【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 集和比對(duì)。 FPS200的結(jié)構(gòu)與性能。從結(jié)構(gòu)圖中可以看出其中256300點(diǎn)傳感陣列用于產(chǎn)生感應(yīng)電壓；功能寄存器用于對(duì)芯片進(jìn)行操作控制；控制電路用于傳感器與外部接口電路的控制，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀出與寫入；地址索引寄存器與數(shù)據(jù)寄存器分別用于對(duì)功能寄存器的地址選擇及數(shù)據(jù)的讀寫；采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換電路用于對(duì)傳感陣列所產(chǎn)生的電壓進(jìn)行采樣。另外，多頻振蕩電路用于為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。其具體的引腳功能含義如下[3]： FPS200內(nèi)部控制邏輯電路216。 P0，P1為輸出端口，分別由寄存器CTRLC的位0和位1來(lái)控制。216。 D [7:0] 為雙向數(shù)據(jù)總線，在SPI和USB模式下處于斷開(kāi)狀態(tài)。A0為地址輸入端，低電平時(shí)表示選擇索引寄存器，高電平時(shí)表示選擇數(shù)據(jù)緩沖器，在SPI和USB模式下處于斷開(kāi)狀態(tài)。216。 RD為讀允許端，低電平有效。當(dāng)WR為高電平時(shí)使RD為低電平就可以選中芯片從芯片中讀取數(shù)據(jù)了。216。 WR為寫允許端，低電平有效。當(dāng)RD為高電平時(shí)，使WR為低電平就可以選中芯片向芯片中寫入數(shù)據(jù)了。216。 WAIT為等輸出端口，低電平有效。當(dāng)讀取A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)容時(shí)，如果A/D轉(zhuǎn)換器還處于工作過(guò)程中，則WAIT將變成低電平，表示需要等待A/D轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換才能讀取數(shù)據(jù)。216。 CS0為低電平有效的芯片選擇端，CS1為高電平有效的芯片選擇端，CS0和CS1引腳的功能是由MODE0和MODE1這兩個(gè)引腳的狀態(tài)決定的。216。 MOSI和MISO是SPI模式下的輸入輸出引腳，其具體狀態(tài)也是由MODE0和MODE1這兩個(gè)引腳的狀態(tài)決定的。216。 DP和DM分別為USB的D＋和D－端的數(shù)據(jù)線，在USB模式下。DP和DM都要加一大小為43歐姆的串聯(lián)電阻。另外，在MCU和SPI模式下，這兩個(gè)引腳可分別加一上拉電阻至電源或接地。216。 EXTINT為外部中斷輸入引腳，是可編程引腳，可以邊緣觸發(fā)也可以電平觸發(fā)，可以高電平有效也可以低電平有效。在芯片的三種工作模式中可以處于斷開(kāi)狀態(tài)。216。 INTR為低電平有效的中斷輸出引腳，在無(wú)效狀態(tài)下INTR處于高阻狀態(tài)，當(dāng)有中斷使能事件發(fā)生時(shí)被置為低電平。INTR只能在MCU和SPI模式下使用，在USB模式下應(yīng)處于斷開(kāi)狀態(tài)。216。 TEST為測(cè)試模式允許端，僅為生產(chǎn)廠家使用，用戶使用時(shí)直接將此引腳接至VSS引腳即可。216。 MODE0和MODE1為芯片工作模式的選擇端，兩者不同的取值組合將決定芯片不同的工作模式。216。 AIN為輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入端，可通過(guò)設(shè)置CTRLA寄存器中的位AINSEL來(lái)實(shí)現(xiàn)。特別建議通過(guò)一個(gè)電阻將此引腳接地。216。 可以通過(guò)在ISET和模擬地VSSA1之間接一個(gè)大小為200K的電阻來(lái)設(shè)置內(nèi)部電流，放電電流是內(nèi)部電流的一個(gè)。216。 可以通過(guò)在FSET和地之間接一個(gè)電阻來(lái)設(shè)置內(nèi)部多諧振蕩器和自動(dòng)指紋檢測(cè)頻率。這里我們使用56K大小的電阻，這樣獲得振蕩器的頻率為12MHZ，指紋的自動(dòng)檢測(cè)采樣頻率將是120KHZ。216。 XTAL1和XTAL2為內(nèi)部晶體振蕩器的輸入和輸出端。系統(tǒng)如果使用內(nèi)部晶體振蕩器，則直接將晶振電路與這兩個(gè)引腳相連即可，若是用外部晶體振蕩器，XTAL1引腳直接接外部晶體振蕩器的輸出端，而XTAL2引腳處于斷開(kāi)狀態(tài)。 FPS200輸出模式選擇FPS200支持三種接口形式和四種操作模式，這四種操作模式相互獨(dú)立，不能同時(shí)工作。FPS200通過(guò)MODE[1:0]管腳來(lái)控制輸出這四種狀態(tài)。FPS200的操作模式如表31所示[3]。表31 FPS200操作模式MODE[0,1]描述00MCU接口模式01SPI接口模式10USB模式，用內(nèi)部ROM11USB模式，用外部ROM在微處理器接口模式中，可將FPS200與ARM相連，且其接口形式非常簡(jiǎn)單。需要說(shuō)明的是，在該芯片中，地址選擇與數(shù)據(jù)寫入是分兩步完成的，先通過(guò)A0置0來(lái)寫地址索引寄存器，然后再對(duì)A0置1來(lái)讀寫對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)寄存器；SPI是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行接口，它允許8位數(shù)據(jù)同時(shí)、同步地被發(fā)送和接收，而且只用到的信號(hào)：SCLK，SCS，MOSI，MISO，EXTINT?？蓪⑾到y(tǒng)配置為SPI主操作((Master)與從操作(Slave)，其接口形式與一般的串行外圍接口方式一致，故此不再贅述；USB接口有兩種模式：一種是用芯片內(nèi)部的ROM來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備信息，一種是用外部串行ROM來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備信息。本設(shè)計(jì)選用SPI接口模式對(duì)指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。 FPS200與處理器接口電路設(shè)計(jì) EasyARM615與FPS200硬件接口框圖 FPS200接口電路采集器與處理器的接口設(shè)計(jì)是指紋采集的核心。本系統(tǒng)用EasyARM615的SSI接口與FPS200的SPI接口連接，采用SPI總線技術(shù)進(jìn)行通信。FPS200的SPI接口的通信速度最高可以達(dá)到10Mbps。從圖中可以得知，EasyARM615作為SPI主設(shè)備，F(xiàn)PS200作為SPI從設(shè)備。從圖中我們可以看到，MODE0接地，MODE1接高電平，使FPS200工作在模式0（SPI模式）；P0、P1分別通過(guò)限流電阻接LED，用于顯示FPS200的工作狀態(tài)；DM、DP分別通過(guò)10K電阻接地；SPI總線SCLK、SCS、MOSI、MISO分別通過(guò)10K上拉電阻接高電平，用于數(shù)據(jù)的傳輸。FPS200接口電路設(shè)計(jì)參見(jiàn)附錄A。 ARM處理器及外圍接口電路設(shè)計(jì) LM3S615芯片Luminary Micro Stellaris系列微控制器是首款基于ARM CortexM3 的控制器，它將高性能的32 位計(jì)算引入到對(duì)價(jià)格敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用中。這些堪稱先鋒的器件，價(jià)格與8 位和16 位器件相同，卻能為用戶提供32 位器件的性能，并且所有器件都是以小型封裝的形式提供。 LM3S615芯片Stellaris 系列的LM3S615微控制器（）擁有ARM 微控制器所具有的眾多優(yōu)點(diǎn)，如擁有廣泛使用的開(kāi)發(fā)工具，片上系統(tǒng)（SoC）的底層結(jié)構(gòu)IP 的應(yīng)用，以及眾多的用戶群體。此外，控制器還采用了ARM 可兼容Thumb174。的Thumb2 指令集來(lái)降低內(nèi)存的需求量，進(jìn)而降低成本[1]。 電源電路設(shè)計(jì)EasyARM615開(kāi)發(fā)套件采用5V供電。，供電極性采用外正內(nèi)負(fù)，外部供電電源的電流要求不少于500mA。該開(kāi)發(fā)套件采用USB接口供電，標(biāo)配有USB電源適配器。5V電源通過(guò)插座進(jìn)入到開(kāi)發(fā)套件后，先經(jīng)過(guò)二極管D1，D1的作用是防止用戶提供極性相反的電源燒壞硬件。F1為一個(gè)電流為500mA的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲SMD050，電源經(jīng)過(guò)F1后。當(dāng)誤插入大于6V電源時(shí)，，保護(hù)板上的其它器件不被損壞；當(dāng)電流大于500mA時(shí)，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲SMD050電阻變得很大，保護(hù)電源不被損壞。 電源電路，。，C2，C3，C4和C5電容起到濾波作用，而D3發(fā)光二極管作為電源指示燈，開(kāi)發(fā)套件上電后D3就被點(diǎn)亮。 JTAG電路設(shè)計(jì)JTAG(Joint Test Action Group聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議(IEEE )，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試。它是1985年制定的檢測(cè)PCB和IC芯片的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，1990年被修改后成為IEEE的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，—1990。通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)具有JTAG接口的芯片的硬件電路進(jìn)行邊界掃描和故障檢測(cè)?，F(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI和TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG最初是用來(lái)對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試的，基本原理是在器件內(nèi)部定義一個(gè)TAP(Test Access Port：測(cè)試訪問(wèn)口)，通過(guò)專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。JTAG測(cè)試允許多個(gè)器件通過(guò)JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)器件分別測(cè)試?，F(xiàn)在，JTAG接口還常用于實(shí)現(xiàn)ISP(In—System Programmable：在線編程)，對(duì)FLASH等器件進(jìn)行編程。具有JTAG接口的芯片其相關(guān)引腳的定義為：TCK為測(cè)試時(shí)鐘輸入；TDI為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò)TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測(cè)試模式選擇，TMS用來(lái)設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測(cè)試模式；TRST為測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。JTAG編程方式是在線編程，傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對(duì)芯片進(jìn)行預(yù)編程再裝到板上的方式因此而改變，簡(jiǎn)化的流程為先固定器件到電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進(jìn)度。JTAG接口可對(duì)PSD芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行編程。目前有各種各樣簡(jiǎn)單JTAG電纜，其實(shí)只是一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)還起到保護(hù)作用。JTAG的邏輯則由運(yùn)行在PC上的軟件實(shí)現(xiàn)，所以在理論上，任何一個(gè)簡(jiǎn)單JTAG電纜，都可以支持各種應(yīng)用軟件，如Debug等。有的同一個(gè)JTAG電纜可以支持Xilinx CPLD，AXD/ADW調(diào)試程序。關(guān)鍵在于軟件的支持，大多數(shù)軟件都不提供設(shè)定功能，因而只能支持某種JTAG電纜。EasyARM615開(kāi)發(fā)套件的JTAG電路采用ARM公司提出的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG仿真調(diào)試接口。 JTAG接口電路 UART通信接口電路設(shè)計(jì) RS232接口電路EasyARM615開(kāi)發(fā)套件設(shè)計(jì)了一個(gè)RS232接口電路，實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)套件與PC機(jī)串口通信。通過(guò)SP3232E，將UART接口的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232電平信號(hào)，[1]。LM3S系列單片機(jī)的I/O信號(hào)可以承受5V電壓，所以可以直接使用SP3232E。 本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是指紋采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。首先介紹了指紋傳感器FPS200結(jié)構(gòu)與性能、輸出模式，并設(shè)計(jì)了與處理器的接口電路；其次介紹了EasyARM615開(kāi)發(fā)套件的硬件電路，包括LM3S615芯片、電源電路和JTAG電路；最后對(duì)UART通信接口電路的進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。第四章 指紋采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)完畢，并測(cè)試系統(tǒng)在硬件上沒(méi)有問(wèn)題之后，就應(yīng)該考慮如何完成應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。，源程序參見(jiàn)附錄B。 主程序流程圖本指紋采集系統(tǒng)應(yīng)用程序的編寫是在μC/OSⅡ操作系統(tǒng)上完成的。為了實(shí)現(xiàn)指紋采集的功能，本設(shè)計(jì)主要編寫了FPS200驅(qū)動(dòng)程序、指紋采集程序taskFinger()、串行通信程序taskUart()，其中taskFinger()和taskUart()的初始化是在啟動(dòng)任務(wù)taskStart()中完成的。 FPS200驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，，源程序參見(jiàn)附錄B。FPS200驅(qū)動(dòng)程序包括FPS200初始化、FPS200寫寄存器、FPS200讀寄存器、指紋檢測(cè)、參數(shù)調(diào)整、指紋圖像行獲取和指紋圖像獲取等。 FPS200初始化對(duì)傳感器FPS200包括以下幾個(gè)初始化內(nèi)容：1. 對(duì)控制寄存器A(CTRLA)的初始化：FPS200Write (FPS200_CTRLA，0x02)；2. 設(shè)置傳感器門限值：FPS200Write(FPS200_THR，F(xiàn)PS200_THR_VALUE)；3. 設(shè)置傳感器控制寄存器B(CTRLB)：FPS200Write (FPS200_CTRLB，0x05 )；4. 調(diào)整傳感器放電參數(shù)和增益：FPSSetParameters(FPS_DTR_TIME,FPS_DCR_CURRENT,FPS_PGC_VALUE)。5. 清除所有中斷：FPS200Write(FPS200R，0x03)；6. 最后，打開(kāi)傳感器指紋檢測(cè)中斷，一旦有手指放下將開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。FPS200Write(FPS_ICR,0x11)。FPS200傳感器陣列為256300點(diǎn)，則其一枚指紋的最大數(shù)據(jù)量為75KB。 指紋檢測(cè)SPIFingerDetect ()函數(shù)的功能是判斷手指是否已經(jīng)放在傳感器上，其程序如下所示，先從傳感器獲取一行指紋數(shù)據(jù)，然后通過(guò)計(jì)算判斷是否有手指。void SPIFingerDetect (void){ while (1) { uint16 i。 uint16 count=0。 uint16 result=0。 uint8 detectrow[256]。 SPIGetRow(detectrow,0,0x96)。 //從傳感器獲取一行指紋圖像數(shù)據(jù) for (i=0。 iCOL_NUM。 i++) { if (i!=0) { result=detectrow[i1]。 result=((result+detectrow[i])/2)。} if(result0xA0) count++。 } if (count100) break。 //若像素值大于0xA0且計(jì)數(shù)大于100，則為手指 }} 讀、寫寄存器FPS200寄存器讀命令包括一個(gè)命令字節(jié)和一個(gè)地址字節(jié)。命令系列開(kāi)始時(shí)，SPI主機(jī)置SCS低電平并往MOSI引腳發(fā)送讀命令(編碼為0x03)。緊接著SPI主機(jī)發(fā)送地址字節(jié)，即待讀的寄存器地址。接收到地址的最后一位(LSB)后，F(xiàn)PS200傳感器發(fā)送選擇的寄存器內(nèi)容到MISO引腳。最后，主機(jī)采樣到數(shù)據(jù)的LSB后置SCS高電平。當(dāng)讀A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，主機(jī)應(yīng)該保持SCS－低電平以讀出連續(xù)的點(diǎn)。SPI伺服傳感器將自動(dòng)增加地址到下一個(gè)點(diǎn)。SPI主機(jī)在發(fā)送另一個(gè)命令前必須置SCS高電平。FPS200寄存器寫命令包括一個(gè)命令字節(jié)和緊跟著數(shù)據(jù)的地址字節(jié)。命令開(kāi)始時(shí)SPI主機(jī)置SCS低電平并往MOSI引腳發(fā)送命令字節(jié)(編碼為0x02)。然后主機(jī)發(fā)送地址字節(jié)，標(biāo)明了要寫的寄存器。最后，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，之后置SCS高電平。為了讀寫寄存器方便，本設(shè)計(jì)編寫了FPS200Write()和FPS200Read()兩個(gè)函數(shù)。 FPS200讀、寫寄存器流程圖 典型參數(shù)調(diào)整為了獲取比較理想的指紋數(shù)據(jù)，首先