前言

　　指紋識別技術(shù)近年來逐漸成熟，在門禁、安防和金融等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。Atmel公司新推出的智能互聯(lián)網(wǎng)芯片AT75C220集成了ARM內(nèi)核、DSP協(xié)處理器以及以太網(wǎng)MAC接口，用AT75C220和指紋傳感器結(jié)合可構(gòu)成高性能的指紋識別系統(tǒng)。

　　1 AT75C220主要特點

　　AT75C220是定位于智能互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高性能ARM處理器，采用ARM7TDMI微處理器核，具有OadDSP核，強(qiáng)大的外設(shè)(如中斷控制器和外設(shè)數(shù)據(jù)控制器)，其DMA通道增強(qiáng)了微控制器的實時性能。主要特點有：

　　集成ARM7TDMI ARM Thumb處理器核

　　一個16b定點DSP核

　　雙以太網(wǎng)10/100Mb/s MAC接口

　　88kB的完整快速RAM(支持DMA方式)

　　多媒體數(shù)字信號編解碼器(CODEC接口)

　　集成SDRAM控制器

　　這樣，AT75C220就很適合于需要圖像處理功能并具有互聯(lián)網(wǎng)通信能力的設(shè)備，比如高性能的指紋識別設(shè)備和VoIP應(yīng)用等。單芯片集成多種功能可以降低成本，提高系統(tǒng)可靠性。同時，該芯片完備的開發(fā)軟件支持(包括LINUX操作系統(tǒng)和DSP算法程序支持等)也有利于減少產(chǎn)品上市時間。

　　2 芯片結(jié)構(gòu)

　　AT75C220主要由運行速度達(dá)40 MI/s的基于ARM7TDMI的RISC處理器、運行速度為60MI/s的DSP處理器和雙以太網(wǎng)10/100Mb/s的MAC接口組成。其內(nèi)部機(jī)構(gòu)如圖1所示。

　　AT75C220包含2種不同的總線ASB和APB，ASB用于連接ARM核、DSP核等核心模塊，而APB總線則連接串行通信接口、通用I/O口等，兩總線之間用AMBA總線橋連接。

　　ARMTTDMI微處理器是一個高性能的嵌入式CPU，他功耗低，運算速度快，內(nèi)含Thumb指令解碼器，可支持16b指令，同時支持調(diào)試和快速乘法等功能，并可通過模塊互交總線與其他功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　ARMTTDMI(Thumb)是公司授權(quán)用戶最多的一項產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴(kuò)展組合在一起，以減少內(nèi)存容量和系統(tǒng)成本。同時，他還利用嵌入式ICE調(diào)試技術(shù)來簡化系統(tǒng)設(shè)計，并用一個DSP增強(qiáng)擴(kuò)展來改進(jìn)性能。選擇基于ARM核的產(chǎn)品的另一個理由是，ARM公司的處理器核心得到了大量廠家的支持，便于產(chǎn)品的開發(fā)和升級換代。

　　同其他集成DSP核的芯片相比，AT75C220的DSP子系統(tǒng)資源是相當(dāng)豐富的，如圖2所示，除包含一個60MI/s，16b定點DSP內(nèi)核外，還具有不同用途的RAM：2kB×l6X-RAM，2kB×l6Y-RAM，16kBXl6通用數(shù)據(jù)RAM，24 kB×l6可下載程序RAM，一個256×16雙端口的RAM郵箱用于MCU-DSP通信。完整的CODEC接口允許大量的工業(yè)聲音、多媒體或數(shù)據(jù)的連接。

　　芯片集成的以太網(wǎng)接口包括了2個獨立的10/100Mb/s以太網(wǎng)MAC接口和一個32kB的數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)。雙端口MAC的設(shè)計使設(shè)備嵌入到現(xiàn)有的以太網(wǎng)中而不需要另外的電纜，由于2個MAC接口之間用局部總線連接，大量的數(shù)據(jù)包可以不受延遲地從一個MAC傳送到另一個MAC，其間無需軟件的參與。數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)由MAC接口通過DMA的方式操作，用于臨時保存接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)包，在大多數(shù)情況下可以滿足較大的通信量。

3 指紋識別算法

　　指紋自動識別作為一個有較大難度的模式識別研究分支，其研究難點主要集中在如何對采集進(jìn)來的各種有噪聲圖像進(jìn)行濾波和增強(qiáng)、如何抽取指紋的全局和局部特征以及如何進(jìn)行在圖像不能完全定位和圖像可能發(fā)生扭曲變形情況下的特征匹配上。一般可以分為以下幾個步驟，如圖3所示，指紋識別算法流程主要包括灰度濾波、二值化、二值濾波、細(xì)化、細(xì)化后的去噪等步驟，最后進(jìn)行特征提取和匹配。

　　本系統(tǒng)的指紋識別算法的灰度濾波采用基于塊方圖的方向濾波，接著進(jìn)行二值化并細(xì)化指紋圖像，在二值化和細(xì)化的過程中進(jìn)一步去噪聲，消除導(dǎo)致錯誤的特征點的可能性。用模板匹配的方法分別獲取指紋的特征點，如端點、叉點等。指紋匹配采用基于中心點的匹配算法。通過在PC機(jī)上驗證，該算法可以達(dá)到較好的效果。

　　4 指紋識別系統(tǒng)

　　指紋識別系統(tǒng)一般由指紋傳感器、DSP處理器和外圍電路組成，為增加系統(tǒng)的處理能力，系統(tǒng)中往往還包括另外的處理器管理諸如通信、人機(jī)接口、指紋數(shù)據(jù)庫等。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，電容式的指紋傳感器FPSll0采集指紋圖像并交由AT75C220內(nèi)部的DSP協(xié)處理器進(jìn)行指紋識別，完成圖像的預(yù)處理、提取指紋特征碼，并同指紋庫中的指紋特征進(jìn)行匹配，給出判別結(jié)果。ARM核運行于LINUX操作系統(tǒng)之上，實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧，由于指紋識別器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對實時性和吞吐率要求并不高，但是要求可靠性和保密性比較高，所以傳輸層協(xié)議選擇TCP協(xié)議，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過了加密。ARM處理器上還包括了人機(jī)接口和控制輸出，控制輸出用于對電子門鎖進(jìn)行控制。另外，ARM軟件還包括門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)中的一些專有控制模塊，比如門禁權(quán)限管理、考勤數(shù)據(jù)庫管理等

　　5 算法的移植

　　指紋識別算法開始時在PC機(jī)上實現(xiàn)，需要移植到AT75C220的DSP子系統(tǒng)中。如果直接用C語言移植，難以發(fā)揮DSP的實際處理能力，執(zhí)行效率相當(dāng)?shù)汀ｊP(guān)鍵的算法模塊用匯編語言實現(xiàn)后，指紋的采集、圖像預(yù)處理和匹配可以在1s中完成，算法效率和識別率與PC機(jī)上計算相當(dāng)，達(dá)到了實際應(yīng)用要求。

　　6 結(jié) 語

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單，使整個系統(tǒng)達(dá)到了小型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的要求。實踐證明，采用這種結(jié)構(gòu)的設(shè)備處理能力得到了提高，代表了未來門禁系統(tǒng)發(fā)展的方向。