指紋識(shí)別作為生物特征識(shí)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(lái)越多人的重視,。本系統(tǒng)使用TI的TMS320VC5402（以下簡(jiǎn)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(chǎng)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(guò)該接口得到指紋特征數(shù)據(jù),；Flash存儲(chǔ)指紋信息庫(kù),、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(hào)碼,，增強(qiáng)該系統(tǒng)的安全等級(jí)。

　　1.1 存儲(chǔ)空間的軟硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)要訪問(wèn)的存儲(chǔ)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(lái)對(duì)程序空間尋址,，所以有1M字節(jié)的尋址空間,，利用高地址線A

19來(lái)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(yè)擴(kuò)展,。為了避免和DARAM的訪問(wèn)沖突,，不能使用64K一頁(yè)。因?yàn)?4K中低地址的16K實(shí)際上不能訪問(wèn),，它優(yōu)先被64K中低地址的16K實(shí)現(xiàn)上不能訪問(wèn),，它無(wú)被DARAM訪問(wèn)，所以定為32K的一數(shù)據(jù)頁(yè),。分配一個(gè)I/O地址,，而后通過(guò)I/O地址的譯碼對(duì)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(yè),。當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問(wèn)時(shí),，應(yīng)分為以下幾步：

　?、俳馕鲈摰刂罚M(jìn)行分割,。前（低）15位為頁(yè)內(nèi)地址,，后（高）6位為頁(yè)地址。

　?、谂袛囗?yè)地址是否為0,。如果為0，則說(shuō)明訪問(wèn)DARAM,，直接使用訪問(wèn)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(yè)地址用PORTW命令送到寄存器（所分配的I/O空間地址）里,，頁(yè)地址也就在SRAM的高地址線上了,。

　　④再使用訪問(wèn)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(duì)存儲(chǔ)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(chǔ)頁(yè)地址,。由于擴(kuò)展頁(yè)僅為32K,，大于32K的數(shù)組是開(kāi)辟不出來(lái)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(guò)的堆?？截惖蕉芽臻g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(guò)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(huì)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(kāi)始時(shí)立即啟動(dòng)或延半個(gè)周期再啟動(dòng),。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(guò)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：

　?、賹PCR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(hào)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。

　?、墼O(shè)置SPCR->GRST為1,，采樣率發(fā)生器退出復(fù)位狀態(tài)，開(kāi)始工作,。

　?、艿却齼蓚€(gè)時(shí)鐘周期，以確保McBSP在初始化過(guò)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(cè)拼裝成一個(gè)16位的字進(jìn)行發(fā)送,。接收通過(guò)DSP的Int0中斷進(jìn)行處理,。

　　1.3 總線控制和驅(qū)動(dòng)

　　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(dòng)外部5V的邏輯電平的情況,；而且連接在動(dòng)能力不足,。因此，需要對(duì)總線,，特別是數(shù)據(jù)總線進(jìn)行加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)計(jì),。其中數(shù)據(jù)總線使用SN74LVTH16245來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)向驅(qū)動(dòng)；地址總線是單向的,，沒(méi)有方向的控制,，也沒(méi)有使能的控制,，使用SN74LVTH16244單向驅(qū)動(dòng)器就可以了。對(duì)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(guò)對(duì)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(yǔ)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(guò)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(yè)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(kāi)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(kāi)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(dòng)把程序和數(shù)據(jù)從外部存儲(chǔ)器Flash讀SRAM中,，但問(wèn)題是用戶程序超過(guò)了32K，所以必須采用以下特殊的BOOT方法,。

　?、賰?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,。

　?、谟脩鬊OOT。內(nèi)部BOOT完成后,，開(kāi)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,。

　?、塾脩鬊OOT完成后，跳至用戶程序開(kāi)始運(yùn)行,。

　　2.4 指紋識(shí)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：

　?、俦尘胺蛛x。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,。

　?、谟?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(chǎng)的平滑,。

　?、鄯较?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(cè),。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(duì)圖像進(jìn)行脊線跟蹤，在跟蹤過(guò)程中檢測(cè)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(yè)面寄存器的值,，如果程序僅在SRAM中運(yùn)行會(huì)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(huì),，程序和數(shù)據(jù)的一次連續(xù)處理不會(huì)超過(guò)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(jiǎn)單而有規(guī)律,。為了提高效率，可以開(kāi)辟兩個(gè)存儲(chǔ)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(duì)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(duì)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(chǔ)器映像,，這是通過(guò)設(shè)置仿真器命令文件實(shí)現(xiàn)的?？梢栽诜抡嬲{(diào)試軟件目錄下改寫emuinit.cmd,，使之每次啟動(dòng)仿真器時(shí)自動(dòng)加載，也可以在啟動(dòng)仿真器后手動(dòng)加載命令文件以初始化目標(biāo)存儲(chǔ)器映像,。一般而言,，仿真器存儲(chǔ)器映像與連接器存儲(chǔ)器映像應(yīng)一致。對(duì)SRAM的調(diào)試的基本思想是,，首先對(duì)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(méi)有問(wèn)題。對(duì)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(yǔ)

　　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(kāi)發(fā),，

離產(chǎn)品化還有一段距離,，還有許多工作要做。