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一种基于CMOS图像传感器和USB的指纹识别仪

时间:12-06 来源:互联网 点击:

rD通过地址发生器产生地址将SRAM中数据读出到USB缓冲区。上述逻辑仿真波形如图4 所示(由于数据线和地址线较多,故只取其中部分信号时序,cpu_datA为X 表示其值根据SRAM数据总线上具体值而定),由图4 可知,CPLD实现了对SRAM的控制,与SRAM一起组成了高速数据缓冲区。

  USB 快速批量传输的实现

  USB 控制接口芯片AN2131QC特性简介

  AN2131QC是基于USB 1.1协议设计的,支持高速12Mb/s的传输速率,内嵌有增强型8051微控制器、8kB的RAM和一个智能USB内核的收发器,它包含一个I2C总线控制器和3个8位多功能I/O口,有8位数据总线和16位地址总线用于外部RAM扩展。其结构如图5所示。

  

  图5 AN2131QC结构简图

  AN2131QC内部的USB差分收发器连接到USB总线的D+和D-上。串行接口引擎(SIE)对USB总线上串行数据进行编码和译码(即实现USB协议的打包和解包工作),同时执行错误纠正、位填充及其它USB需要的信号标准,这种机制大大减轻了8051的工作,简化了固件的编程。内核微处理器是一个增强型8051,其指令周期为4 个时钟周期并具有双DPTR指针,同时指令与标准8051兼容。它使用内部RAM存储固件程序和数据,上电后,主机通过USB总线将固件程序和外设特性描述符下载到内部RAM(也可以直接从板上E2PROM上读取),然后重连接,按照下载的特性描速符进行重枚举,这种设计可以实现软件USB快速批量传输的实现。

  当采集的指纹数据导入了由SRAM和CPLD构成的高速数据缓冲缓冲区后,要通过USB接口将数据发送到上位PC机,AN2131QC必须先将数据读入到内部USB缓冲区,因此,AN2131QC将数据传到内部USB缓冲的速度将是整个USB数据传输速度快慢的关键。为了使USB数据传输(从外部读入数据并将之传到PC机)达到最快,需要采用很多措施,下面就设计指纹识别仪固件(AN2131QC程序)中采用的USB批量传输进行探讨。

  正常情况下,AN2131QC内核结构从外部读入数据到USB的端点缓冲区,要使用的汇编程序为:

  movx a,@dptr;读外部数据到acc寄存器incdptr;外部地址加1

  incdps;切换DPTR指针(内核有双DPTR指针,用dps进行切换)

  movx @dptr,a;将acc内容放入USB缓冲区

  incdptr;USB缓冲区地址加1

  incdps;切换DPTR指针

  由上述程序可知,数据在寄存器中完成操作后,都必须有一个“incdptr”和“incdps”指令来完成16位地址的增加和缓冲区指针切换。为了消除这种内部消耗,使用AN2131QC提供的一种特殊的硬件指针即自动指针(只用于内部缓冲区),8051装载USB缓冲区地址到两个AUTOPTRH (高字节地址)和AUTOPTRL(低字节地址)寄存器中,向AUTODATA写入的数据就直接存入由AUTOPTR/H2L指向的地址缓冲区中,并且内核自动增加AUTOPTR/H2L中16位地址的值。这样USB缓冲区可以像FIFO一样来顺序写入数据,节省了每次写内部USB缓冲区时的“incdptr”指令。同时内核还提供一种快速模式(只用于对外部数据操作),此模式从外部读数据“movx a,@dptr”时,直接将外部数据总线和内部缓冲区连在一起,由于使用CPLD和SRAM构成的指纹高速缓冲区具有FIFO的性质,所以使用快速模式读外部指纹数据时也节省了“incdptr”指令。将上述两种方式结合起来,读外部数据到内部缓冲区程序就只需要一条指令:movx @dptr,A(dptR存放AUTODATA寄存器地址),此指令需要两个8051机器周期(8个24MHz时钟周期)。这样,一个字节可以在333ns内读入到USB端点缓冲区。

  在USB接口数据传输一侧,当PC机要对一特定端点进行读数据并发送IN令牌,如果一个IN令牌到达时8051还没有完成向USB端点缓冲区的数据装载(读外部数据),AN2131QC就发送一个NAK握手信号来响应IN令牌,表明PC机应该在稍后再发送一个IN令牌。为了解决这种等待从而达到最快的传输速度,可以使用双缓冲技术(端点配对),使8051在前一个数据包在USB总线上传输的时候,装载块数据的下一个数据包。

  结 论

  利用CMOS数字图像传感器OV762M和USB控制器AN2131QC实现的指纹仪结构简单,体积小,使用方便。指纹识别系统中使用CPLD技术实现了高速缓冲,解决了速度时序匹配问题;使用了快速批量USB传输技术实现了数据的快速传输,使指纹数据的传输达到最高速(每帧传输只用80Ms)。使用现论述的方法实现的指纹仪采集的指纹数据经PC机重现后效果如图6所示(左图是未经任何处理的重现,右图是经过平滑、细化等算法处理后的重现)。

  

  图6 采集指纹重现效果(处理前后)

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