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基于DSP的指纹采集系统的设计方案解析
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2017-11-01
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在各种生物识别技术中，指纹识别技术是最成熟、准确和最易使用的。而指纹采集作为指纹识别系统中的一个重要环节也越来越受到人们的重视，高质量的指纹采集技术已成为一个重要的研究课题。指纹图像的采集是自动指纹识别系统（AFIS-Automation Fingerprint Identification System）的重要组成部分，采集到的指纹图像的质量好坏，直接影响到后续的指纹图像处理过程。高质量的指纹图像可以大大简化指纹图像处理的算法，提高识别率，减小拒识率。
随着新型半导体指纹采集传感器件和DSP，CPLD技术的发展，自动指纹识别技术正向着小型化和嵌入式的方向发展。本文介绍的就是基于DSP的指纹采集系统。
本系统的原理
本系统中的指纹传感器采用FPS200固态指纹芯片，其成像原理如图1所示。由图1可以看出，一个像素点上有一个金属电极，手指皮肤是另一个电极，两者之间形成了电容CP。手指皮肤上的脊（ridge）和谷（valley）将产生不同的CP。由于CP很小，无法直接测量，所以使用以下方法：先以一固定时间对CP充电（SW1关且SA2开），接着以一固定时间对CP放电（SW1开且SW2关），放出的电能将转储到Cc中。每一次充电放电周期中，由于充电电压相同，充电时间相同，所以不同的CP值将导致CP存储不同的电能。这些电能在CP放电时将转储到Cc中导致Cc电压的增高。所以CP值的不同将导致一次充电放电周期结束后Cc电压增高值的不同（成正比），最后将导致Cc电压增高到参考电压所需的充电放电周期次数的不同（成反比），这样就可以通过充电放电周期次数来测量CP了。
图1 FPS200指纹成像原理
传感器阵列包括256列×300行的传感器电极，每一列都有两个采样—保持电路与之相联系。采集一个指纹图像时获取一行数据，而此过程共有两个阶段。第一阶段，传感器电极中被选择的行预充电到VDD电平，一个内部信号允许第一采样—保持电路集合保存预充电行的电平。第二阶段，行传感器电极以一定电流放电，每个单元的放电率跟“放电电流”成比例。经过一段时间（即“放电时间”）后，一个内部信号允许第二采样——保持电路集合保存最终电极的电平。预充电与放电后的电极电平之间的差别在于传感器电容量。行获取结束后，就可以对行中的每个单元进行A/D转换了。芯片的敏感度可以通过调整放电时间与放电电流来控制；电流源的参考值由外接于ISET和地之间的电阻来决定，其由放电电流寄存器（DCR）控制；放电时间由放电时间寄存器（DTR）控制。
当指纹中的凸起部分置于传感电容像素电极上时，电容会有所增加，通过检测增加的电容就能进行指纹采集。传感器中的像素点大小为45μm2，间隔为50μm，像素阵列的分辨率略高于500dpi，基于一种标准的单一多晶硅三层金属0.5μm CMOS工艺。
随着新型半导体指纹采集传感器件和DSP，CPLD技术的发展，自动指纹识别技术正向着小型化和嵌入式的方向发展。本文介绍的就是基于DSP的指纹采集系统。
本系统的原理
本系统中的指纹传感器采用FPS200固态指纹芯片，其成像原理如图1所示。由图1可以看出，一个像素点上有一个金属电极，手指皮肤是另一个电极，两者之间形成了电容CP。手指皮肤上的脊（ridge）和谷（valley）将产生不同的CP。由于CP很小，无法直接测量，所以使用以下方法：先以一固定时间对CP充电（SW1关且SA2开），接着以一固定时间对CP放电（SW1开且SW2关），放出的电能将转储到Cc中。每一次充电放电周期中，由于充电电压相同，充电时间相同，所以不同的CP值将导致CP存储不同的电能。这些电能在CP放电时将转储到Cc中导致Cc电压的增高。所以CP值的不同将导致一次充电放电周期结束后Cc电压增高值的不同（成正比），最后将导致Cc电压增高到参考电压所需的充电放电周期次数的不同（成反比），这样就可以通过充电放电周期次数来测量CP了。
图1 FPS200指纹成像原理
传感器阵列包括256列×300行的传感器电极，每一列都有两个采样—保持电路与之相联系。采集一个指纹图像时获取一行数据，而此过程共有两个阶段。第一阶段，传感器电极中被选择的行预充电到VDD电平，一个内部信号允许第一采样—保持电路集合保存预充电行的电平。第二阶段，行传感器电极以一定电流放电，每个单元的放电率跟“放电电流”成比例。经过一段时间（即“放电时间”）后，一个内部信号允许第二采样——保持电路集合保存最终电极的电平。预充电与放电后的电极电平之间的差别在于传感器电容量。行获取结束后，就可以对行中的每个单元进行A/D转换了。芯片的敏感度可以通过调整放电时间与放电电流来控制；电流源的参考值由外接于ISET和地之间的电阻来决定，其由放电电流寄存器（DCR）控制；放电时间由放电时间寄存器（DTR）控制。
当指纹中的凸起部分置于传感电容像素电极上时，电容会有所增加，通过检测增加的电容就能进行指纹采集。传感器中的像素点大小为45μm2，间隔为50μm，像素阵列的分辨率略高于500dpi，基于一种标准的单一多晶硅三层金属0.5μm CMOS工艺。
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