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    引 言

    指紋識(shí)別作為生物特征識(shí)別的一種，在身份識(shí)別上有著其他手段不可比擬的優(yōu)越性：人的指紋具有唯一性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)；隨著指紋傳感器性能的提高和價(jià)格的降低，指紋的采集相對(duì)容易；指紋的識(shí)別算法已經(jīng)較為成熟。由于指紋識(shí)別的諸多優(yōu)點(diǎn)，指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐漸走入民用市場(chǎng)，并應(yīng)用到許多嵌入式設(shè)備中。

    目前的嵌入式處理器種類繁多。Altera公司的Nios II處理器是用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器，與Altera的低成本的Cyclone FPGA組合，具有很高的性能價(jià)格比。本系統(tǒng)采用Nios II和Cyclone EP1C20嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板，以及Veridicom公司的FPS200指紋傳感器芯片，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)。

    1 總體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)架構(gòu)

    本系統(tǒng)有兩大功能：指紋登記和指紋比對(duì)。指紋登記主要包括指紋采集、指紋圖像預(yù)處理、特征點(diǎn)提取、特征模板存儲(chǔ)和輸出顯示；指紋比對(duì)的前三步與指紋登記相同，但在特征點(diǎn)提取后，是將生成的特征模板與存儲(chǔ)在指紋特征模板庫(kù)中的特征模板進(jìn)行特征匹配，最后輸出顯示匹配結(jié)果。自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)指紋識(shí)別的基本原理框圖

    本系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為三層：系統(tǒng)硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和指紋識(shí)別算法。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層次

    最底層――系統(tǒng)硬件平臺(tái)，是系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，提供軟件的運(yùn)行平臺(tái)和通信接口。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)在Altera的Nios II Cyclone嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，指紋傳感器采用美國(guó)Veridicom公司的FPS200。FPS200可輸出大小為256×300像素、分辨率為500 dpi的灰度圖像。

    第二層是操作系統(tǒng)，采用μC/OSII。μC/OSII是一個(gè)基于搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，可固化、可剪裁、具有高穩(wěn)定性和可靠性。這一層提供任務(wù)調(diào)度以及接口驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，通過(guò)硬件中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)外界的通信請(qǐng)求的實(shí)時(shí)響應(yīng)，如對(duì)指紋采集的控制、對(duì)串口通信的控制等。這種方式可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

    最上層是指紋識(shí)別核心算法的實(shí)現(xiàn)。該算法高效地對(duì)采集到的指紋進(jìn)行處理和匹配。采用C語(yǔ)言在Nios II的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）中實(shí)現(xiàn)。

    2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    2.1 Nios II嵌入式軟核處理器簡(jiǎn)介

    Nios II嵌入式處理器是Altera公司于2004年6月推出的第二代用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器，性能超過(guò)200 DMIPS。Nios II是基于哈佛結(jié)構(gòu)的RISC通用嵌入式處理器軟核，能與用戶邏輯相結(jié)合，編程至Altera的FPGA中。處理器具有32位指令集，32位數(shù)據(jù)通道和可配置的指令以及數(shù)據(jù)緩沖。它特別為可編程邏輯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，也為可編程單芯片系統(tǒng)（SoPC）設(shè)計(jì)了一套綜合解決方案。Nios II處理器系列包括三種內(nèi)核：一種是高性能的內(nèi)核（Nios II/f）；一種是低成本內(nèi)核（Nios II/e）；一種是性能/成本折中的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核（Nios II/s），是前兩種的平衡。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核。

    Nios II 處理器支持256 個(gè)具有固定或可變時(shí)鐘周期操作的定制指令；允許Nios II設(shè)計(jì)人員利用擴(kuò)展CPU指令集，通過(guò)提升那些對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用軟件的運(yùn)行速度，來(lái)提高系統(tǒng)性能。

    2.2 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

    本系統(tǒng)使用FPS200指紋傳感器獲取指紋圖像。FPS200是電容式固態(tài)指紋傳感器，采用CMOS技術(shù)，獲取的圖像為256×300像素，分辨率為500 dpi。該傳感器提供三種接口方式：8位微機(jī)總線接口、集成USB全速接口和集成SPI接口。本系統(tǒng)采用集成SPI接口。指紋采集的程序流程是：首先初始化FPS200的各個(gè)寄存器，主要是放電電流寄存器（DCR）、放電時(shí)間寄存器（DTR）和增益控制寄存器(PGC)的設(shè)置；然后查詢等待，指紋被FPS200采集進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器后，通過(guò)DMA存入內(nèi)存。

    由于從指紋傳感器采集到的指紋圖像數(shù)據(jù)在80 KB左右，以DMA方式存入片內(nèi)RAM。Nios II對(duì)指紋圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，生成指紋特征模板，在指紋登記模式下，存入片外Flash中；在指紋比對(duì)模式下，與存儲(chǔ)在Flash中的特征模板進(jìn)行匹配，處理結(jié)果通過(guò)LCD和七段LED顯示器輸出顯示。

    本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要是在Altera的Nios II Cyclone嵌入式開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，選用Altera的Cyclone版本的Nios II開(kāi)發(fā)套件，包括Nios II處理器、標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備庫(kù)、集成了SoPC Builder系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具的QuartusII開(kāi)發(fā)軟件等。系統(tǒng)的主要組件Nios II的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核、片內(nèi)存儲(chǔ)器、SPI、UART、DMA控制器、并行I/O接口、Avalon總線、定時(shí)器等都集成在一塊Altera的Cyclone FPGA芯片上，使用SoPC Builder來(lái)配置生成片上系統(tǒng)。

    SoPC Builder是功能強(qiáng)大的基于圖形界面的片上系統(tǒng)定義和定制工具。SoPC Builder庫(kù)中包括處理器和大量的IP核及外設(shè)。根據(jù)應(yīng)用的需要，本系統(tǒng)選用Nios II Processor、On