基于ARM和滑动指纹传感器的采集系统

　　1、 前言

　　指纹因其唯一性，终身不变性等特点，在安全性要求较高的行业，如海关、金融和刑侦领域得到广泛应用。随着人们安全意识和隐私觉悟的提高，手机、笔记本、PDA等日常电子消费品中也逐渐开始使用指纹识别技术。此类电子消费品因为便携、手持等特点，在体积、重量、功耗方面都有很高的要求，而传统的指纹传感器面积较大，不适合此类产品的使用。

　　随之产生的滑动指纹传感器（sweep fingerprint sensor），因为它更小的体积、更低的价格和极低功耗，已经逐渐开始应用于电子消费领域和其他安全系统中。以ATMEL公司的AT77C104A FingerChip为例[1]，与传统的指纹传感器相比，它具有以下优点：（1）体积小，仅为1.5×15mm;（2）强鲁棒性，采集到的相邻的指纹帧没有旋转形变等;（3）低功耗，图像采集时为4.5mA，导航时为1.5mA，睡眠模式小于10uA。 [2]中应用的图像传感器，获取的指纹图像大小为240×240，面积远远大于滑动指纹传感器。然而手指滑过滑动指纹传感器时，采集到的一个指纹帧序列而并非完整的指纹图像。如何将得到的指纹帧序列快速的拼接成一幅完整的指纹图像，达到与传统的面积较大的指纹传感器相同的效果，成为一个急需解决的难题[3]。

　　为了解决这个难题，本文实现了基于ARM9芯片AT91RM9200[4]和滑动指纹传感器AT77104A FingerChip的指纹采集系统，并在该系统中完成指纹有效拼接。

　　2、指纹采集和拼接系统的硬件设计

　　AT91RM9200是ATMEL推出的ARM9 32位处理器，具有一下优点：运算速度快（在工作频率为180MHz的情况下它的运算速度为200MIPS）、低功耗、可提供片上或片外存储器以及一系列外围控制、通信和数据存储的灵活配置。这些特征使得这款芯片适合嵌入式指纹采集系统的开发。

　　在硬件核心电路中，使用两片16位的SDRAM来配置成32位宽度的高性能存储器，读取数据时候以四个字节为一个单位，从而加快了数据的读取速度。同时外扩一个8M的DataFlash，用于存放Uboot、Linux文件系统和应用程序。

　　在本系统中，包括的通信过程为：

　　（1）主机和ARM板之间的通信包括：首先PC主机在超级终端中使用Xmodem协议发送文件RomBoot.bin到AT91RM9200内置的ROM中，下载完毕后，自动运行;其次分别将RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下载存储到DataFlash，复位后自动启动U-Boot;最后通过以太网口将Linux镜像文件和应用程序下载到DataFlash中。再次复位后，开发板进入Linux系统。

　　（2）AT77C104A和控制芯片之间的通信：通过SPI接口完成。控制芯片通过写寄存器，设置AT77C104A的工作模式;AT77C104A将采集到的数据传递到SDRAM中。

　　（3）在该嵌入式系统中，拼接采集到的指纹帧序列，通过USB接口导出拼接后的指纹图像。

　　图1 指纹采集和拼接系统框图

　　3、AT91RM9200与AT77C104B FingerChip连接及通信过程

　　指纹采集芯片采用ATMEL公司的热敏传感芯片AT77C104A FingerChip，通过滑过传感阵列的指纹脊和谷的温度变化来获取指纹数据。与传统的指纹传感器相比，AT77C104A在体积、功耗、工作频率以及对工作环境的鲁棒性等方面均有优势。该芯片提供了SPI接口，有两种通信总线：

　　（1）SLOW总线：对应SLOW模式，起控制作用，控制和读写内部寄存器;

　　（2）FAST总线：对应FAST模式，用于获取象素，使主机获得所有的指纹象素。

　　在本指纹采集系统中，利用AT91RM9200的SSC接口与AT77C104B FingerChip相连。SSC 包含独立的接收器、发送器及一个时钟分频器。每个发送器及接收器有三个接口：针对数据的TD/RD 信号、针对时钟的TK/RK 信号及针对帧同步的TF/RF信号。AT91RM9200与AT77C104B FingerChip 通信时，前者处于主机方式，后者处于从机方式，连接如图2所示。

　　图2 AT91RM9200与AT77C104B FingerChip连接

　　在该通信过程中，SSC的接收器时钟RK由TK驱动，同时接收端与发送端同步，所以TF与RF相连。AT91RM9200通过I/O口（PIO_PA5）提供片选信号，选择指纹传感器的工作模式。SSC的可编程高电平及两个32位专用PDC 通道，可在没有处理器干涉的情况下进行连续的高速率数据传输，适用于快速获取指纹数据。