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指紋識別作為生物特征識別的一種，有其不可比擬的優點。由于可以隨身攜帶這種特殊的“印章”，所以受到越來越多人的重視。本系統使用TI的TMS320VC5402（以下簡稱5402）作為核心。DSP與單片機相比，多用于算法比較復雜，乘加運算量比較大的場合。該芯片為一款定點的DSP，它具有高達100MIPS的運算能力，同時具有優化的CPU結構和一系列的智能外設。下面著重討論基于該芯片的系統設計。 1 總體設計 指紋系統總體設計方案如圖1所示。 該系統是由指紋采集儀、FPGA、SRAM和Flash等硬件組成。RS232用于數據傳輸，PC機可以通過該接口得到指紋特征數據；Flash存儲指紋信息庫、LCD用的字符和DSP程序；FPGA在DSP的控制下從取指器中取出圖放入SRAM中；小鍵盤用于用戶輸入ID號碼，增強該系統的安全等級。 1.1 存儲空間的軟硬件設計 本系統要訪問的存儲器有三個： DSP內部DARAM（16K字，用于存放常量和變量的數據空間）、SRAM和Flash。因為5402有20根地址線可以用來對程序空間尋址，所以有1M字節的尋址空間，利用高地址線A19來區分Flash和SRAM。其中SRAM是BootLoader后程序運行的空間，這樣就把Flash放在高地址上去了。5402的數據尋址空間僅為64K，所以要進行分頁擴展。為了避免和DARAM的訪問沖突，不能使用64K一頁。因為64K中低地址的16K實際上不能訪問，它優先被64K中低地址的16K實現上不能訪問，它無被DARAM訪問，所以定為32K的一數據頁。分配一個I/O地址，而后通過I/O地址的譯碼對74LS273進行使能控制，最后鎖存I/O的數據作數據頁。當對數據空間進行訪問時，應分為以下幾步： ①解析該地址，進行分割。前（低）15位為頁內地址，后（高）6位為頁地址。 ②判斷頁地址是否為0。如果為0，則說明訪問DARAM，直接使用訪問數據的指令；需要的16位地址就是前15位的地址、高位補零，并結束。 ③把頁地址用PORTW命令送到寄存器（所分配的I/O空間地址）里，頁地址也就在SRAM的高地址線上了。 ④再使用訪問數據的指令，需要的16位地址就是前15位的地址、高位補零。 對存儲器的管理，需要編寫一定量的程序。可以設置一個全局變量存儲頁地址。由于擴展頁僅為32K，大于32K的數組是開辟不出來的，所以使用鏈表。需要注意的是釋放空間時，把相鄰的未使用的空間盡量連接成一大塊，同時需要一個接一個地把用過的堆棧拷貝到堆空間的尾部，使自己空間聚合成一個大塊。 圖2、圖3分別為外部程序擴展和數據空間擴展示意圖。 1.2 RS232通信接口軟硬件設計 該系統使用MAX3110E連接DSP與PC機，通過軟件控制分頻比可獲得通用的300baud～230kbaud的波特率。MAX3110E內部UART與RS232收發器能夠獨立工作。McBSP的時鐘停止模式可以兼容SPI主-從協議。所謂McBSP的時鐘停止模式是指其時鐘會在每次數據傳輸結束時停止，并在下次數據傳輸開始時立即啟動或延半個周期再啟動。其接收器和發送器是同步的，即CLKX和FSX分別與CLKR和FSR相連；在傳輸過程中，CLKX和FSX又分別用做SPI的移位時鐘SCK和從方使能SS，可以是輸出（主方），也可以輸入（從方）。其McBSP初始化編程應遵守以下幾個步驟： ①將SPCR中的XRST、RRST置為0，處于復位狀態。 ②McBSP保持復位的狀態下，設置有關的寄存器為需要的值。由于SPI協議要求McBSP在移位輸出數據之前，FSX信號必須由DXR-＞XSR產生FSX，所以XCR寄存器中XDATALY位必須設置為1。 ③設置SPCR-＞GRST為1，采樣率發生器退出復位狀態，開始工作。 ④等待兩個時鐘周期，以確保McBSP在初始化過程中內部能夠正確地同步。 而后，配置MAX3110E的波特率和發送波形，發送數據時根據MAX3110E的數據手冊拼裝成一個16位的字進行發送。接收通過DSP的Int0中斷進行處理。 1.3 總線控制和驅動 本系統中總線有兩種：數據總線和地址總線。數據總線進行數據交換，地址總線進行尋址。因為DSP的數據總線是3.3V的高電平邏輯值，可能出現不能驅動外部5V的邏輯電平的情況；而且連接在動能力不足。因此，需要對總線，特別是數據總線進行加強驅動能力的設計。其中數據總線使用SN74LVTH16245來進行驅動向驅動；地址總線是單向的，沒有方向的控制，也沒有使能的控制，使用SN74LVTH16244單向驅動器就可以了。對于數據總線的控制，按照所邏輯合理使用了DSP_MSTRB。DSP_IOSTRB、R/W就可以完成了。 1.4 鍵盤與LCD接口的硬件設計 鍵盤和LCD都是I/O器件，分配兩個I/O空間的地址，通過對地址的譯碼產生使能控制LCD和鍵盤。鍵盤上有12個按鍵，用10kΩ電阻拉高，同時使用與邏輯連接這12根線，輸出的邏輯電平接DSP中斷Int2，在中斷服務程序中使用PORTR命令讀入鍵值。LCD用于顯示界面信息。本系統使用LC1611字符點陣模塊。 1.5 指紋圖像的獲取 采用Altera公司的Maxplus II軟件進行VHDL語言編程。按照一定的時序，把指紋圖像放大SRAM的固定地址中，這一部分調試有些麻煩，可以放在最后做，而圖像的獲取可使用CCS2.0下的file-＞data-＞load把圖像文件放入指定的內存區域。此圖像文件為CCS數據文件，可以編寫一段C程序把BMP文件轉換成CCS文件。另一種比較方便的方法是用DSP編寫一個小程序，使用fopen()、fread()等函數把圖像讀入內存，然后使用file-＞data-＞save保存成CCS文件。 2 軟件設計 2.1 主程序流程 主流程就是要實現把各部分的程序連接成一個有機的整體，并能夠通過液晶顯示和小鍵盤響應實現和用戶的交互。所以，它的任務就是能夠響應小鍵盤，根據不同的鍵值執行不同的操作，同時顯示不同的頁面。系統主流程如圖4所示。 2.2 鍵盤中斷程序 5402中與中斷有關的寄存器有三個：IFR、IMR、PMST。在DspInitial（）函數中，首先要設置好這些寄存器，而后在中斷程序中讀入鍵值。為了防止誤觸發，在中斷的一開始延時3ms。其核心代碼如下： ioport unsigned char port0000; volatile unsigned int* IMR=(volatile unsigned int *) 0x0000; …… volatile unsigned int* PMST=(volatile unsigned int *) 0x001D; main(){ DspInitial(); …… } interrupt void isr_int0(){ delay3ms(); KEY=port0000%26;amp;0x0FFF; Switch(KEY) …… } 2.3 BootLoader程序設計 該系統為最小系統，需要脫離開發系統運行，因此須進行BootLoader設計。在系統上電以后自動把程序和數據從外部存儲器Flash讀SRAM中，但問題是用戶程序超過了32K，所以必須采用以下特殊的BOOT方法。 ①內部BOOT。利用片內的BOOT程序將自己編制的BOOT程序從Flash移至內部的RAM中。 ②用戶BOOT。內部BOOT完成后，開始執行自己的BOOT程序。利用DSP的擴展尋址方法，自已編制的BOOT編程中從Flash讀取代碼。 ③用戶BOOT完成后，跳至用戶程序開始運行。 2.4 指紋識別核心算法程序 本系統使用的指紋算法主要分為五部分，其算法的可靠性已經isual C++ 6.0進行了驗證，具體算法如下： ①背景分離。采用標準差閾值跟蹤法，圖像的指紋部分是由黑白相同的紋理組成的，灰度變化很大，具有較大的標準差；而背景部分灰度分布比較平坦，標準差小，因此計算以各點為中心的一組像素的標準差，當標準差大于某一門限時，就可以確定該點為前景，否則為背景。 ②計算方向圖。采用基于法線向量的方法，其中還涉及到方向場的平滑。 ③方向濾波。設計一個水平模板，然后將水平模板旋轉到需增強的方向進行濾波。 ④奇異點檢測。區分出奇異點，如核形（core）、三角形（delta）、渦輪形（whorl）。 ⑤特征點提取。采用脊跟蹤法，其基本思想是直接對圖像進行脊線跟蹤，在跟蹤過程中檢測特征點。以上便是所采用指紋算法的核心思想。 在DSP編程中把它分成五個任務模塊，每一個模塊都必須注意頁面寄存器的值，如果程序僅在SRAM中運行會浪費大量的時鐘，所以把部分程序和數據放入DSP的內部。根據自己編程的體會，程序和數據的一次連續處理不會超過64K，所以可以把核心的程序常駐5402內1K的空間，再留有7～8K的空間調用所需的程序，余下的7K用于存放數據。但考慮到該方法程序編寫的復雜性，僅在圖像濾波中使用，因為濾波方法簡單而有規律。為了提高效率，可以開辟兩個存儲區（PING-PONG型），當一塊用于DMA傳輸時，另一塊讓DSP進行計算。最后一點，因為5402是定點的，所以要對整個系統進行定標。 3 系統調試方法 設計并加工好印制電路板后，就進入了硬件調試階段。首先應對電路板作細致的常規檢查，防止短路和斷路情況的發生。加電后，檢查晶體是否振蕩，復位是否正確可靠，而后用示波器檢查5402的輸出時鐘CLKOUT是否按照指定時鐘模式工作。在作完這些檢查賓，就可以進入系統硬件調試階段。在硬件仿真時，首先要配置目標系統的存儲器映像，這是通過設置仿真器命令文件實現的。可以在仿真調試軟件目錄下改寫emuinit.cmd，使之每次啟動仿真器時自動加載，也可以在啟動仿真器后手動加載命令文件以初始化目標存儲器映像。一般而言，仿真器存儲器映像與連接器存儲器映像應一致。對SRAM的調試的基本思想是，首先對SRAM的兩具單元初始化為兩個不同的值，而后調試的主程序不斷交替這兩個單元的數值。具體方法是從一個單元讀出數據寫入另一個單元，由累加器作為傳遞單元。使用Debugger軟件，查看相應的SRAM單元，若確實將照設定交替變化，則表明該部分沒有問題。對于鍵盤和LCD的調試，其方法不難，這里不再詳細闡述。 結語 該系統具有很強的實用性，充分體現了DSP強大的數值運算能力；但該系統僅實現了軟硬件的初步研制與開發，離產品化還有一段距離，還有許多工作要做。 |
