基于SOPC的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    人的指紋具備的唯一性、終身不變性、易獲取和難以復(fù)制等特點(diǎn)，使得指紋識(shí)別很早就成為身份識(shí)別中的一種技術(shù)手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，指紋識(shí)別已經(jīng)成為目前最為實(shí)用、應(yīng)用最為廣泛的生物識(shí)別技術(shù)，尤其在民用生物識(shí)別技術(shù)中。指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在金融、醫(yī)療、公安、門(mén)禁系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

    傳統(tǒng)的指紋識(shí)別系統(tǒng)都是基于PC機(jī)的，這種系統(tǒng)具有識(shí)別速度快、樣本存儲(chǔ)量大、軟件設(shè)計(jì)技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但是，基于PC機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)由于價(jià)格昂貴、移動(dòng)性能差、功耗高等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)大。自二十世紀(jì)末以來(lái)，半導(dǎo)體技術(shù)和嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，為人們?cè)O(shè)計(jì)廉價(jià)的便攜式指紋識(shí)別系統(tǒng)提供了一個(gè)技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。 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(tǒng))技術(shù)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)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(shí)別系統(tǒng)原理

    指紋識(shí)別系統(tǒng)一般由指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)處理、指紋特征提取、指紋特征匹配、特征數(shù)據(jù)庫(kù)等幾部分組成。指紋識(shí)別系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)首先由指紋采集設(shè)備采集到指紋圖像將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像；然后對(duì)指紋數(shù)字圖像進(jìn)行預(yù)處理，再通過(guò)圖像增強(qiáng)、分割、平滑、細(xì)化等處理過(guò)程得到便于指紋特征提取的數(shù)字圖像：接著提取細(xì)化后的圖像細(xì)節(jié)特征點(diǎn)；最后將提取到的特征與特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，并輸出識(shí)別結(jié)果。

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    2.1 SOPC技術(shù)與NIOS II軟核處理器

    SOPC (System on a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng))是ALTERA公司提出來(lái)的一種靈活、高效的SOC解決平臺(tái)。它將處理器、存儲(chǔ)器、I／O口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的功能模塊集成到一個(gè)PLD器件上，從而構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)?；赟OPC技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分靈活，用戶(hù)可以根據(jù)自己的實(shí)際要求，并利用IPCore資源組合構(gòu)建出不同的應(yīng)用系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。

    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(mǎn)足任何應(yīng)用32位嵌入式微處理器的需要．用戶(hù)可以獲得超過(guò)200 DMIPS的性能。NIOS II軟核處理器具有32位處理器的基本結(jié)構(gòu)單元(32位指令大小，32位數(shù)據(jù)和地址路徑，32位通用寄存器和32個(gè)外部中斷源)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)系統(tǒng)需求的變化來(lái)調(diào)整嵌入式系統(tǒng)的特性，以選擇滿(mǎn)足性能和成本的最佳方案。Nios II系列可支持用戶(hù)自定義指令，而NIOS II ALU則直接與用戶(hù)自定義的指令邏輯相連。由于設(shè)計(jì)者能為系統(tǒng)中使用的每個(gè)Nios II處理器創(chuàng)建多達(dá)256個(gè)專(zhuān)用指令，因此，設(shè)計(jì)者能夠調(diào)整系統(tǒng)硬件以增強(qiáng)對(duì)實(shí)時(shí)軟件算法的處理能力。ALTERA公司同時(shí)還推出了Nios II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)和一些常用的免費(fèi)IP核，以方便設(shè)計(jì)者的軟件開(kāi)發(fā)。另外，設(shè)計(jì)者使用Altera公司Quartus II開(kāi)發(fā)軟件中的SOPC Builder系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具還能夠很容易地創(chuàng)建專(zhuān)用的處理器系統(tǒng)，并能夠根據(jù)系統(tǒng)的需求添加Nios II處理器核的數(shù)量。

    2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    一般的指紋識(shí)別系統(tǒng)主要由指紋采集模塊、系統(tǒng)核心模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和輸出顯示模塊等幾部分組成。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    本系統(tǒng)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(dá)500dpi(dots per inch)，并帶有8bit數(shù)據(jù)接口，可以采集300