率数据传输，适用于快速获取指纹数据。
AT77C104A FingerChip内部有13个寄存器。AT91RM9200通过写AT77C104A FingerChip内部的模式寄存器，将FingerChip设置成获取象素模式。此时，AT91RM9200通过PIO_PA5将FingerChip的FSS（Fast SPI Slave Slect，低电平有效）信号置为低电平。设置完成后，AT91RM9200为主机，FingerChip为从机。FingerChip的MISO信号将采集到的数据输入到AT91RM9200的SSC端口对应的RD端，存储到SDRAM中。
滑动时指纹传感器获得的每一个像素，由一个16进制数表示，对应着4个时钟周期。当传感器通过SPI端口传输获取到一帧数据时，先传输一个帧同步信号F0F00200，然后再传输232×8像素指纹数据。因此，每传输一帧数据，需要n=（232×8+8）×4=7496个时钟周期。当FingerChip以6Mbps工作时，每秒中可获取804帧指纹数据。获取到的指纹数据存储在SDRAM中，通过指纹拼接程序将纹帧序列拼接成完整的指纹图像，然后通过USB传输回PC主机中显示。
指纹因其唯一性，终身不变性等特点，在安全性要求较高的行业，如海关、金融和刑侦领域得到广泛应用。随着人们安全意识和隐私觉悟的提高，手机、笔记本、PDA等日常电子消费品中也逐渐开始使用指纹识别技术。此类电子消费品因为便携、手持等特点，在体积、重量、功耗方面都有很高的要求，而传统的指纹传感器面积较大，不适合此类产品的使用。
随之产生的滑动指纹传感器（sweep fingerprint sensor），因为它更小的体积、更低的价格和极低功耗，已经逐渐开始应用于电子消费领域和其他安全系统中。以ATMEL公司的AT77C104A FingerChip为例[1]，与传统的指纹传感器相比，它具有以下优点：（1）体积小，仅为1.5×15mm;（2）强鲁棒性，采集到的相邻的指纹帧没有旋转形变等;（3）低功耗，图像采集时为4.5mA，导航时为1.5mA，睡眠模式小于10uA。 [2]中应用的图像传感器，获取的指纹图像大小为240×240，面积远远大于滑动指纹传感器。然而手指滑过滑动指纹传感器时，采集到的一个指纹帧序列而并非完整的指纹图像。如何将得到的指纹帧序列快速的拼接成一幅完整的指纹图像，达到与传统的面积较大的指纹传感器相同的效果，成为一个急需解决的难题[3]。
为了解决这个难题，本文实现了基于ARM9芯片AT91RM9200[4]和滑动指纹传感器AT77104A FingerChip的指纹采集系统，并在该系统中完成指纹有效拼接。
2、指纹采集和拼接系统的硬件设计
AT91RM9200是ATMEL推出的ARM9 32位处理器，具有一下优点：运算速度快（在工作频率为180MHz的情况下它的运算速度为200MIPS）、低功耗、可提供片上或片外存储器以及一系列外围控制、通信和数据存储的灵活配置。这些特征使得这款芯片适合嵌入式指纹采集系统的开发。
在硬件核心电路中，使用两片16位的SDRAM来配置成32位宽度的高性能存储器，读取数据时候以四个字节为一个单位，从而加快了数据的读取速度。同时外扩一个8M的DataFlash，用于存放Uboot、Linux文件系统和应用程序。
在本系统中，包括的通信过程为：
（1）主机和ARM板之间的通信包括：首先PC主机在超级终端中使用Xmodem协议发送文件RomBoot.bin到AT91RM9200内置的ROM中，下载完毕后，自动运行;其次分别将RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下载存储到DataFlash，复位后自动启动U-Boot;最后通过以太网口将Linux镜像文件和应用程序下载到DataFlash中。再次复位后，开发板进入Linux系统。
（2）AT77C104A和控制芯片之间的通信：通过SPI接口完成。控制芯片通过写寄存器，设置AT77C104A的工作模式;AT77C104A将采集到的数据传递到SDRAM中。
（3）在该嵌入式系统中，拼接采集到的指纹帧序列，通过USB接口导出拼接后的指纹图像。
图1 指纹采集和拼接系统框图
3、AT91RM9200与AT77C104B FingerChip连接及通信过程
指纹采集芯片采用ATMEL公司的热敏传感芯片AT77C104A FingerChip，通过滑过传感阵列的指纹脊和谷的温度变化来获取指纹数据。与传统的指纹传感器相比，AT77C104A在体积、功耗、工作频率以及对工作环境的鲁棒性等方面均有优势。该芯片提供了SPI接口，有两种通信总线：
（1）SLOW总线：对应SLOW模式，起控制作用，控制和读写内部寄存器;
（2）FAST总线：对应FAST模式，用于获取象素，使主机获得所有的指纹象素。
在本指纹采集系统中，利用AT91RM9200的SSC接口与AT77C104B FingerChip相连。SSC 包含独立的接收器、发送器及一个时钟分频器。每个发送器及接收器有三个接口：针对数据的TD/RD 信号、针对时钟的TK/RK 信号及针对帧同步的TF/RF 信号。AT91RM9200与AT77C104B FingerChip 通信时，前者处于主机方式，后者处于从机方式，连接如图2所示。
图2 AT91RM9200与AT77C104B FingerChip连接
在该通信过程中，SSC的接收器时钟RK由TK驱动，同时接收端与发送端同步，所以TF与RF相连。AT91RM9200通过I/O口（PIO_PA5）提供片选信号，选择指纹传感器的工作模式。SSC的可编程高电平及两个32位专用PDC 通道，可在没有处理器干涉的情况下进行连续的高速率数据传输，适用于快速获取指纹数据。
AT77C104A FingerChip内部有13个寄存器。AT91RM9200通过写AT77C104A FingerChip内部的模式寄存器，将FingerChip设置成获取象素模式。此时，AT91RM9200通过PIO_PA5将FingerChip的FSS（Fast SPI Slave Slect，低电平有效）信号置为低电平。设置完成后，AT91RM9200为主机，FingerChip为从机。FingerChip的MISO信号将采集到的数据输入到AT91RM9200的SSC端口对应的RD端，存储到SDRAM中。
滑动时指纹传感器获得的每一个像素，由一个16进制数表示，对应着4个时钟周期。当传感器通过SPI端口传输获取到一帧数据时，先传输一个帧同步信号F0F00200，然后再传输232×8像素指纹数据。因此，每传输一帧数据，需要n=（232×8+8）×4=7496个时钟周期。当FingerChip以6Mbps工作时，每秒中可获取804帧指纹数据。获取到的指纹数据存储在SDRAM中，通过指纹拼接程序将纹帧序列拼接成完整的指纹图像，然后通过USB传输回PC主机中显示。