基于STM32與FPC1011F的嵌入式指紋采集存儲儀設(shè)計*

李 多，葉 樺，2*

(1．東南大學(xué)自動化學(xué)院，南京210096;2．復(fù)雜工程系統(tǒng)測量與控制教育部重點實驗室，南京210096)

LI Duo1，YE Hua1，2*

(1．School of Automation，Southeast University，Nanjing 210096，China;2．Key Laboratory of Measurement and Control of Complex Systems of Engineering，Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)

隨著微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，生物識別系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)用于如門禁考勤、身份認(rèn)證以及安全防恐等領(lǐng)域。生物識別技術(shù)是利用人體固有的生物特性來進行個人身份的鑒定的一種技術(shù)。人類的生物特征通常具有唯一性、可以測量以及終身不變等特點，因此生物識別認(rèn)證技術(shù)較傳統(tǒng)認(rèn)證技術(shù)在安全性和便捷性方面具有較大的優(yōu)勢［1］。

相比于虹膜、人臉以及聲音、筆跡等，指紋是目前生物識別領(lǐng)域最多也是研究時間最長的生物特征，占據(jù)生物識別產(chǎn)品過半的市場份額并保持較高的增長率［2］。無論是指紋識別算法的研究還是指紋庫原始數(shù)據(jù)的獲取，指紋采集是一項最為關(guān)鍵的技術(shù)，因此本文設(shè)計了一種基于STM32的嵌入式指紋采集存儲儀，彌補了傳統(tǒng)的指紋采集儀采集速度慢、存儲空間少、成本高、操作復(fù)雜、體積龐大、設(shè)備互換性差等諸多不足［3－5］。

本采集儀的主要創(chuàng)新點有二:一是選擇SD卡作為存儲器，存儲容量大、存取速度快，并且通過文件系統(tǒng)管理SD卡，使得SD卡上存儲的指紋圖像可以直接在計算機上瀏覽和處理;二是通過觸摸屏提供了指紋采集和管理的操作界面，界面友好、操作簡單，不需要連接計算機即可完成相關(guān)操作，較好的滿足了基于指紋特征的生物識別領(lǐng)域?qū)τ谠贾讣y圖像采集的實際應(yīng)用需求。

1 指紋采集存儲儀硬件設(shè)計

1．1 FPC1011F指紋傳感器及其接口

FPC1011F是瑞典FINGERPRINTS公司推出的基于半導(dǎo)體硅電容效應(yīng)的指紋傳感器，硅電容技術(shù)的優(yōu)點是可以在較小的表面上獲得比光學(xué)技術(shù)更好的圖像質(zhì)量。FPC1011F在10．64 mm×14 mm的有效感應(yīng)區(qū)域中集成了152×200像素的硅傳感器陣列，其分辨率高達363 dpi［6］。每個硅傳感器等效于電容的一個極板，手指則是另一極板，根據(jù)手指紋線的脊和谷相對于平滑的硅傳感器之間的電容差不同，經(jīng)過電荷放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路數(shù)字化后得到每像素8 bit的灰度圖像［7］。FPC1011F在指紋的采集質(zhì)量、便捷性、耐用性以及安全性等方面，均得到了業(yè)內(nèi)人士的好評，目前國內(nèi)比較高檔、保密級別較高的場所都指定使用FPC1011F。

在接口方面，F(xiàn)PC1011F采用4線制SPI接口，傳輸速率高達4 Mpixel/s，傳輸一幅標(biāo)準(zhǔn)的指紋圖像數(shù)據(jù)，僅需要7．6 ms，傳感器與主控芯片的連接圖如圖1所示。

圖1 FPC1011F連接圖

1．2 主控芯片及存儲器、顯示器接口

MCU選用ST公司的STM32F103RCT6，該芯片是專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用所設(shè)計的，其主要參數(shù)如表1所示［8］。該芯片處理速度快、存儲空間大，并集成了豐富的外設(shè)資源，極大的簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計，降低了成本，提高了可靠性。另外ST官方還為STM32F10x系列處理器編寫了針對外設(shè)資源的固件庫，相比于傳統(tǒng)的寄存器操作，通過固件庫API函數(shù)操作外設(shè)極大的提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。

表1 STM32F103RCT6主要參數(shù)

根據(jù)FPC1011F指紋傳感器的參數(shù)指標(biāo)，采集得到的指紋圖像分辨率為152×200，每個像素占用1 byte空間即一幅圖像大小為30 400 byte，STM32F103RCT6集成了64 kbyte的嵌入式SRAM，從理論上說具備兩幅指紋圖像的緩沖空間，因此不需要外擴RAM。

外擴SD卡作為指紋圖像的存儲器，SD卡是Security Digital Memory Card(安全數(shù)字存儲卡)的簡稱，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機、掌上電腦和多媒體播放器等。在存儲媒介方面SD卡采用了NAND型閃存存儲器，平均數(shù)據(jù)傳輸率能達到2 Mbyte/s。SD卡常見的傳輸模式有兩種:傳統(tǒng)SPI模式和4 bit SDIO模式，考慮到指紋圖像文件較小，因此這里采用兼容性更強的SPI模式。觸摸屏采用QVGA分辨率的3．5 inch TFT模組，模組自帶LCD控制器以及4線電阻式觸摸芯片。SD卡及TFT模組接口電路原理圖如圖2(a)、圖2(b)所示。

2 指紋采集存儲儀軟件設(shè)計

2．1 FPC1011F 驅(qū)動程序

FPC1011F驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了傳感器工作參數(shù)的配置、啟動指紋采集以及讀取指紋圖像數(shù)據(jù)3個功能。時序上FPC1011F兼容SPI通訊協(xié)議的模式1和模式3，并且傳感器是SPI通訊中的從機，因此首先要按照上述要求配置STM32的SPI外設(shè)，之后便可通過發(fā)送命令+參數(shù)的形式操作傳感器了。

圖2

傳感器工作參數(shù)主要包括:電容陣列驅(qū)動電壓、A/D轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍以及傳感器工作模式、圖像的有效區(qū)域等，這些參數(shù)可以根據(jù)實際工作環(huán)境配置，其中電容陣列的驅(qū)動電壓和A/D轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍要相匹配，它們共同決定了采集圖像的質(zhì)量，推薦將驅(qū)動電壓和動態(tài)范圍均設(shè)置為電源電壓的一半。

在配置好工作參數(shù)后，發(fā)送rd_sensor命令即可啟動指紋的采集，之后通過命令rd_spistat查詢SPI_STAT寄存器，它的最低位表示了指紋圖像數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，如最低位為1，則可發(fā)送rd_spidata逐個像素的讀取圖像。完整的指紋采集流程如圖3所示，尖括號中的數(shù)據(jù)表示MCU發(fā)送的命令以及參數(shù)。

2．2 FatFS文件系統(tǒng)移植

在SD卡存儲器的設(shè)計中，利用文件系統(tǒng)對存儲媒介進行管理已成為嵌入式系統(tǒng)的一個發(fā)展方向，因此需要一種可靠的文件系統(tǒng)［9］，通過文件系統(tǒng)不僅便于在嵌入式系統(tǒng)和計算機之間直接交換文件，更提高了文件存儲和管理的效率。

圖3 指紋采集流程圖

目前嵌入式系統(tǒng)上常用的商用文件系統(tǒng)有Micrium公司的 μC/FS，支持 CF卡、硬盤、SD/MMC卡、NAND Flash等，以及國內(nèi)廣州周立功單片機發(fā)展有限公司開發(fā)的ZLG/FS，它兼容個人電腦使用的FAT16、FAT32等文件系統(tǒng)，可移植到前后臺系統(tǒng)和多任務(wù)系統(tǒng)［10］。

本文選擇了時下應(yīng)用較為廣泛的一種開源嵌入式文件系統(tǒng)FatFS，它特別針對嵌入式處理器的特點進行了優(yōu)化。通過清晰的分層次設(shè)計，如圖4所示，使得FatFS具有良好的硬件平臺獨立性，經(jīng)過簡單的修改就可以移植到多種嵌入式處理器上面。最高層是應(yīng)用層，向用戶提供了如打開文件、讀寫文件等接口函數(shù)，中間層實現(xiàn)了FAT文件系統(tǒng)協(xié)議的處理，最底層是移植FatFS需要完成的工作，用戶需要根據(jù)所使用的微處理器以及存儲介質(zhì)編寫相關(guān)函數(shù)。

圖4 FatFS結(jié)構(gòu)層次圖

本文選擇了FatFS R0．07e版本在STM32上進行移植，移植過程可分為3步，第1步修改FatFS源碼中的integer．h文件，使其中定義的數(shù)據(jù)類型與使用的微處理器平臺相匹配;第2步修改FatFS源碼中的ffconf．h文件，該文件通過宏定義的方式對文件系統(tǒng)的屬性和功能進行裁剪，以減少文件系統(tǒng)不必要的開銷。針對FatFS在STM32F103RCT6上的移植來說，其RAM和FLASH比較充裕，可以禁用_FS_TINY選項并使能_FS_MINIMIZE選項，即開啟全部文件操作接口函數(shù)，并為每個文件對象單獨開辟扇區(qū)緩沖，以提高讀寫速率，其余選項可以采用默認(rèn)或者根據(jù)需要進行配置。

第3步也是最重要的一步，就是編寫磁盤讀寫的底層接口函數(shù)，相關(guān)函數(shù)的定義位于FatFS源碼diskio．c文件中。文獻［11］是SD卡協(xié)會編寫的SD卡物理層規(guī)范，其中定義了SD卡的操作時序，參照該文獻即可完成SD卡底層接口函數(shù)的編寫。其中最關(guān)鍵的是3個函數(shù):disk_initialize，它實現(xiàn)SD卡上電復(fù)位以及卡類型的判斷并初始化SD卡，初始化流程圖如圖5所示。disk_write，它完成向SD卡的扇區(qū)寫數(shù)據(jù)操作，disk_read，它完成從SD卡的扇區(qū)讀數(shù)據(jù)操作，軟件流程圖分別如圖6、圖7所示。至此FatFS在STM32上便移植完成。

圖5 SD卡初始化流程圖

圖6 SD卡扇區(qū)寫流程圖

圖7 SD卡扇區(qū)讀流程圖

2．3 BMP文件存儲格式

BMP(Bitmap)是Windows中的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式，與硬件設(shè)備無關(guān)，使用非常廣泛，采用該格式后，用戶在電腦上使用畫板軟件即可直接瀏覽指紋圖片。另一方面考慮到后續(xù)指紋處理和識別的需要，未選擇JPEG等有損壓縮的圖像編碼方式，以確保指紋原始數(shù)據(jù)的完整性，并且許多成熟的圖像處理算法也大都針對BMP格式，因此本文選擇BMP格式存儲采集到的指紋圖像。

有調(diào)色板的位圖文件結(jié)構(gòu)如圖8所示，位圖文件由文件頭、信息頭、調(diào)色板(可選)和位圖數(shù)據(jù)四部分組成［12］。考慮到FPC1011F傳感器采集到的指紋是256級灰度圖像，因此本文采用帶有調(diào)色板的8 bit位圖存儲。其中位圖文件頭和信息頭長度固定為54 byte;8 bit位圖共256種顏色，故調(diào)色板占用空間1 024 byte;位圖數(shù)據(jù)為30 400 byte。因此相比于原始數(shù)據(jù)，由于采用BMP格式所額外的空間開銷為 1 078 byte，即指紋圖片的存儲效率為30 400÷(30 400+1 078)≈96．6%，盡管在存儲效率上比不上JPEG等格式，但相比于其他的位圖格式(如16 bit、24 bit真彩色等)，既保持了指紋原始數(shù)據(jù)的完整性，又兼顧了存儲效率。

圖8 位圖文件結(jié)構(gòu)圖

BMP文件的格式定義可參考Windows標(biāo)準(zhǔn)，這里不再詳述。本文以結(jié)構(gòu)體的方式定義文件頭、信息頭和調(diào)色板，以文件頭為例參考代碼如下所示，需要指出的是由于STM32是32 bit處理器，因此定義結(jié)構(gòu)體時需要使用pack選項，使成員變量的存儲按照16 bit方式對齊，否則默認(rèn)32 bit方式對齊會導(dǎo)致圖片格式錯誤。

#pragma pack(push，2)typedef__packed struct tagBITMAPFILEHEADER{WORD file_type;//0x4d42 DWORD file_size;DWORD reserved;DWORD offset;//fileheader+infoheader+palette}BITMAPFILEHEADER;#pragma pack(pop)

3 測試

對指紋采集存儲儀樣機的關(guān)鍵項目指標(biāo)行測試，采集儀操作界面如圖9(a)、圖9(b)所示，通過觸摸屏可以直接實現(xiàn)采集指紋、指紋添加刪除、指紋瀏覽等操作。采集儀界面友好，使用簡便。

圖9

測試結(jié)果如表2所示，指紋采集速度快、存儲容量大，采用BMP格式存儲效率高。

表2 指紋采集存儲儀測試結(jié)果

實際采集到的原始指紋圖片如圖10所示，圖像紋理清楚，背景噪聲小，對比度大，很好的滿足了指紋的處理和識別對于指紋采集的需求。

圖10 實際采集到的指紋圖片

4 結(jié)論

本文以STM32F103RCT6為核心，使用半導(dǎo)體電容式指紋傳感器FPC1011F，配合SD卡和FatFS嵌入式文件系統(tǒng)以及觸摸屏，設(shè)計了一款指紋采集存儲儀。實驗結(jié)果表明:該設(shè)備功能全面、性能優(yōu)異、使用簡單，為指紋圖像后續(xù)的處理和識別奠定了良好的基礎(chǔ)，也為相關(guān)人員提供了指紋傳感器FPC1011F實用案例，具有較強的實用價值和參考意義。目前該設(shè)備已應(yīng)用于作者所在實驗室智能指紋鎖項目的指紋識別算法的研究。

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