基于SOPC的指紋識別系統設計

    人的指紋具備的唯一性、終身不變性、易獲取和難以復制等特點，使得指紋識別很早就成為身份識別中的一種技術手段。隨著科學技術的發展，指紋識別已經成為目前最為實用、應用最為廣泛的生物識別技術，尤其在民用生物識別技術中。指紋識別技術已經在金融、醫療、公安、門禁系統等領域得到了廣泛的應用。

    傳統的指紋識別系統都是基于PC機的，這種系統具有識別速度快、樣本存儲量大、軟件設計技術成熟等優點。但是，基于PC機的指紋識別系統由于價格昂貴、移動性能差、功耗高等缺點限制了其應用的進一步擴大。自二十世紀末以來，半導體技術和嵌入式技術的快速發展，為人們設計廉價的便攜式指紋識別系統提供了一個技術上的實現平臺。 本文介紹了一種基于ALTERA公司推出的SOPC(System on a Programmable Chip，片上可編程系統)技術的指紋識別系統的設計方案。該系統以ALTERA公司的Cyclone II系列FPGA和NIOSII軟核處理器為核心，并采用富士通公司的MBF200指紋采集芯

    1 指紋識別系統原理

    指紋識別系統一般由指紋圖像采集、指紋圖像預處理、指紋特征提取、指紋特征匹配、特征數據庫等幾部分組成。指紋識別系統的原理框圖如圖1所示。該系統首先由指紋采集設備采集到指紋圖像將其轉化為數字圖像；然后對指紋數字圖像進行預處理，再通過圖像增強、分割、平滑、細化等處理過程得到便于指紋特征提取的數字圖像：接著提取細化后的圖像細節特征點；最后將提取到的特征與特征數據庫中的特征數據進行匹配，并輸出識別結果。

    2 系統硬件設計

    2.1 SOPC技術與NIOS II軟核處理器

    SOPC (System on a Programmable Chip，片上可編程系統)是ALTERA公司提出來的一種靈活、高效的SOC解決平臺。它將處理器、存儲器、I／O口、LVDS、CDR等系統設計所需要的功能模塊集成到一個PLD器件上，從而構建成一個可編程的片上系統。基于SOPC技術的系統設計十分靈活，用戶可以根據自己的實際要求，并利用IPCore資源組合構建出不同的應用系統，從而實現軟硬件協同設計。

    NIOS II軟核處理器是ALTERA公司于2004年推出的通用32位RISC CPU，它能滿足任何應用32位嵌入式微處理器的需要．用戶可以獲得超過200 DMIPS的性能。NIOS II軟核處理器具有32位處理器的基本結構單元(32位指令大小，32位數據和地址路徑，32位通用寄存器和32個外部中斷源)，設計者可以根據系統需求的變化來調整嵌入式系統的特性，以選擇滿足性能和成本的最佳方案。Nios II系列可支持用戶自定義指令，而NIOS II ALU則直接與用戶自定義的指令邏輯相連。由于設計者能為系統中使用的每個Nios II處理器創建多達256個專用指令，因此，設計者能夠調整系統硬件以增強對實時軟件算法的處理能力。ALTERA公司同時還推出了Nios II集成開發環境(IDE)和一些常用的免費IP核，以方便設計者的軟件開發。另外，設計者使用Altera公司Quartus II開發軟件中的SOPC Builder系統開發工具還能夠很容易地創建專用的處理器系統，并能夠根據系統的需求添加Nios II處理器核的數量。

    2.2 系統硬件結構

    一般的指紋識別系統主要由指紋采集模塊、系統核心模塊、數據存儲模塊和輸出顯示模塊等幾部分組成。其系統硬件結構框圖如圖2所示。

    本系統中的采集模塊采用富士通公司的MBF200指紋傳感器芯片，該芯片的分辯率高達500dpi(dots per inch)，并帶有8bit數據接口，可以采集300