- 基于USB傳輸及CMOS圖像傳感器的指紋識別儀的實現
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/12/25
引言
CMOS圖像傳感器是近年來得到快速發展的一種新型固態圖像傳感器。它將圖像傳感部分和控制電路高度集成在同一芯片里，體積明顯減小、功耗也大大降低，滿足了對高度小型化、低功耗成像系統的要求。與傳統的CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器還具有集成度高、控制簡單、價格低廉等諸多優點。因此隨著CMOS集成電路工藝的不斷進步和完善，CMOS圖像傳感器已經廣泛應用于各種通用圖像采集系統中。同時作為一種PC機與外圍設備間的高速通信接口，USB具有許多突出的有點：連接簡便，可熱插拔，無需定位及運行安裝程序，無需連接外設時關機及重啟系統，實現真正的即插即用；高傳輸速率，USB1.1協議支持12Mb/s；不占用系統硬件資源，能夠自動檢測和配置外圍設備，不存在硬件沖突問題。
因此，利用CMOS數字圖像傳感器與USB接口數據傳輸來實現的指紋識別儀具有結構簡單，體積小，便攜化等優點。現將介紹利用OMniVision公司的CMOS彩色數字圖像傳感器OV762M和cypress公司的EZ—USB AN2131QC USB控制傳輸芯片（內部集成了增強形51內核）來實現指紋信息的采集和USB傳輸，同時由于指紋傳感器輸出數據的速率（27MB/s）與USB控制器（AN2131QC）數據傳輸速率（12Mb/s）的不匹配，故系統采用了SRAM和CPLD構成中間高速緩沖區。
系統結構
應用AN2131QC、CPLD和OV762M設計的指紋識別系統硬件框圖如圖1所示：
圖1指紋識別硬件系統簡略框架圖
首先，AN2131QC通過I2C對指紋識別傳感器（OV7620）的窗口設置等參數進行配置，光學透鏡把像成在OV762M的像面上后，CMOS圖像傳感器（OV7620）對其進行空間采樣，并按照一定的幀頻連續輸出8位的數字圖像數據Y[7∶M]（輸出數字圖像數據的幀同步信號為VSYNC，水平有效信號為HREF，輸出時鐘信號為PCLK）。為了實現指紋傳感器輸出數據與USB控制器（AN2131QC）讀取數據速度與時序的匹配，使用了SRAM（IS61C1024）和CPLD構成高速緩沖區，利用此高速緩沖區將OV762M采集的指紋數據緩存。最后AN2131QC實現與上位機的USB通信，將高速緩沖區中數據的傳輸到PC機進行相應圖像處理。
CMOS數字圖像傳感器OV7620
CMOS數字圖像傳感器OV762M集成了一個664×492的感光陣列、幀（行）控制電路、視頻時序產生電路、模擬信號處理電路、A/D轉換電路、數字信號輸出電路及寄存器I2C編程接口。感光陣列得到原始的彩色圖像信號后，模擬處理電路完成諸如顏色分離與均衡、增益控制、gamMA校正、白電平調整等主要的信號處理工作，最后可根據需要輸出多種標準的視頻信號。視頻時序產生電路用于產生行同步、場同步、混合視頻同步等多種同步信號和像素時鐘等多種內部時鐘信號，外部控制器可通過I2C總線接口設置或讀取OV762M的工作狀態、工作方式以及數據的輸出格式等。
AN2131QC通過I2C總線接口設定OV762M的寄存器來控制輸出幀率在0.5幀/s～3M幀/s之間變化，輸出窗口在4×2～664×492之間可調（默認輸出640×48M的標準VGA格式），設置黑白平衡等。根據指紋采集的需要，窗口輸出設置為：320×288，經過設定后的OV762M輸出時序如圖2所示：
圖2 0V762M輸出時序
VSYNC是垂直場同步信號（也是每幀同步信號，CMOS是按列采集圖像的），其下降沿表示一幀圖像的開始，HREF提供了一種有效的控制方式，當輸出像素行列分別處于設定窗口之間時HREF為有效高電平，此時輸出有效的視頻數據，PCLK是輸出數據同步信號，上升沿輸出一個有效的像素Y[7∶M].
基于CPLD技術的高速數據緩沖區的實現
在由CPLD和SRAM構成的高速數據緩沖區中，CPLD充當了SRAM的控制器，其內部電路實現框圖如圖3所示：
圖3 SRAM高速緩沖區控制器的CPLD實現圖3中ram_rd，raM_wr為輸出到SRAM的讀寫信號線，raM_data，ram_addr為SRAM的數據地址總線；latch_f為SRAM的讀寫允許信號，當為高電平時允許對SRAM寫操作，為低電平時允許對SRAM讀操作；兩個8路三態門用于隔離總線，當對SRAM寫時，輸出cpu_datA為高阻態，當對SRAM讀時，將采集數據信號Y [7∶M]隔離；cpu_rds，vsync為開始讀寫信號，單個正脈沖將SRAM地址置0；cpu_rD作為SRAM快速讀脈沖，pclk為SRAM寫脈沖；irq為寫滿標志，用于向上提供中斷標志；地址發生器用于產生SRAM地址（IS61C1024有17根地址線）。
圖4 CPLD實現的仿真波形
由圖3中邏輯知道，當允許對SRAM寫（latch_f=1）且采集的數據有效（href=1）時，pclk脈沖通過地址發生器產生地址（sync單個正脈沖將SRAM地址復位到0），將采集的數據Y[7∶M]寫入SRAM中，當寫滿（寫完一幀的32M像素×288像素）時，irq信號有效，通過中斷將latch_f置低允許將SRAM數據讀出（cpu_rds單個正脈沖將SRAM地址復位到0），此后cpu_rD通過地址發生器產生地址將SRAM中數據讀出到USB緩沖區。上述邏輯仿真波形如圖4所示（由于數據線和地址線較多，故只取其中部分信號時序，cpu_datA為X表示其值根據SRAM數據總線上具體值而定），由圖4可知，CPLD實現了對SRAM的控制，與SRAM一起組成了高速數據緩沖區。
USB快速批量傳輸的實現
USB控制接口芯片AN2131QC特性簡介AN2131QC是基于USB1.1協議設計的，支持高速12Mb/s的傳輸速率，內嵌有增強型8051微控制器、8kB的RAM和一個智能USB內核的收發器，它包含一個I2C總線控制器和3個8位多功能I/O口，有8位數據總線和16位地址總線用于外部RAM擴展。其結構如圖5所示。
圖5 AN2131QC結構簡圖
AN2131QC內部的USB差分收發器連接到USB總線的D+和D-上。串行接口引擎（SIE）對USB總線上串行數據進行編碼和譯碼（即實現USB協議的打包和解包工作），同時執行錯誤糾正、位填充及其它USB需要的信號標準，這種機制大大減輕了8051的工作，簡化了固件的編程。內核微處理器是一個增強型8051，其指令周期為4個時鐘周期并具有雙DPTR指針，同時指令與標準8051兼容。它使用內部RAM存儲固件程序和數據，上電后，主機通過USB總線將固件程序和外設特性描述符下載到內部RAM（也可以直接從板上E2PROM上讀取），然后重連接，按照下載的特性描速符進行重枚舉，這種設計可以實現軟件的隨時在線升級。
USB快速批量傳輸的實現當采集的指紋數據導入了由SRAM和CPLD構成的高速數據緩沖緩沖區后，要通過USB接口將數據發送到上位PC機，AN2131QC必須先將數據讀入到內部USB緩沖區，因此，AN2131QC將數據傳到內部USB緩沖的速度將是整個USB數據傳輸速度快慢的關鍵。為了使USB數據傳輸（從外部讀入數據并將之傳到PC機）達到最快，需要采用很多措施，下面就設計指紋識別儀固件（AN2131QC程序）中采用的USB批量傳輸進行探討。
正常情況下，AN2131QC內核結構從外部讀入數據到USB的端點緩沖區，要使用的匯編程序為：
movx a，@dptr；讀外部數據到acc寄存器incdptr；外部地址加1 incdps；切換DPTR指針（內核有雙DPTR指針，用dps進行切換）
movx @dptr，a；將acc內容放入USB緩沖區incdptr；USB緩沖區地址加1 incdps；切換DPTR指針
由上述程序可知，數據在寄存器中完成操作后，都必須有一個“incdptr”和“incdps”指令來完成16位地址的增加和緩沖區指針切換。為了消除這種內部消耗，使用AN2131QC提供的一種特殊的硬件指針即自動指針（只用于內部緩沖區），8051裝載USB緩沖區地址到兩個AUTOPTRH （高字節地址）和AUTOPTRL（低字節地址）寄存器中，向AUTODATA寫入的數據就直接存入由AUTOPTR/H2L指向的地址緩沖區中，并且內核自動增加AUTOPTR/H2L中16位地址的值。這樣USB緩沖區可以像FIFO一樣來順序寫入數據，節省了每次寫內部USB緩沖區時的“incdptr”指令。同時內核還提供一種快速模式（只用于對外部數據操作），此模式從外部讀數據“movx a，@dptr”時，直接將外部數據總線和內部緩沖區連在一起，由于使用CPLD和SRAM構成的指紋高速緩沖區具有FIFO的性質，所以使用快速模式讀外部指紋數據時也節省了“incdptr”指令。將上述兩種方式結合起來，讀外部數據到內部緩沖區程序就只需要一條指令：movx @dptr，A（dptR存放AUTODATA寄存器地址），此指令需要兩個8051機器周期（8個24MHz時鐘周期）。這樣，一個字節可以在333ns內讀入到USB端點緩沖區。
在USB接口數據傳輸一側，當PC機要對一特定端點進行讀數據并發送IN令牌，如果一個IN令牌到達時8051還沒有完成向USB端點緩沖區的數據裝載（讀外部數據），AN2131QC就發送一個NAK握手信號來響應IN令牌，表明PC機應該在稍后再發送一個IN令牌。為了解決這種等待從而達到最快的傳輸速度，可以使用雙緩沖技術（端點配對），使8051在前一個數據包在USB總線上傳輸的時候，裝載塊數據的下一個數據包。
結 論
利用CMOS數字圖像傳感器OV762M和USB控制器AN2131QC實現的指紋儀結構簡單，體積小，使用方便。指紋識別系統中使用CPLD技術實現了高速緩沖，解決了速度時序匹配問題；使用了快速批量USB傳輸技術實現了數據的快速傳輸，使指紋數據的傳輸達到最高速（每幀傳輸只用80Ms）。使用現論述的方法實現的指紋儀采集的指紋數據經PC機重現后效果如圖6所示（左圖是未經任何處理的重現，右圖是經過平滑、細化等算法處理后的重現）。
圖6采集指紋重現效果（處理前后）
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