基于USB與DSP的指紋識別系統的設計實現

PDIUSBDl2是Philips公司推出的一款特點突出的USB接口芯片。完全遵從USBl．1協議，其內部集成有串行接口引擎(SIE)、320字節多結構FIFO存儲器、收發器(Transceiver)和電壓調節器。它可以工作在5V或者3．3V的工作電壓下；具有8位數據總線，且有完全自治的DMA傳輸操作。它還具有可控制的軟件連接(SoftConnect)功能，可以保證在微控制器可靠初始化之后再連接上USB總線。多中斷模式實現批量和同步傳輸，在批量和同步模式下可實現1MB／S的數據傳輸率。PDIUSBDl2高集成度、高可靠性和寬范圍工作條件的特點，可以非常方便地兼容大部分DSP的工作環境。

3 軟件設計

3．1 固件設計

固件編程(firmware programming)是USB數據傳輸系統中終端設備程序設計的重要部分，微處理器通過固件程序與計算機進行數據交換。由于采用不帶MCU內核的USB接口芯片，所以關于USBl．1協議規范的實現都必須靠DSP(TMS320VC5402)控制PDIUSBDl2芯片完成：在DSP(TMS320VC5402)的平臺上編寫程序，以完成USBl．1規范所要求的標準請求及用戶根據產品需要自己定義的請求。

當設備連接到主機后，主機通過給PDIUSBDl2的端點0發送包含標準USB請求的控制傳輸(即Setup包)，PDIUSBDl2產生一個中斷給MCU(1NT0)，MCU通過讀PDIUSBDl2的中斷寄存器和最后一次傳輸狀態寄存器來對每一個請求做出響應，并通過PDIUSBDl2的端點0回送請求信息。主機從返回的信息中讀取描述數據(包括設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符)，分配和載入一個設備驅動程序并對設備進行配置。設備配置完成后，就可以使用配置中支持的端點傳輸數據。固件程序結構如圖2所示。

3．2 設備驅動

在Win32系統中，把每一個設備都抽象為文件，此時的應用程序只需通過幾個簡單的文件操作APl函數，就可以實現與驅動程序中某個設備的通信。

PC機的驅動程序由Philips公司提供。用VC++6．0通過調用API函數，編寫PC的應用程序。這樣即可實現PC機對DSP(TMS320VC5402)指紋取像系統的控制以及圖像的傳輸。主要使用的API函數是DeviceIOControl()、ReadFile()、WriteFile()。其中DeviceIOControl()用于PC(主機)向DSP圖像采集系統發送請求；ReadFile()和WriteFile()分別用于從圖像采集系統讀出數據以及向圖像采集系統寫入數據。在設計過程中必須注意的問題是：由于USB接口是主從方式的接口，其一切傳輸過程都必須通過主機向外設發送請求后才可以開始，所以在使用ReadFile()、WriteFile()讀寫數據前，必須先通過DeviceIOControl()向圖像采集系統發送請求。

3．3 指紋識別流程

系統上電時，TMS320VC5402通過12C總線操作對OV6620進行設置，然后進入指紋圖像采集階段。在該階段，TMS320VC5402處于空閑狀態，CPLD占用數據總線，

將數據直接存儲到圖像RAM中。采集完一幀指紋圖像后由CPLD發握手信號，通知DSP進人數據處理階段。在該階段，TMS320VC5402先將圖像RAM中的數據分塊搬運到用戶RAM中，進行圖像預處理、特征點提取等運算，最后通過USB將結果輸出給上位機。上位機調出指紋數據庫，并將提取的結果與指紋特征庫中的數據進行比對，從而與庫中特征指紋進行指紋匹配識別。

DSP算法具體如下：(1)預濾波。方向濾波：設計了一個水平模板，然后將水平模板旋轉到所需增強的方向進行濾波。(2)二值化。背景分離：采用標準差閾值跟蹤法，圖像的指紋部分由黑白相間的紋理組成，灰度變化很大，具有較大的標準差，而背景部分灰度分布比較平坦，標準差小。因此計算以各點為中心的一組像素的標準差，當標準差大于某一門限時，就可以確定該點為前景，否則為背景。(3)計算方向圖：采用基于法線向量的方法，其中還涉及到方向場的平滑銳化。(4)特征點提取：采用了脊線跟蹤法，其基本思想是直接對圖像進行脊線跟蹤，在跟蹤過程中檢測特征點。

整個軟件流程如圖3所示。