一种新型指纹识别系统的设计与实现

摘 要： 针对目前对嵌入式指纹识别系统的广泛需求，提出了一种基于TMS320VC5501 DSP芯片和HV7131R COMS图像传感器的新型指纹识别系统。该系统采用独特的设计方法提高了存储器的可扩展性以及图像采集电路设计的灵活性，采用特别的图像处理算法显著提高了指纹图像识别的准确率和速度。实验结果表明，该识别系统图像采集速度快、识别精度高、适用性强，具有一定的参考价值。
关键词： TMS320VC5501；图像采集；指纹识别算法

相对于人体其他的生物特征而言，指纹在唯一性、永久性方面有着明显优势，即使皮肤受伤磨损，只要不伤及真皮，也能重新长出。另外，指纹识别应用起来方便可靠，不会对人体构成损伤。基于这些特征，指纹识别技术受功率电感到了普遍重视，一系列带有身份识别和防伪功能的产品被开发，如指纹身份证、准考证、社会保障卡、银行储蓄卡等。随着计算机集成技术的提高，指纹识别设备已向小型化、自动化、嵌入式方向发展，并显电感器用途示出旺盛的市场需求。
本系统采用高性能、低功耗的DSP芯片TMS320VC5501作为核心处理器，扩展了SDRAM和FLASH存储器，集成了一体电感CMOS图像采集、LCD、键盘、JTAG仿真接口USB等外设，设计紧凑、布局合理；充分利用了片上资源，仅用一片DSP芯片完成了从指纹图像获取、预处理、指纹匹配及结果显示等功能。系统既可以脱机工作，也可以通过接口进行二次开发，整合到其他系统中去。
1 指纹识别基本原理
指纹识别主要涉及指纹采集、图像预处理、特征提取、特征匹配等过程。首先，通过指纹采集设备获取指纹的数字图像，并对原始图像进行预处理，提高图像质量。然后，指纹识别算法从指纹图像中提取出所需的特征数据，根据需要将特征信息存入指纹数据库中。最后，用当前获得的特征数据与预存在特征库中数指纹模板进行比对，通过匹配算法计算出它们的相似程度，从而得到两幅指纹图像的匹配结果。指纹识别原理框图如图1所示，指纹图像预处理、特征提取、指纹匹配是整个系统的核心。

2 系统硬件设计与研究
指纹识别系统硬件平台是应用程序与指纹识别算法运行的物理平台。综合考虑器件选型、结构简单、低功耗、低成本、工作稳定、可扩展接口与调试方便等方面的因素，确定了系统硬件设计方案，其组成部分为：核心处理器(DSP)、系统电源管理、存储设备(SDRAM和FLASH)、指纹采集头、人机交互模块(键盘和LCD)、在线仿真接口(JTAG)。整个系统硬件结构如图2所示。

2.1 系统核心处理器
TMS320VC5501是美国德州仪器(TI)公司生产的一款高性能、低功耗的16 bit定点DSP芯片[1]。该芯片时钟频率最高可达300 MHz，配以双乘加结构，每秒最高可以完成600万次乘加运算。采用改进的哈佛结构，芯片内部有1组程序总线、3组数据读总线和2组数据写总线，使得系统在一个时钟周期内能完成3次读和2次写的操作，并且提供了专用的汇编指令，极大地提高了数据处理能力。
2.2 存储器扩展
TMS320VC5501的内部存储空间仅有32 KB，无法满足系统程序的需要，因此需要通过外部存储器接口(EMIF)扩展存储空间[2]。本系统同时扩展了SDRAM和FLASH。其中，SDRAM采用了Hynix公司的HY57V161610D，用于运行程序与指纹图像处理数据的暂存。针对图像的算法在片内DARAM上实现的效率要远远高于外扩存储器的情况，将指纹采集器输出的图像大小设置为280×280，并经过图像压缩成大小140×140，再采用高低位分开放置图像数据，整个图像数据就不到20 KB。同时，指纹图像处理算法的程序也不超过8 KB。这样，图像识别过程中的程序和数据都在片内DARAM上完成，可以缓解EMIF总线接口共模电感的压力并提高系统的数据处理能力。
本系统中FLASH主要有2个作用：(1)用于存放程序代码，上电以后，FLASH中的各段程序代码被装入SDRAM或DSP内部DARAM中，系统开始正常工作；(2)存放指纹处理程序处理完指纹后所获得的指纹特征以及一些相关的信息数据等。本系统采用FLASH芯片为SST39VF3201，存储容量为2M字。但是，DSP片上仅有20根地址线，最多可以扩展到1M字。设计中将GPIO7直接连接到SST39VF3201的A22管脚，使用GPIO电感器生产7模拟地址线访问FLASH空间。高地址位存储指纹模板，低地址位存储引导程序，可以有效地利用FLASH空间资源。

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