【正文】 分為兩類：由DSP控制的加載模式和由外部主機控制的加載模式。并行外部寄存器（EMIF）加載、標(biāo)準(zhǔn)串口加載以及串行外設(shè)接口（SPI）加載都是由DSP控制的加載模式。通用I/O引腳的電平設(shè)置決定了引導(dǎo)方式，如表32所示。GPIO0GPIO1GPIO2GPIO3引導(dǎo)模式0000保留0001串行（SPI）24位地址EPROM引導(dǎo)0010USB0011保留0100保留0101HPI復(fù)式引導(dǎo)模式0110HPI非復(fù)式引導(dǎo)模式0111保留1000在CEI空間開始執(zhí)行1001串行（SPI）16位地址EPROM引導(dǎo)1010保留1011在CEI空間16位異步存儲引導(dǎo)1100保留1101保留1110在McBSP0標(biāo)準(zhǔn)的串行引導(dǎo)（16位）1111在McBSP0標(biāo)準(zhǔn)的串行引導(dǎo)（8位）32 系統(tǒng)引導(dǎo)方式設(shè)置表表(2) 引導(dǎo)過程GPIO0、GPIOGPIOGPIO3四個引腳在處理器上電初始化時候的狀態(tài)決定了C5509采取什么樣的引導(dǎo)方式。在引導(dǎo)的過程中，C5509將固化在外部存儲器上的程序代碼導(dǎo)入片內(nèi)的RAM中，使得程序能快速地運行。 本章小結(jié)本章將各種嵌入式指紋識別系統(tǒng)的性能進行了比較，對我們所要開發(fā)的嵌入式指紋識別系統(tǒng)的原型系統(tǒng)進行分析，依據(jù)系統(tǒng)的便攜和省電的實際需求，確定了以DSP芯片為核心的指紋識別系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一個既可聯(lián)機又可脫離計算機獨立運行的自動指紋識別系統(tǒng)。在DSP的選型上，由于TI公司生產(chǎn)的C5509在實時性和低功耗方面具有非常明顯的優(yōu)勢，正成為通信和個人消費領(lǐng)域的主流DSP產(chǎn)品之一，最后詳述了DSP芯片的結(jié)構(gòu)特性和程序加載方式，為后面的系統(tǒng)設(shè)計做好鋪墊。第四章 滑動式指紋傳感器與圖像重組算法 指紋傳感器概述 活體指紋傳感器活體指紋采集最重要的部分是前端的傳感單元，這是指紋圖像形成的重要部分。由于指紋采集的應(yīng)用場合不同，所需要的指紋識別系統(tǒng)的性能也不盡相同，應(yīng)該針對不同的應(yīng)用環(huán)境，選擇合適的指紋傳感器，以達到好的識別效果。目前市場上指紋傳感器根據(jù)不同的成像原理，大致有光學(xué)式、半導(dǎo)體式和超聲波式三種類型。(1)光學(xué)采集器光學(xué)衰減全內(nèi)反射技術(shù)(FTIR)是最早使用的活體采集技術(shù)。手指觸碰玻璃棱鏡的頂部，當(dāng)脊線與棱鏡表面接觸時，谷線卻保持一定的縫隙，用散光從棱鏡的左邊照射，照射進來的光線在谷線部位被反射，而脊線部位卻吸收了，反射回來的光線通過透鏡聚焦CCD上，這種反射的差別就很容易分辨脊線和谷線。但是光學(xué)指紋采集設(shè)備存在諸多不足之處，主要表現(xiàn)在以下四個方面：首先，用塑膠假手指，能夠在光學(xué)傳感器上得到與真手指非常相近的指紋圖像，因此，必須開發(fā)新的技術(shù)來增強傳統(tǒng)光學(xué)傳感器分辨真?zhèn)蔚哪芰?；其次，光學(xué)傳感器一般體積都比較大，而且成本較高，這樣就對應(yīng)用的范圍提出了限制；最后，手指在臺板上按完后留下的潛在指印嚴(yán)重時會導(dǎo)致兩個指印的重疊。另外臺板上的涂層(膜)和CCD陣列隨著時間的推移會有損耗，精確度會降低。近年來光學(xué)指紋采集家族中新出現(xiàn)的紅外線指紋傳感器采用對指紋的真皮層反射，能夠較好地區(qū)分手指的真假。但是其設(shè)備尺寸大，成本高，不適合應(yīng)用于嵌入式的便攜式產(chǎn)品[52]。(2)半導(dǎo)體采集器半導(dǎo)體傳感器是1998年在市場上才出現(xiàn)的，這些含有微型晶體的平面通過多種技術(shù)來繪制指紋圖像。晶體采集器的傳感單元都排列著像素，每個像素是一個微小的感應(yīng)元素。用戶把手指按壓在傳感單元表面后直接把指紋信息轉(zhuǎn)換成電子信號，不需要光學(xué)裝置也不需要任何外部 CCD。根據(jù)電壓產(chǎn)生原理的不同，主要分為以下四類：電容型，電場型，熱量型和壓電型采集器。① 硅電容性采集器是當(dāng)今最為常用的。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100000個電容傳感器，其外面是絕緣的表面。傳感單元中電容的一極呈二維排列，每個微電容的另一級就是手指皮膚。當(dāng)手指置于傳感器上時，在手指和電容器之間產(chǎn)生電荷，電荷的大小與手指表面和電容器極性之間的距離有關(guān)。采集器利用此原理敏感地感應(yīng)脊線與谷線之間電荷的不同。硅電容性采集器和光學(xué)采集器一樣需要第四章 滑動式指紋傳感器與圖像重組算法三維的手指輸入，這樣不容易被指紋圖片欺騙。這種采集器的關(guān)鍵部位是感應(yīng)面，硅晶體芯片需要被保護防止手指汗液中化學(xué)物質(zhì)的侵?jǐn)_。但是太厚的表面，脊線與谷線間的差別降低，導(dǎo)致感應(yīng)單元的不敏感性。特別是在手指條件比較差的情況下，谷線的深度只有微米級，所以保護層在保證可以抵制外界磨損的情況下，要盡可能的薄一些。另外，還應(yīng)考慮從手指帶來的靜電對傳感器的損壞作用。因此，一些合適的保護措施應(yīng)該被運用，防止靜電、化學(xué)侵蝕、物理刮傷等。該類型采集器的優(yōu)點是可以改變電子參數(shù)，在手指條件差的情況下也能獲取不錯的指紋圖像。② 壓電型傳感器的設(shè)計原理是根據(jù)壓力大小產(chǎn)生不同的電信號。該表面用一種不傳導(dǎo)的介電材料做成，當(dāng)有來自手指壓力時產(chǎn)生微弱的電流信號。電流的大小與壓力的大小有關(guān)，脊線與谷線的壓力是不同的。不理想的是，這些材料對壓力不十分敏感，且保護層可能損壞指紋圖片。另外，這種傳感器只能得到二值圖像，信息量較小。③ 熱量型采集器中有一種化學(xué)物質(zhì)可以根據(jù)溫度的不同產(chǎn)生不同的電流，指紋的脊線因為與傳感器表面相接觸可以產(chǎn)生與遠離表面的谷線不同的溫度。應(yīng)用中利用電加熱保持傳感器表面較高的溫度，增加表面和手指的溫度差。當(dāng)手指觸碰感應(yīng)器表面，溫度差形成指紋圖像，但是當(dāng)溫度達到平衡后，圖像會很快消失。④ 電場型采集器包括一個能夠產(chǎn)生正弦信號驅(qū)動環(huán)和一個能夠接受由驅(qū)動環(huán)傳遞、手指皮膚調(diào)制的微弱信號的接收器矩陣。采集時，手指必須同時觸碰傳感單元和驅(qū)動環(huán)。為了得到指紋圖像，矩陣中每個單元的模擬信號被增強、合并、數(shù)字化。(3)超聲波采集器超聲波采集原理是基于發(fā)送聲學(xué)信號并捕捉回聲信號，回聲被用來計算指紋的行列圖像和脊線結(jié)構(gòu)。采集器有兩個主要部件：發(fā)射機——產(chǎn)生短聲波脈沖；接收器——接受從指紋返回的聲波信號。這種方法可以忽略污漬、油脂帶來的干擾，獲取到較好的指紋圖像。然而因為采集器體積較大，價格昂貴，另外采集圖像費時，基本還處于實驗室階段。隨著手機、掌上電腦以及筆記本電腦等手持電子設(shè)備的不斷發(fā)展和普及，同時人們對電子商務(wù)安全和個人信息安全也越來越重視，以功耗低、體積小為優(yōu)勢的半導(dǎo)體指紋傳感器的市場需求量將會不斷增加。 指紋輸入方法指紋輸入方法有兩種：觸碰法和掃描法。當(dāng)今流行的采集器大多使用觸碰法：手指簡單置于采集器表面，不需要移動手指，等待采集器的采集。該方法優(yōu)點是操作簡單，低齡用戶經(jīng)過訓(xùn)練也能使用，其缺點為：(1) 手指移開后，可能在傳感器上留下指紋印痕；(2) 指紋的旋轉(zhuǎn)帶來識別的問題，有些算方法不支持指紋的旋轉(zhuǎn)；(3) 價格和感應(yīng)區(qū)尺寸的折中問題。指紋輸入的另一種方法是掃描法。手指置于感應(yīng)區(qū)，慢慢移動手指等待采集器輸入指紋圖像，并從眾多圖像切片中進行指紋圖像重構(gòu)。使用這種技術(shù)可以減少感應(yīng)區(qū)尺寸，價格會大大降低。半導(dǎo)體傳感器的制造成本主要集中在傳感器的半導(dǎo)體場效應(yīng)像素陣列上，要想有效的降低半導(dǎo)體指紋傳感器的成本就要想辦法減少半導(dǎo)體場效應(yīng)像素陣列的面積。滑動式指紋傳感器正是實現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑，它的有效場效應(yīng)像素陣列面積約占手指指尖部分的1/5。本文采用的就是基于掃描輸入法的指紋傳感器LTTSS500，是臺灣Ligh Tuning公司生產(chǎn)的新型滑動式硅電容場效應(yīng)陣列指紋傳感器。 滑動式指紋傳感器LTTSS500的結(jié)構(gòu)特性LTTSS500是臺灣祥群科技科技有限公司（Ligh Tuning）生產(chǎn)的一款專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的高性能、低功耗的滑動式指紋傳感器，可以很方便地集成到各種 Internet設(shè)備，如：便攜式電腦、PDA、移動電話等。LTTSS500芯片主要技術(shù)參數(shù)可歸納為：封裝：18個引腳掃描區(qū)面積：* 傳感器陣列：192*16分辨率：500256個灰度級集成了8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作電壓：正常工作電流：閑置狀態(tài)電流：幀速率：小于400LTTSS500芯片主要應(yīng)用領(lǐng)域：計算機外圍設(shè)備：如鼠標(biāo)、鍵盤移動設(shè)備：如PDA、手機需要身份認(rèn)證的電子商務(wù)系統(tǒng) 指紋傳感器LTTSS500的電路設(shè)計 LTTSS500指紋傳感器工作原理LTTSS500傳感陣列為192*16或者192*8兩種，其成像原理與其他電容式硅晶體指紋傳感器一樣，傳感器單元檢測到金屬板和手指之間電容并將電容轉(zhuǎn)換電壓。由每個傳感單元所產(chǎn)生的電壓，依次輸出到電壓放大器。放大器放大電壓以增加靈敏度。然后嵌入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大的電壓轉(zhuǎn)化成8位數(shù)字信號。有4個8位的控制指令，這些指令由SCK和SDA來設(shè)置。控制邏輯產(chǎn)生控制信號，CLK是系統(tǒng)時鐘，CLK最高頻率為15。LTTSS500有兩個接口方式：普通模式和SPI模式。其結(jié)構(gòu)框圖如下圖41和42所示：圖41 普通模式圖42 SPI 模式 (1) 普通模式在普通模式下，指紋傳感器和相關(guān)的設(shè)備（如ADC和AMP）始終處于通電狀態(tài)。接觸的傳感器是活躍。LTTSS500會感知圖像并每12個時鐘周期傳遞一個像素數(shù)據(jù)。信息傳輸期間，F(xiàn)_SYNC代表幀的開始，P_SYNC表示開始新的像素。如果在此模式下RST設(shè)置為“l(fā)ogic 0”， LTTSS500停止傳輸并進入閑置模式。(2) 閑置模式處于閑置模式時，LTTSS500的功耗最低。當(dāng)RST設(shè)置為“l(fā)ogic 0”時， LTTSS500進入此模式。在此模式下，LTTSS500所有模擬器件和邏輯控制器處于電源關(guān)閉狀態(tài)。只有串行控制接口是處于電源接通狀態(tài)的。當(dāng)閑置模式轉(zhuǎn)為普通模式或通信狀態(tài)時，用戶必須重新進行指令設(shè)置。圖像增益控制LTTSS500有內(nèi)部的PGA (Program Gain Amp)，可以用來調(diào)整圖像增益。放大器增益調(diào)整適當(dāng)能夠提高指紋圖像的質(zhì)量。A/D轉(zhuǎn)換器LTTSS500指紋傳感器內(nèi)置8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），ADC每12個時鐘周期輸出一個像素。ADC的最高參考電壓（VRT）和最低參考電壓（VRB）分別取決于VT[4:0]和VB[3:0]的設(shè)置。－，－，VRB必須始終比VRT的值低，如果ADC的輸出電壓高于VRT，輸出為255，如果ADC的輸出電壓低于VRB，輸出0。因此，適當(dāng)?shù)腣RT和VRB取值可以大幅度提高圖像的質(zhì)量。串行控制接口串行控制接口與外部控制器進行通信。用戶可通過串行控制接口對指令賦值。首先，外部控制器必需產(chǎn)生一個啟動信號來引導(dǎo)外部通信。在啟動狀態(tài)下，從SDA轉(zhuǎn)變成“l(fā)ogic 0”到SCK轉(zhuǎn)變成“l(fā)ogic 0”至少需要4個時鐘周期。啟動后，控制器需發(fā)送7位串行地址，來決定寫入哪個指令。第8位需設(shè)定為0用于寫數(shù)據(jù)。9－16位串行數(shù)據(jù)，用來存放指令。串行地址和數(shù)據(jù)的第一位是MSB，最后一位是LSB。串行地址和數(shù)據(jù)傳輸完后，控制器需產(chǎn)生一個停止信號，使內(nèi)部的通信結(jié)束。進入停止?fàn)顟B(tài)時，從SDA轉(zhuǎn)變成“l(fā)ogic 1”到SCK轉(zhuǎn)變成“l(fā)ogic 1”也至少需要4個時鐘周期。 注意：TT7至少是4個時鐘周期 圖43 LTTSS500 初始化時序圖STFM（指令地址0h的第7位）設(shè)置為“Logic 0”，LTTSS500進入指令設(shè)置狀態(tài)，如果設(shè)置成“Logic 1”，LTTSS500將進入普通模式。因為STFM是在指令地址0h的第7位，是指令的指令，所以指令0h必需是最后才設(shè)置的。 當(dāng)“RET”初始化LTTSS500后（如圖43所示），LTTSS500將再次進入指令設(shè)置狀態(tài)。LTTSS500的數(shù)據(jù)是串行輸出的，輸出秩序，是由上到下，從左至右。 用戶可以通過RWS （地址1h的第5位）的設(shè)置來選擇傳感器LTTSS500的傳感陣列是192*16或是192*8，如圖44所示，當(dāng)使用192*8傳感陣列時，只有中間8行被掃描。圖44 192*16和192*8的傳感陣列　　　LTTSS500輸出時序圖如圖45所示，如果是普通類型的接口，圖像垂直掃描，而所有像素是連續(xù)輸出的。如果是SPI型的接口方式，會用到3個輸出引腳：SCLK, MOSI和/SS。當(dāng)有像素輸出時，傳感器LTTSS500為主方，微處理器是從方，在SCLK的上升沿MOSI的值做一次改變，時序圖如圖45。 圖45 LTTSS500信號輸出時序圖 指紋采集模塊的硬件設(shè)計指紋采集模塊的主要構(gòu)成是C5509 DSP，滑動式傳感器LTTSS500，外部擴展Flash ROM SST25VF010三大部分。另外，系統(tǒng)采用了SST公司的1Mbit SPI FLASH SST25VF010來進行外部存儲器的擴展，用來存儲指紋特征和程序代碼，對于外部擴展的FLASH的選型和設(shè)計本文做了深入的分析，會在第五章做詳細(xì)的說明，采集模塊硬件電路如圖46。圖46 C5509與LTTSS500電路連接圖 條狀指紋圖像重組算法的研究TTSS500由于它的高性能、低功耗、低價格、小尺寸，可以很方便地集成到各種Internet設(shè)備，如：便攜式電腦、PDA、移動電話等，因此具有廣泛的市場前景。但是它的缺點是滑動式硅電容傳感器輸