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基于ARM9和滑動指紋傳感器的采集系統
中國傳動網
朱文娟 王正勇 張超 葉勇建
摘要: 為了解決這個難題,本文實現了基于ARM9芯片AT91RM9200[4]和滑動指紋傳感器AT77104A FingerChip的指紋采集系統,并在該系統中完成指紋有效拼接。
Abstract:
Key words :

1、 前言

  指紋因其唯一性,終身不變性等特點,在安全性要求較高的行業,如海關、金融和刑偵領域得到廣泛應用。隨著人們安全意識和隱私覺悟的提高,手機、筆記本、PDA等日常電子消費品中也逐漸開始使用指紋識別技術。此類電子消費品因為便攜、手持等特點,在體積、重量、功耗方面都有很高的要求,而傳統的指紋傳感器面積較大,不適合此類產品的使用。

  隨之產生的滑動指紋傳感器(sweep fingerprint sensor),因為它更小的體積、更低的價格和極低功耗,已經逐漸開始應用于電子消費領域和其他安全系統中。以ATMEL公司的AT77C104A FingerChip為例[1],與傳統的指紋傳感器相比,它具有以下優點:(1)體積小,僅為1.5×15mm;(2)強魯棒性,采集到的相鄰的指紋幀沒有旋轉形變等;(3)低功耗,圖像采集時為4.5mA,導航時為1.5mA,睡眠模式小于10uA。 [2]中應用的圖像傳感器,獲取的指紋圖像大小為240×240,面積遠遠大于滑動指紋傳感器。然而手指滑過滑動指紋傳感器時,采集到的一個指紋幀序列而并非完整的指紋圖像。如何將得到的指紋幀序列快速的拼接成一幅完整的指紋圖像,達到與傳統的面積較大的指紋傳感器相同的效果,成為一個急需解決的難題[3]。

  為了解決這個難題,本文實現了基于ARM9芯片AT91RM9200[4]和滑動指紋傳感器AT77104A FingerChip的指紋采集系統,并在該系統中完成指紋有效拼接。

2、 指紋采集和拼接系統的硬件設計

  AT91RM9200是ATMEL推出的ARM9 32位處理器,具有一下優點:運算速度快(在工作頻率為180MHz的情況下它的運算速度為200MIPS)、低功耗、可提供片上或片外存儲器以及一系列外圍控制、通信和數據存儲的靈活配置。這些特征使得這款芯片適合嵌入式指紋采集系統的開發。

  在硬件核心電路中,使用兩片16位的SDRAM來配置成32位寬度的高性能存儲器,讀取數據時候以四個字節為一個單位,從而加快了數據的讀取速度。同時外擴一個8M的DataFlash,用于存放Uboot、Linux文件系統和應用程序。

  在本系統中,包括的通信過程為:

  (1)主機和ARM板之間的通信包括:首先PC主機在超級終端中使用Xmodem協議發送文件RomBoot.bin到AT91RM9200內置的ROM中,下載完畢后,自動運行;其次分別將RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下載存儲到DataFlash,復位后自動啟動U-Boot;最后通過以太網口將Linux鏡像文件和應用程序下載到DataFlash中。再次復位后,開發板進入Linux系統。

  (2)AT77C104A和控制芯片之間的通信:通過SPI接口完成。控制芯片通過寫寄存器,設置AT77C104A的工作模式;AT77C104A將采集到的數據傳遞到SDRAM中。

  (3)在該嵌入式系統中,拼接采集到的指紋幀序列,通過USB接口導出拼接后的指紋圖像。

圖1指紋采集和拼接系統框圖

3、AT91RM9200與AT77C104B FingerChip連接及通信過程

  指紋采集芯片采用ATMEL公司的熱敏傳感芯片AT77C104A FingerChip,通過滑過傳感陣列的指紋脊和谷的溫度變化來獲取指紋數據。與傳統的指紋傳感器相比,AT77C104A在體積、功耗、工作頻率以及對工作環境的魯棒性等方面均有優勢。該芯片提供了SPI接口,有兩種通信總線:

  (1)SLOW總線:對應SLOW模式,起控制作用,控制和讀寫內部寄存器;

  (2)FAST總線:對應FAST模式,用于獲取象素,使主機獲得所有的指紋象素。

  在本指紋采集系統中,利用AT91RM9200的SSC接口與AT77C104B FingerChip相連。SSC 包含獨立的接收器、發送器及一個時鐘分頻器。每個發送器及接收器有三個接口:針對數據的TD/RD 信號、針對時鐘的TK/RK 信號及針對幀同步的TF/RF 信號。AT91RM9200與AT77C104B FingerChip 通信時,前者處于主機方式,后者處于從機方式,連接如圖2所示。

  在該通信過程中,SSC的接收器時鐘RK由TK驅動,同時接收端與發送端同步,所以TF與RF相連。AT91RM9200通過I/O口(PIO_PA5)提供片選信號,選擇指紋傳感器的工作模式。SSC的可編程高電平及兩個32位專用PDC 通道,可在沒有處理器干涉的情況下進行連續的高速率數據傳輸,適用于快速獲取指紋數據。

  AT77C104A FingerChip內部有13個寄存器。AT91RM9200通過寫AT77C104A FingerChip內部的模式寄存器,將FingerChip設置成獲取象素模式。此時,AT91RM9200通過PIO_PA5將FingerChip的FSS(Fast SPI Slave Slect,低電平有效)信號置為低電平。設置完成后,AT91RM9200為主機,FingerChip為從機。FingerChip的MISO信號將采集到的數據輸入到AT91RM9200的SSC端口對應的RD端,存儲到SDRAM中。

圖2 AT91RM9200與AT77C104B FingerChip連接

  滑動時指紋傳感器獲得的每一個像素,由一個16進制數表示,對應著4個時鐘周期。當傳感器通過SPI端口傳輸獲取到一幀數據時,先傳輸一個幀同步信號F0F00200,然后再傳輸232×8像素指紋數據。因此,每傳輸一幀數據,需要n=(232×8+8)×4=7496個時鐘周期。當FingerChip以6Mbps工作時,每秒中可獲取804幀指紋數據。獲取到的指紋數據存儲在SDRAM中,通過指紋拼接程序將紋幀序列拼接成完整的指紋圖像,然后通過USB傳輸回PC主機中顯示。

4、 系統定制和驅動程序加載

  4.1系統定制

  為了增加系統的可維護性,采用Linux系統,Linux內核可根據需要裁減。系統定制過程為:(1) 首先將RomBoot.bin下載到AT91RM9200的SDRAM里;當超級終端顯示RomBoot程序界面之后,分別將RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下載存儲到DataFlash的0xc0000000和0xc0008000地址。復位開發板,進入U-Boot命令行。(2)在超級終端中,通過tftp將裁減過的Linux內核鏡像文件和文件系統下載到Dataflash中運行。

  4.2 加載驅動程序

  設備驅動程序在Linux內核中,使某個特定的硬件響應一個定義良好的內部編程接口,同時完全隱藏了設備的工作細節。用戶通過一組標準化的調用完成對硬件的操作,而這些調用是和特定的驅動程序無關的。將這些調用映射到作用了實際硬件的設備特定的操作上,就是設備驅動程序的任務。另一方面,這種編程接口使得驅動程序獨立于內核的其他部分而建立,在需要的時候,可以在運行時“插入”內核(調入內存),也即Linux中的模塊化實現,這也是Linux中設備驅動程序的一大特點。

  將FingerChip驅動程序加載到Linux文件系統中,當系統運行時,使用insmod命令,即可實現指紋傳感器設備的裝載。通過標準化的調用,實現對傳感器的控制。

5、 基于滑動式指紋傳感器的指紋拼接算法

  當手指滑過時,滑動指紋傳感器采集到是一系列指紋幀序列,因此在嵌入式系統中,需要對獲取的指紋幀序列進行拼接。與PC機中的CPU相比,ARM芯片速度較低。為了減少刮取指紋后的等待時間,對指紋拼接速度的要求很高。

  從大量的指紋序列中發現,當采集速度足夠快時,指紋幀序列相鄰兩幀之間是連續的,而且會有部分重疊。同時,相鄰指紋幀之間的旋轉和形變微乎其微,幾乎可以被忽略,所以在相鄰指紋幀配準的時候,只需要計算出兩幀之間的偏移量就可以。

  本文運用基于塊匹配指紋拼接算法[5],能夠快速有效的尋找到相鄰指紋幀之間的偏移量。塊匹配算法是:(1)在圖像A中選取M×N大小的X區域;(2)在圖像B中選取所有可能的M×N大小的Y區域;(3)計算X區域和Y區域對應象素差值的平均值MAE;MAE越小,兩區域相似度越高;(4)MAE最小值對應的Y區域即為與X區域匹配。計算公式為:

(1)

其中0≤i≤M-1,0≤j≤N-1,p(i,j)為X區域的點p的象素值,q(i,j)為Y區域對應點q的象素值。MAE越小,兩區域相似度越高。理想情況下,MAE最小值為0。

  具體實現步驟:(1)FingerChip AT77104A獲取到的指紋幀數據大小為232×8,設x方向為232,y方向為8。為了有效的拼接相鄰兩幀指紋,設置獲取每一幀數據的頻率,使得y方向的偏移量dy不大于8,即保證相鄰兩幀一定有重疊。(2)理想情況下,手指在y方向滑動,在x方向上偏移量為0。因此,只考慮dx不大于dy的情況。當dx超過dy時,滑動無效。(3)由(1)(2)可得,|dx|<8。同時可得,最后一行,中間的(232-8×2)個象素與下一幀必有重疊。(4)取前一幀最后一行(232-8×2)個象素,即(232-8×2)×1的模板,與新獲取的一幀指紋匹配。(5)匹配方法:在新的指紋幀里面尋找所有可能的(232-8×2)×1的模板,計算求得MAE。選取MAE的最小值對應的模板,此模板與上一幀的最后一行的(232-8×2)×1的模板相匹配。即得dx,dy。(6)重復執行以上步驟,直到得到一幅完整的指紋圖像。圖3-a為拼接前的指紋幀,圖3-b為拼接后的指紋圖像。

圖3 a.拼接前的指紋幀 b.拼接后的指紋圖像

6、 總結

  本文實現了基于ARM9芯片AT91RM9200和滑動指紋傳感器AT77C104B FingerChip的指紋采集系統,具有低功耗,采集便捷,通信系統簡單等優點,具有很大的實用價值。開發的指紋拼接算法通過了AT77C104B FingerChip獲取的100幅指紋幀序列的測試,均能達到較好的效果。該系統獲取到的指紋幀序列和拼接后的指紋圖像,均可通過USB接口導出,可用于指紋拼接算法有效性的測試和指紋識別算法的測試。因為AT91RM9200支持以太網的接入,因此可以聯網集控。下一步的工作是,在此指紋采集和指紋拼接算法的基礎上,開發指紋識別系統。

 

 

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