基于TMS320VC5402的指紋識別系統(tǒng)
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關(guān)鍵詞：DSP 指紋識別 TMS320VC5402
指紋識別作為生物特征識別的一種，有其不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。由于可以隨身攜帶這種特殊的“印章”，所以受到越來越多人的重視。本系統(tǒng)使用TI的TMS320VC5402（以下簡稱5402）作為核心。DSP與單片機(jī)相比，多用于算法比較復(fù)雜，乘加運(yùn)算量比較大的場合。該芯片為一款定點(diǎn)的DSP，它具有高達(dá)100MIPS的運(yùn)算能力，同時(shí)具有優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)和一系列的智能外設(shè)。下面著重討論基于該芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1 總體設(shè)計(jì)
指紋系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。
該系統(tǒng)是由指紋采集儀、FPGA、SRAM和Flash等硬件組成。RS232用于數(shù)據(jù)傳輸，PC機(jī)可以通過該接口得到指紋特征數(shù)據(jù)；Flash存儲指紋信息庫、LCD用的字符和DSP程序；FPGA在DSP的控制下從取指器中取出圖放入SRAM中；小鍵盤用于用戶輸入ID號碼，增強(qiáng)該系統(tǒng)的安全等級。
1.1 存儲空間的軟硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)要訪問的存儲器有三個(gè)：
DSP內(nèi)部DARAM（16K字，用于存放常量和變量的數(shù)據(jù)空間）、SRAM和Flash。因?yàn)?402有20根地址線可以用來對程序空間尋址，所以有1M字節(jié)的尋址空間，利用高地址線A19來區(qū)分Flash和SRAM。其中SRAM是BootLoader后程序運(yùn)行的空間，這樣就把Flash放在高地址上去了。5402的數(shù)據(jù)尋址空間僅為64K，所以要進(jìn)行分頁擴(kuò)展。為了避免和DARAM的訪問沖突，不能使用64K一頁。因?yàn)?4K中低地址的16K實(shí)際上不能訪問，它優(yōu)先被64K中低地址的16K實(shí)現(xiàn)上不能訪問，它無被DARAM訪問，所以定為32K的一數(shù)據(jù)頁。分配一個(gè)I/O地址，而后通過I/O地址的譯碼對74LS273進(jìn)行使能控制，最后鎖存I/O的數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)頁。當(dāng)對數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問時(shí)，應(yīng)分為以下幾步：
①解析該地址，進(jìn)行分割。前（低）15位為頁內(nèi)地址，后（高）6位為頁地址。
②判斷頁地址是否為0。如果為0，則說明訪問DARAM，直接使用訪問數(shù)據(jù)的指令；需要的16位地址就是前15位的地址、高位補(bǔ)零，并結(jié)束。
③把頁地址用PORTW命令送到寄存器（所分配的I/O空間地址）里，頁地址也就在SRAM的高地址線上了。
④再使用訪問數(shù)據(jù)的指令，需要的16位地址就是前15位的地址、高位補(bǔ)零。
對存儲器的管理，需要編寫一定量的程序。可以設(shè)置一個(gè)全局變量存儲頁地址。由于擴(kuò)展頁僅為32K，大于32K的數(shù)組是開辟不出來的，所以使用鏈表。需要注意的是釋放空間時(shí)，把相鄰的未使用的空間盡量連接成一大塊，同時(shí)需要一個(gè)接一個(gè)地把用過的堆棧拷貝到堆空間的尾部，使自己空間聚合成一個(gè)大塊。
圖2、圖3分別為外部程序擴(kuò)展和數(shù)據(jù)空間擴(kuò)展示意圖。
1.2 RS232通信接口軟硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)使用MAX3110E連接DSP與PC機(jī)，通過軟件控制分頻比可獲得通用的300baud～230kbaud的波特率。MAX3110E內(nèi)部UART與RS232收發(fā)器能夠獨(dú)立工作。McBSP的時(shí)鐘停止模式可以兼容SPI主-從協(xié)議。所謂McBSP的時(shí)鐘停止模式是指其時(shí)鐘會在每次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)停止，并在下次數(shù)據(jù)傳輸開始時(shí)立即啟動或延半個(gè)周期再啟動。其接收器和發(fā)送器是同步的，即CLKX和FSX分別與CLKR和FSR相連；在傳輸過程中，CLKX和FSX又分別用做SPI的移位時(shí)鐘SCK和從方使能SS，可以是輸出（主方），也可以輸入（從方）。其McBSP初始化編程應(yīng)遵守以下幾個(gè)步驟：
①將SPCR中的XRST、RRST置為0，處于復(fù)位狀態(tài)。
②McBSP保持復(fù)位的狀態(tài)下，設(shè)置有關(guān)的寄存器為需要的值。由于SPI協(xié)議要求McBSP在移位輸出數(shù)據(jù)之前，F(xiàn)SX信號必須由DXR->XSR產(chǎn)生FSX，所以XCR寄存器中XDATALY位必須設(shè)置為1。
③設(shè)置SPCR->GRST為1，采樣率發(fā)生器退出復(fù)位狀態(tài)，開始工作。
④等待兩個(gè)時(shí)鐘周期，以確保McBSP在初始化過程中內(nèi)部能夠正確地同步。
而后，配置MAX3110E的波特率和發(fā)送波形，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)MAX3110E的數(shù)據(jù)手冊拼裝成一個(gè)16位的字進(jìn)行發(fā)送。接收通過DSP的Int0中斷進(jìn)行處理。
1.3 總線控制和驅(qū)動
本系統(tǒng)中總線有兩種：數(shù)據(jù)總線和地址總線。數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，地址總線進(jìn)行尋址。因?yàn)镈SP的數(shù)據(jù)總線是3.3V的高電平邏輯值，可能出現(xiàn)不能驅(qū)動外部5V的邏輯電平的情況；而且連接在動能力不足。因此，需要對總線，特別是數(shù)據(jù)總線進(jìn)行加強(qiáng)驅(qū)動能力的設(shè)計(jì)。其中數(shù)據(jù)總線使用SN74LVTH16245來進(jìn)行驅(qū)動向驅(qū)動；地址總線是單向的，沒有方向的控制，也沒有使能的控制，使用SN74LVTH16244單向驅(qū)動器就可以了。對于數(shù)據(jù)總線的控制，按照所邏輯合理使用了DSP_MSTRB。DSP_IOSTRB、R/W就可以完成了。
1.4 鍵盤與LCD接口的硬件設(shè)計(jì)
鍵盤和LCD都是I/O器件，分配兩個(gè)I/O空間的地址，通過對地址的譯碼產(chǎn)生使能控制LCD和鍵盤。鍵盤上有12個(gè)按鍵，用10kΩ電阻拉高，同時(shí)使用與邏輯連接這12根線，輸出的邏輯電平接DSP中斷Int2，在中斷服務(wù)程序中使用PORTR命令讀入鍵值。LCD用于顯示界面信息。本系統(tǒng)使用LC1611字符點(diǎn)陣模塊。
1.5 指紋圖像的獲取
采用Altera公司的Maxplus II軟件進(jìn)行VHDL語言編程。按照一定的時(shí)序，把指紋圖像放大SRAM的固定地址中，這一部分調(diào)試有些麻煩，可以放在最后做，而圖像的獲取可使用CCS2.0下的file->data->load把圖像文件放入指定的內(nèi)存區(qū)域。此圖像文件為CCS數(shù)據(jù)文件，可以編寫一段C程序把BMP文件轉(zhuǎn)換成CCS文件。另一種比較方便的方法是用DSP編寫一個(gè)小程序，使用fopen()、fread()等函數(shù)把圖像讀入內(nèi)存，然后使用file->data->save保存成CCS文件。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 主程序流程
主流程就是要實(shí)現(xiàn)把各部分的程序連接成一個(gè)有機(jī)的整體，并能夠通過液晶顯示和小鍵盤響應(yīng)實(shí)現(xiàn)和用戶的交互。所以，它的任務(wù)就是能夠響應(yīng)小鍵盤，根據(jù)不同的鍵值執(zhí)行不同的操作，同時(shí)顯示不同的頁面。系統(tǒng)主流程如圖4所示。
2.2 鍵盤中斷程序
5402中與中斷有關(guān)的寄存器有三個(gè)：IFR、IMR、PMST。在DspInitial（）函數(shù)中，首先要設(shè)置好這些寄存器，而后在中斷程序中讀入鍵值。為了防止誤觸發(fā)，在中斷的一開始延時(shí)3ms。其核心代碼如下：
ioport unsigned char port0000;
volatile unsigned int* IMR=(volatile unsigned int *) 0x0000;
……
volatile unsigned int* PMST=(volatile unsigned int *) 0x001D;
main(){
DspInitial();
……
}
interrupt void isr_int0(){
delay3ms();
KEY=port0000&0x0FFF;
Switch(KEY)
……
}
2.3 BootLoader程序設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)為最小系統(tǒng)，需要脫離開發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行，因此須進(jìn)行BootLoader設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)上電以后自動把程序和數(shù)據(jù)從外部存儲器Flash讀SRAM中，但問題是用戶程序超過了32K，所以必須采用以下特殊的BOOT方法。
①內(nèi)部BOOT。利用片內(nèi)的BOOT程序?qū)⒆约壕幹频腂OOT程序從Flash移至內(nèi)部的RAM中。
②用戶BOOT。內(nèi)部BOOT完成后，開始執(zhí)行自己的BOOT程序。利用DSP的擴(kuò)展尋址方法，自已編制的BOOT編程中從Flash讀取代碼。
③用戶BOOT完成后，跳至用戶程序開始運(yùn)行。
2.4 指紋識別核心算法程序
本系統(tǒng)使用的指紋算法主要分為五部分，其算法的可靠性已經(jīng)isual C++ 6.0進(jìn)行了驗(yàn)證，具體算法如下：
①背景分離。采用標(biāo)準(zhǔn)差閾值跟蹤法，圖像的指紋部分是由黑白相同的紋理組成的，灰度變化很大，具有較大的標(biāo)準(zhǔn)差；而背景部分灰度分布比較平坦，標(biāo)準(zhǔn)差小，因此計(jì)算以各點(diǎn)為中心的一組像素的標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差大于某一門限時(shí)，就可以確定該點(diǎn)為前景，否則為背景。
②計(jì)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。
③方向?yàn)V波。設(shè)計(jì)一個(gè)水平模板，然后將水平模板旋轉(zhuǎn)到需增強(qiáng)的方向進(jìn)行濾波。
④奇異點(diǎn)檢測。區(qū)分出奇異點(diǎn)，如核形（core）、三角形（delta）、渦輪形（whorl）。
⑤特征點(diǎn)提取。采用脊跟蹤法，其基本思想是直接對圖像進(jìn)行脊線跟蹤，在跟蹤過程中檢測特征點(diǎn)。以上便是所采用指紋算法的核心思想。
在DSP編程中把它分成五個(gè)任務(wù)模塊，每一個(gè)模塊都必須注意頁面寄存器的值，如果程序僅在SRAM中運(yùn)行會浪費(fèi)大量的時(shí)鐘，所以把部分程序和數(shù)據(jù)放入DSP的內(nèi)部。根據(jù)自己編程的體會，程序和數(shù)據(jù)的一次連續(xù)處理不會超過64K，所以可以把核心的程序常駐5402內(nèi)1K的空間，再留有7～8K的空間調(diào)用所需的程序，余下的7K用于存放數(shù)據(jù)。但考慮到該方法程序編寫的復(fù)雜性，僅在圖像濾波中使用，因?yàn)闉V波方法簡單而有規(guī)律。為了提高效率，可以開辟兩個(gè)存儲區(qū)（PING-PONG型），當(dāng)一塊用于DMA傳輸時(shí)，另一塊讓DSP進(jìn)行計(jì)算。最后一點(diǎn)，因?yàn)?402是定點(diǎn)的，所以要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。
3 系統(tǒng)調(diào)試方法
設(shè)計(jì)并加工好印制電路板后，就進(jìn)入了硬件調(diào)試階段。首先應(yīng)對電路板作細(xì)致的常規(guī)檢查，防止短路和斷路情況的發(fā)生。加電后，檢查晶體是否振蕩，復(fù)位是否正確可靠，而后用示波器檢查5402的輸出時(shí)鐘CLKOUT是否按照指定時(shí)鐘模式工作。在作完這些檢查賓，就可以進(jìn)入系統(tǒng)硬件調(diào)試階段。在硬件仿真時(shí)，首先要配置目標(biāo)系統(tǒng)的存儲器映像，這是通過設(shè)置仿真器命令文件實(shí)現(xiàn)的。可以在仿真調(diào)試軟件目錄下改寫emuinit.cmd，使之每次啟動仿真器時(shí)自動加載，也可以在啟動仿真器后手動加載命令文件以初始化目標(biāo)存儲器映像。一般而言，仿真器存儲器映像與連接器存儲器映像應(yīng)一致。對SRAM的調(diào)試的基本思想是，首先對SRAM的兩具單元初始化為兩個(gè)不同的值，而后調(diào)試的主程序不斷交替這兩個(gè)單元的數(shù)值。具體方法是從一個(gè)單元讀出數(shù)據(jù)寫入另一個(gè)單元，由累加器作為傳遞單元。使用Debugger軟件，查看相應(yīng)的SRAM單元，若確實(shí)將照設(shè)定交替變化，則表明該部分沒有問題。對于鍵盤和LCD的調(diào)試，其方法不難，這里不再詳細(xì)闡述。
結(jié)語
該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，充分體現(xiàn)了DSP強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算能力；但該系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了軟硬件的初步研制與開發(fā)，離產(chǎn)品化還有一段距離，還有許多工作要做。
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