基于CMOS圖像傳感器的指紋識別設計

　　USB快速批量傳輸的實現

　　USB控制接口芯片AN2131QC特性簡介

　　AN2131QC是基于USB1.1協議設計的，支持高速12Mb/s的傳輸速率，內嵌有增強型8051微控制器、8kB的RAM和一個智能USB內核的收發器，它包含一個I2C總線控制器和3個8位多功能I/O口，有8位數據總線和16位地址總線用于外部RAM擴展。其結構如圖5所示。

　　圖5　AN2131QC結構簡圖

　　AN2131QC內部的USB差分收發器連接到USB總線的D+和D-上。串行接口引擎(SIE)對USB總線上串行數據進行編碼和譯碼(即實現USB協議的打包和解包工作)，同時執行錯誤糾正、位填充及其它USB需要的信號標準，這種機制大大減輕了8051的工作，簡化了固件的編程。內核微處理器是一個增強型8051，其指令周期為4 個時鐘周期并具有雙DPTR指針，同時指令與標準8051兼容。它使用內部RAM存儲固件程序和數據，上電后，主機通過USB總線將固件程序和外設特性描述符下載到內部RAM(也可以直接從板上E2PROM上讀取)，然后重連接，按照下載的特性描速符進行重枚舉，這種設計可以實現軟件USB快速批量傳輸的實現。

　　當采集的指紋數據導入了由SRAM和CPLD構成的高速數據緩沖緩沖區后，要通過USB接口將數據發送到上位PC機，AN2131QC必須先將數據讀入到內部USB緩沖區，因此，AN2131QC將數據傳到內部USB緩沖的速度將是整個USB數據傳輸速度快慢的關鍵。為了使USB數據傳輸(從外部讀入數據并將之傳到PC機)達到最快，需要采用很多措施，下面就設計指紋識別儀固件(AN2131QC程序)中采用的USB批量傳輸進行探討。

　　正常情況下，AN2131QC內核結構從外部讀入數據到USB的端點緩沖區，要使用的匯編程序為：

　　movx a，@dptr;讀外部數據到acc寄存器incdptr;外部地址加1

　　incdps;切換DPTR指針(內核有雙DPTR指針，用dps進行切換)

　　movx @dptr，a;將acc內容放入USB緩沖區

　　incdptr;USB緩沖區地址加1

　　incdps;切換DPTR指針

　　由上述程序可知，數據在寄存器中完成操作后，都必須有一個“incdptr”和“incdps”指令來完成16位地址的增加和緩沖區指針切換。為了消除這種內部消耗，使用AN2131QC提供的一種特殊的硬件指針即自動指針(只用于內部緩沖區)，8051裝載USB緩沖區地址到兩個AUTOPTRH (高字節地址)和AUTOPTRL(低字節地址)寄存器中，向AUTODATA寫入的數據就直接存入由AUTOPTR/H2L指向的地址緩沖區中，并且內核自動增加AUTOPTR/H2L中16位地址的值。這樣USB緩沖區可以像FIFO一樣來順序寫入數據，節省了每次寫內部USB緩沖區時的“incdptr”指令。同時內核還提供一種快速模式(只用于對外部數據操作)，此模式從外部讀數據“movx a，@dptr”時，直接將外部數據總線和內部緩沖區連在一起，由于使用CPLD和SRAM構成的指紋高速緩沖區具有FIFO的性質，所以使用快速模式讀外部指紋數據時也節省了“incdptr”指令。將上述兩種方式結合起來，讀外部數據到內部緩沖區程序就只需要一條指令：movx @dptr，A(dptR存放AUTODATA寄存器地址)，此指令需要兩個8051機器周期(8個24MHz時鐘周期)。這樣，一個字節可以在333ns內讀入到USB端點緩沖區。

　　在USB接口數據傳輸一側，當PC機要對一特定端點進行讀數據并發送IN令牌，如果一個IN令牌到達時8051還沒有完成向USB端點緩沖區的數據裝載(讀外部數據)，AN2131QC就發送一個NAK握手信號來響應IN令牌，表明PC機應該在稍后再發送一個IN令牌。為了解決這種等待從而達到最快的傳輸速度，可以使用雙緩沖技術(端點配對)，使8051在前一個數據包在USB總線上傳輸的時候，裝載塊數據的下一個數據包。

　　結　論

　　利用CMOS數字圖像傳感器OV762M和USB控制器AN2131QC實現的指紋儀結構簡單，體積小，使用方便。指紋識別系統中使用CPLD技術實現了高速緩沖，解決了速度時序匹配問題;使用了快速批量USB傳輸技術實現了數據的快速傳輸，使指紋數據的傳輸達到最高速(每幀傳輸只用80Ms)。使用現論述的方法實現的指紋儀采集的指紋數據經PC機重現后效果如圖6所示(左圖是未經任何處理的重現，右圖是經過平滑、細化等算法處理后的重現)。

　　圖6　采集指紋重現效果(處理前后)