基于USB传输及CMOS图像传感器的指纹识别仪的实现

时间：2007-09-25

　　　摘    要：介绍了基于CMOS图像传感器OV762M和EZ—USB AN2131QC USB数据传输的指纹识别仪硬件实现，为匹配时序使用了CPLD技术实现了高速缓冲区，并重点对USB批量快速传输和CPLD缓冲控制的实现进行了讨论。由此方法实现的指纹识别系统反应灵敏，稳定可靠。
        关键词： CMOS图像传感器；指纹识别仪；OV7620；AN2131QC；CPLD
引　言

        CMOS图像传感器是近年来得到快速发展的一种新型固态图像传感器。它将图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片里，体积明显减小、功耗也大大降低，满足了对高度小型化、低功耗成像系统的要求。与传统的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器还具有集成度高、控制简单、价格低廉等诸多优点。因此随着CMOS集成电路工艺的不断进步和完善，CMOS图像传感器已经广泛应用于各种通用图像采集系统中。同时作为一种PC机与外围设备间的高速通信接口，USB具有许多突出的有点：连接简便，可热插拔，无需定位及运行安装程序，无需连接外设时关机及重启系统，实现真正的即插即用；高传输速率，USB1.1协议支持12Mb/s；不占用系统硬件资源，能够自动检测和配置外围设备，不存在硬件冲突问题。
        因此，利用CMOS数字图像传感器与USB接口数据传输来实现的指纹识别仪具有结构简单，体积小，便携化等优点。现将介绍利用OMniVision公司的CMOS彩色数字图像传感器OV762M和cypress公司的EZ—USB AN2131QC USB控制传输芯片(内部集成了增强形51内核)来实现指纹信息的采集和USB传输，同时由于指纹传感器输出数据的速率(27MB/s)与USB控制器(AN2131QC)数据传输速率(12Mb/s)的不匹配，故系统采用了SRAM和CPLD构成中间高速缓冲区。
系统结构

        应用AN2131QC、CPLD和OV762M设计的指纹识别系统硬件框图如图1所示：

        图1　指纹识别硬件系统简略框架图
　　
        首先，AN2131QC通过I2C对指纹识别传感器(OV7620)的窗口设置等参数进行配置，光学透镜把像成在OV762M的像面上后，CMOS图像传感器(OV7620)对其进行空间采样，并按照一定的帧频连续输出8位的数字图像数据Y[7∶M](输出数字图像数据的帧同步信号为VSYNC，水平有效信号为HREF，输出时钟信号为PCLK)。为了实现指纹传感器输出数据与USB控制器(AN2131QC)读取数据速度与时序的匹配，使用了SRAM(IS61C1024)和CPLD构成高速缓冲区，利用此高速缓冲区将OV762M采集的指纹数据缓存。AN2131QC实现与上位机的USB通信，将高速缓冲区中数据的传输到PC机进行相应图像处理。
CMOS数字图像传感器OV7620

        CMOS数字图像传感器OV762M集成了一个664×492 的感光阵列、帧(行)控制电路、视频时序产生电路、模拟信号处理电路、A/D转换电路、数字信号输出电路及寄存器I²C编程接口。感光阵列得到原始的彩色图像信号后，模拟处理电路完成诸如颜色分离与均衡、增益控制、gamMA校正、白电平调整等主要的信号处理工作，可根据需要输出多种标准的视频信号。视频时序产生电路用于产生行同步、场同步、混合视频同步等多种同步信号和像素时钟等多种内部时钟信号，外部控制器可通过I²C总线接口设置或读取OV762M的工作状态、工作方式以及数据的输出格式等。
        AN2131QC通过I2C总线接口设定OV762M的寄存器来控制输出帧率在0.5帧/s～3M帧/s之间变化，输出窗口在4×2～664×492 之间可调(默认输出640×48M的标准VGA格式)，设置黑白平衡等。根据指纹采集的需要，窗口输出设置为： 320×288，经过设定后的OV762M输出时序如图2 所示：

图2　0V762M输出时序
　　VSYNC是垂直场同步信号(也是每帧同步信号，CMOS是按列采集图像的)，其下降沿表示一帧图像的开始，HREF 提供了一种有效的控制方式，当输出像素行列分别处于设定窗口之间时HREF 为有效高电平，此时输出有效的视频数据，PCLK是输出数据同步信号，上升沿输出一个有效的像素Y[7∶M]。
基于CPLD技术的高速数据缓冲区的实现

在由CPLD和SRAM构成的高速数据缓冲区中，CPLD充当了SRAM的控制器，其内部电路实现框图如图3所示：

图3　SRAM高速缓冲区控制器的CPLD实现
图3中ram_rd，raM_wr为输出到SRAM的读写信号线，raM_data，ram_addr为SRAM的数据地址总线；latch_f为SRAM的读写允许信号，当为高电平时允许对SRAM写操作，为低电平时允许对SRAM读操作；两个8路三态门用于隔离总线，当对SRAM写时，输出cpu_datA为高阻态，当对SRAM读时，将采集数据信号Y [7∶M]隔离；cpu_rds，vsync为开始读写信号，单个正脉冲将SRAM地址置0；cpu_rD作为SRAM快速读脉冲，pclk为SRAM写脉冲；irq为写满标志，用于向上提供中断标志；地址发生器用于产生SRAM地址(IS61C1024有17根地址线)。

        图4　CPLD实现的仿真波形
        由图3中逻辑知道，当允许对SRAM写(latch_f=1)且采集的数据有效(href=1)时，pclk脉冲通过地址发生器产生地址(sync单个正脉冲将SRAM地址复位到0)，将采集的数据Y[7∶M]写入SRAM中，当写满(写完一帧的32M像素×288像素)时，irq信号有效，通过中断将latch_f置低允许将SRAM数据读出(cpu_rds单个正脉冲将SRAM地址复位到0)，此后cpu_rD通过地址发生器产生地址将SRAM中数据读出到USB缓冲区。上述逻辑仿真波形如图4 所示(由于数据线和地址线较多，故只取其中部分信号时序，cpu_datA为X 表示其值根据SRAM数据总线上具体值而定)，由图4 可知，CPLD实现了对SRAM的控制，与SRAM一起组成了高速数据缓冲区。
USB快速批量传输的实现
USB控制接口芯片AN2131QC特性简介
        AN2131QC是基于USB1.1协议设计的，支持高速12Mb/s的传输速率，内嵌有增强型8051微控制器、8kB的RAM和一个智能USB内核的收发器，它包含一个I2C总线控制器和3个8位多功能I/O口，有8位数据总线和16位地址总线用于外部RAM扩展。其结构如图5所示。

        图5　AN2131QC结构简图
        AN2131QC内部的USB差分收发器连接到USB总线的D+和D-上。串行接口引擎(SIE)对USB总线上串行数据进行编码和译码(即实现USB协议的打包和解包工作)，同时执行错误纠正、位填充及其它USB需要的信号标准，这种机制大大减轻了8051的工作，简化了固件的编程。内核微处理器是一个增强型8051，其指令周期为4 个时钟周期并具有双DPTR指针，同时指令与标准8051兼容。它使用内部RAM存储固件程序和数据，上电后，主机通过USB总线将固件程序和外设特性描述符到内部RAM(也可以直接从板上E2PROM上读取)，然后重连接，按照的特性描速符进行重枚举，这种设计可以实现软件
的随时在线升级。
USB快速批量传输的实现
        当采集的指纹数据导入了由SRAM和CPLD构成的高速数据缓冲缓冲区后，要通过USB接口将数据发送到上位PC机，AN2131QC必须先将数据读入到内部USB缓冲区，因此，AN2131QC将数据传到内部USB缓冲的速度将是整个USB数据传输速度快慢的关键。为了使USB数据传输(从外部读入数据并将之传到PC机)达到快，需要采用很多措施，下面就设计指纹识别仪固件(AN2131QC程序)中采用的USB批量传输进行探讨。
        正常情况下，AN2131QC内核结构从外部读入数据到USB的端点缓冲区，要使用的汇编程序为：
　　movx a，@dptr；读外部数据到acc寄存器incdptr；外部地址加1
　　incdps；切换DPTR指针(内核有双DPTR指针，用dps进行切换)
　　movx @dptr，a；将acc内容放入USB缓冲区
　　incdptr；USB缓冲区地址加1
        incdps；切换DPTR指针
        由上述程序可知，数据在寄存器中完成操作后，都必须有一个“incdptr”和“incdps”指令来完成16位地址的增加和缓冲区指针切换。为了消除这种内部消耗，使用AN2131QC提供的一种特殊的硬件指针即自动指针(只用于内部缓冲区)，8051装载USB缓冲区地址到两个AUTOPTRH (高字节地址)和AUTOPTRL(低字节地址)寄存器中，向AUTODATA写入的数据就直接存入由AUTOPTR/H2L指向的地址缓冲区中，并且内核自动增加AUTOPTR/H2L中16位地址的值。这样USB缓冲区可以像FIFO一样来顺序写入数据，节省了每次写内部USB缓冲区时的“incdptr”指令。同时内核还提供一种快速模式(只用于对外部数据操作)，此模式从外部读数据“movx a，@dptr”时，直接将外部数据总线和内部缓冲区连在一起，由于使用CPLD和SRAM构成的指纹高速缓冲区具有FIFO的性质，所以使用快速模式读外部指纹数据时也节省了“incdptr”指令。将上述两种方式结合起来，读外部数据到内部缓冲区程序就只需要一条指令：movx @dptr，A(dptR存放AUTODATA寄存器地址)，此指令需要两个8051机器周期(8个24MHz时钟周期)。这样，一个字节可以在333ns内读入到USB端点缓冲区。
        在USB接口数据传输一侧，当PC机要对一特定端点进行读数据并发送IN令牌，如果一个IN令牌到达时8051还没有完成向USB端点缓冲区的数据装载(读外部数据)，AN2131QC就发送一个NAK握手信号来响应IN令牌，表明PC机应该在稍后再发送一个IN令牌。为了解决这种等待从而达到快的传输速度，可以使用双缓冲技术(端点配对)，使8051在前一个数据包在USB总线上传输的时候，装载块数据的下一个数据包。
结　论
        利用CMOS数字图像传感器OV762M和USB控制器AN2131QC实现的指纹仪结构简单，体积小，使用方便。指纹识别系统中使用CPLD技术实现了高速缓冲，解决了速度时序匹配问题；使用了快速批量USB传输技术实现了数据的快速传输，使指纹数据的传输达到速(每帧传输只用80Ms)。使用现论述的方法实现的指纹仪采集的指纹数据经PC机重现后效果如图6所示(左图是未经任何处理的重现，右图是经过平滑、细化等算法处理后的重现)。

图6　采集指纹重现效果(处理前后)

参考文献:

[1]. CPLD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2]. OV7620 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/OV7620_525855.html.
[3]. AN2131QC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AN2131QC_2520925.html.
[4]. VGA datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/VGA_2568786.html.
[5]. IS61C1024 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IS61C1024_409162.html.

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