以STM32位主控的基于指纹传感器FPS200的指纹识别系统解决方案

2017-12-26 13:59:59 来源:电子发烧友
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引言
指纹识别是根据每个人指纹的不变性和唯一性进行身份识别的一门技术。随着社会的发展,嵌入式的指纹识别技术越来越受到市场的青睐,成为近年研发的重点,但目前的嵌入式指纹算法大多在实时性和准确度上还存在不足,需要进一步优化算法,以实现准确高效的指纹识别。
 
本研究设计、实现一种基于STM32芯片的指纹识别系统,通过指纹传感器采集指纹数据,指纹算法处理指纹数据实现指纹识别,同时结合VC++平台建立人机交互界面对指纹图像数据显示。
 
1、系统硬件设计
1.1、结构组成及特点
本研究采用ARMcortex-M3内核的32位处理器STM32F-103ZET6作为主控制器,该芯片内部采用哈佛结构、其中集成有64KB的RAM和512KB的FLASH,运算速度快,并且具有体积小和低功耗的特点,在嵌入式图像处理方面具有较高的应用前景。指纹识别系统结构功能图如图1所示。
 
图1 系统硬件框图
 
系统硬件主要包括:指纹采集模块、SPI接口模块、指纹数据存储模块(SRAM)、指纹程序存储模块(FLASH)、UART模块、指纹图像算法处理模块、处理结果显示模块等。
 
具体工作流程如下:系统通过USB供给5V稳压电源,通过内部电路转换成3.3V稳压电源,系统上电后,通过STM32给传感器的各个寄存器初始化,指纹传感器FPS200采集指纹图像,通过SPI接口和STM32最小系统进行通信,将采集到的指纹数据发送到STM32,进而保存指纹图像到SRAM,通过各种算法实现对指纹图像信号的预处理、提取特征点和图像匹配,最后实现指纹识别功能。另外STM32和主机之间通过异步串口通信把指纹图像数据传送到PC机,显示图像,由于一幅图像的数据量就是76.8KB,主控芯片内部RAM容量不能满足存储和处理图像数据的要求,所以本设计外扩SRAM来存储指纹数据。系统设计的程序放在FLASH中,指纹特征数据模板也放在FLASH中,以便在使用过程中删除和添加,并显示指纹识别结果,主控制器采用JTAG接口,通过J-link进行仿真调试,通过IAR-forARM实现程序的设计。
 
1.2、指纹采集电路设计
指纹图像的采集对系统实现其识别功能至关重要,一幅采集质量较好的指纹图像有利于后续对指纹图像的算法处理,减少算法的复杂程度,提高系统指纹识别的功能。
 
指纹传感器FPS200是Veridicom公司的一款新型指纹传感器,具有500dpi的分辨率,片内集成300&TImes;256的传感器阵列,256级的灰度图像和8位的像素数据,并且支持MCU、SPI和USB3种接口模式,这里采用比较简单的SPI接口模式,供给3.3V稳压电源,系统指纹采集硬件电路如图2所示。
 
STM32的MODE1接VCC、MODE0接GND,使其工作在SPI模式且为主模式,指纹传感器FPS200工作在SPI从模式。这样STM32通过PB12~15管脚与FPS200的SPI接口的4个管脚相连。FPS200根据STM32由SPI接口发送过来的写寄存器的命令、地址和指令数据执行相关操作,并将采集到的指纹数据经由该SPI接口传回STM32作进一步处理。
 
图2  指纹采集系统原理图
 
1.3、数据处理以及与上位机的通信
本研究接收到的指纹数据通过异步串口管脚PA9和PA10与3.3V转换芯片MAX3232相连外接串口线同PC机进行通信,接收和发送数据,STM32作为下位机通过SPI接口方式采集指纹数据,并将数据保存在外扩的SRAM中,当采集完一幅指纹图像后,把该指纹数据发送给上位机,PC机接收数据,并通过VC编程把接收的指纹数据转换成256级灰度图像并显示和保存该指纹图像。
 
2、系统软件设计
2.1、指纹采集程序设计
程序设计关键是编程实现SPI通信模式下STM32和指纹传感器FPS200的通信操作,其采集程序流程图如图3所示。
 
图3  指纹采集程序设计流程
 
FPS200有19个寄存器,用来控制指纹数据采集过程中的状态和行为,这里介绍几个比较重要的寄存器的初始化:
 
(1)初始化CTRLB,使能芯片的ENABLE位使其处于工作状态,XTALSE位选择内部12M晶振,同时使能指纹自动检测,通过判断RDY位的状态决定指纹图像数据的读取。
(2)初始CTRLA,这里可以选择GETROW、GETIMG和GETSUB这3种存取模式的1种作为存取模式,本研究给CTRLA写入0x02,即选择GETIMG模式来获取整幅图像。
(3)初始化DTR、DCR和PGC,它们影响采集图片的质量,DTR是放电时间寄存器,影响着图像背景亮暗程度;DCR是电容放电寄存器,对图像的前景区和背景区的亮暗程度有一定影响;PGC是可编程增益寄存器,对图片的前景和背景的影响较大。经实验选择DTR=0x38,DCR=0x01,PGC=0x0C时图像效果最佳。
 
2.2、指纹算法设计
指纹识别算法是指纹识别过程中重要的部分,算法的好坏直接决定指纹识别的精确性和可靠性。
 
该算法的3个重要部分是指纹图像预处理、特征点提取和特征匹配。指纹预处理又包括图像场的计算、分割、均衡化、平滑、增强、二值化、细化等部分。本研究的指纹识别算法流程如图4所示,下面对算法各部分作简要介绍。
 
图4  指纹识别算法流程
 
 
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