基于FPGA的指纹采集系统设计

摘　要：本文设计了一个基于Xilinx公司FPGA芯片XC3S500E的实用指纹采集系统。给出了指纹采集系统的总体结构和控制流程，并详细描述了各个控制模块的工作原理以及设计实现方法。

关键词：指纹采集 ; FPGA ; I2C总线

     生物识别技术是利用人体所特有的生理特性（如虹膜、声音、指纹等）进行身份鉴别的一项技术。由于人体生理特性的唯一性，使得这种技术比传统的身份识别方式具有更好的安全行和方便性。其中，指纹识别是被应用最多而且最成熟的生物识别技术。本文提出了一种利用FPGA芯片作为主控制芯片，采用OV7120指纹传感器的指纹采集系统的设计方案。
1．指纹采集系统总体设计
　　本系统采用Xilinx公司Spartan-3E系列XC3S500E型FPGA芯片作为控制核心，其50万门的容量满足了全系统设计的需要。选用基于OV7120黑白CMOS图像传感器芯片的指纹传感器，采集640×480的灰度指纹图像。
　　指纹采集系统的总体结构如图1所示。整个系统中的I2C控制模块、SRAM模块和VGA显示控制模块全部在FPGA芯片上设计实现。OV7120指纹传感器有16根信号线，通过FPC16扁平电缆连接XC3S500E系统板上的FX2-100S-1.27DS连接器。同时，XC3S500E系统板也提供了标准VGA接口连接显示器。

2．指纹采集系统控制流程设计
　　整个指纹采集系统的软件控制流程如下：主控FPGA芯片XC3S500E向指纹传感器发出开始工作命令；然后，通过FPGA中的I2C总线控制模块向指纹传感器发出工作方式设置命令；在I2C控制模块完成对OV7120指纹传感器的工作方式设置后，开始实时接收采集的指纹数据，同时将采集到的一帧指纹数据写入在FPGA中设计的SRAM中；最后由VGA控制模块读取SRAM中的指纹数据经VGA端口送到显示器显示。
2.1 I2C总线控制模块设计
　　OV7120指纹传感器的工作方式、数据输出格式、扫描模式等参数的设置通过SCCB串行接口来实现的。而SCCB串行接口就是简化的I2C总线。在XC3S500E芯片上采用VHDL语言程序软件模拟方式，实现对I2C总线接口控制，完成对OV7120指纹传感器工作方式的设置。
　　根据I2C总线的通信协议，将总线上的信号划分为空闲（idle）、启动（start）、写（write）、确认（ack）和停止（stop）五种工作状态。I2C控制模块在接受到FPGA发出的启动信号后，进入start状态，并根据写寄存器命令，进入write状态。由于写操作都是以字节进行的，对应8个周期的I2C总线写操作，故设计一个8节拍的计数器，使得write状态能维持8个SCL周期。在完成字节写操作之后，将进入ack状态。进入ack状态，标志一个写寄存器命令已经完成。I2C总线状态转换关系如图2所示。

　　I2C总线控制模块的状态转换部分源程序如下：
case sta is
　　 when idle=>  scl<='1';  ——空闲状态
　　     sda<='1';
　　     sta<=start;
　　 when start=> scl<='1';   ——接收到start信号后，进入到启动状态
　　     sda<='0';
　　     sta<=init;   
　　 when init=>  bit_cnt<=0;  ——表示主控设备发送数据
　　     data<=datain(n);  ——主控设备发送的数据
　　     sda<='0';
　　     scl<='0';
　　     sta<=write;  ——进入维持8个SCL周期的写状态
　　·
　　·
　　·
　　 when t6=>   scl<='1';  ——确认状态，写寄存器工作完成。
　　    sda<='0';
　　    sta<=stop;
　　 when stop=> scl<='1';  ——停止状态，重回空闲状态，等待下次启动命令
　　    sda<='1';
　　    sta<=idle;
　　end case;
2.2 SRAM模块设计
　　在XC3S500E芯片内部设计SRAM模块进行数据的缓存，相比采用外部SRAM芯片存储，大大提高了数据读写速度。指纹传感器输出的一帧指纹图象数据大小约为300k，相应设计的SRAM有19个地址引脚，8根数据线，有片选引脚CS、写有效引脚wr、读有效引脚rd。wr和rd分别与CS联合控制读写使能。
2.3 VGA显示控制模块设计
　　VGA显示控制模块设计总体结构如图3所示。图中二分频子模块把50mhz时钟频率分成25mhz并提供给其它子模块作为时钟；VGA时序控制子模块用于产生640X480显示范围，并控制显示范围和消隐范围以及产生水平同步时序信号hs和垂直同步时序信号vs的值；按照SRAM中数据存储地址读出显示数据，并将R、G、B的值通过VGA接口传到CRT显示器。

　　VGA时序控制子模块部分的行列控制源程序如下：
　　ProA:process(clk)                  ——行扫描控制进程，640个像素点，
　　 Begin                              行同步头时间大约等于间大约等
  if(rising_edge(clk))then       于扫描160个像素点的时间
　　if(hcnt <800)then hcnt<=hcnt+1;           
　　   else hcnt<=0;
　　   end if;
　　  end if;
　　 end process;
　　ProB:process(clk)                  ——列扫描控制进程，扫描480行的
　　 Begin                              时间，场同步头时间大约等于扫
　　  if(rising_edge(clk))then       描45行时间
　　   if(hcnt <640+8)then
　　    if(vcnt<525)then
　　     vcnt<=vcnt+1;
　　     n<=n+1;
　　    else vcnt<=0;
　　    end if;
　　   end if;
　　  end if;
　　 end process;
3.总结
　　这种基于FPGA芯片的指纹采集系统，全部控制逻辑在单个FPGA芯片内部实现，简化了外部电路设计；利用FPGA较高的工作频率使得指纹采集、传输、处理速度快，在后期还可加入图像处理的算法进一步提高成像质量。全系统具有机构简单、体积小、可靠性高等优点，具有较强的实用价值。
参考文献： 
[1] 田耘，徐文波. Xilinx FPGA开发实用教程[M].清华大学出版社，2008：1-25.
[2] 徐志军，徐光辉.CPLD/FPGA的开发与应用[M].北京：电子工业出版社，2002：30-70.
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