基于DSP和FPGA的自动指纹识别系统硬件设计与实现

摘要

随着计算机与信息技术的发展，生物特征识别技术受到了广泛的关注。指纹识别是生物特征识别中的一项重要内容，一直以来是国内外的研究热点。 嵌入式自动指纹识别是指指纹识别技术在嵌入式系统上的应用。传统的嵌入式自动指纹识别系统多采用单片DSP或MIPS处理器来完成算法，由于DSP或MIPS处理器只能根据程序顺序执行，在指纹匹配过程中只能和整个库中的指纹进行一一匹配，因此这类系统在处理较大指纹库时下匹配时间相当长。为了克服这个缺点，本文构建了浮点DSP和FPGA协同处理构架的硬件平台，充分利用DSP在计算上的精确度和FPGA并行处理的特点，由DSP和FPGA共同处理匹配算法。 本文的主要工作如下： 1．设计了一个硬件系统，包括DSP处理器、FPGA、指纹传感器、人机交互接口和USB1.1接口。同时，还设计了各硬件模块的驱动程序，为应用程序提供控制接口。由于系统中DSP工作频率为300MHz，其中某些器件的工作频率达到了100MHz，因此本文还给出了一些信号完整性分析和PCB设计经验。 2．编写了Verilog程序，在FPGA中实现了9路指纹的并行匹配。由于FPGA本身的局限性，实现原有匹配算法有很大困难。在简化原有匹配算法的基础上本文提出了便于FPGA实现“粗匹配”算法。此外，还设计了用于和DSP通信的接口模块设计。 3．完成了系统应用程序设计。在使用uC/OS-Ⅱ实时操作系统的基础上设计了各系统任务，通过调用驱动程序控制和协调各硬件模块，实现了自动指纹识别功能。为了便于存放指纹特征信息，设计了指纹库数据结构，实现了指纹库添加、删除、编辑的功能。 最终，本系统实现了高效、快速的进行指纹识别，各模块工作稳定。同时，模块化的软硬件设计使本系统便于进行二次开发，快速应用于各种场合。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2生物识别技术

1.3指纹识别技术

1.4指纹识别技术的现状与前景

1.5课题来源、目标及意义

1.6论文工作简介及章节安排

第二章嵌入式自动指纹识别系统

2.1指纹识别的基本原理

2.1.1指纹处理算法

2.1.2指纹匹配算法

2.2嵌入式自动指纹识别系统

2.3本章小节

第三章系统硬件及其驱动设计

3.1系统电源设计

3.2 DSP处理器

3.2.1数字信号处理芯片

3.2.2 DSP芯片的分类

3.2.3 TMS320C6000系列DSP

3.3 FPGA模块

3.4 UART接口

3.4.1 UART简介

3.4.2 MCBSP简介

3.4.3 EDMA简介

3.4.4使用MCBSP模拟UART时序

3.4.5 UART驱动设计

3.5存储器接口

3.5.1 TMS320C6713内部存储器

3.5.2 SDRAM接口硬件设计

3.5.3 Flash接口

3.6指纹采集传感器接口设计

3.6.1指纹传感器介绍

3.6.2 MBF200指纹传感器介绍

3.6.3指纹传感器硬件接口设计

3.6.4指纹传感器驱动设计

3.7 LCD液晶显示

3.7.1 LCD液晶模块介绍

3.7.2 LCD液晶硬件接口实现

3.7.3 LCD驱动程序设计

3.8键盘接口

3.8.1键盘硬件接口实现

3.8.2键盘接口驱动设计

3.9 USB1.1接口

3.10信号完整性分析

3.10.1信号完整性定义

3.10.2 IBIS模型简介

3.10.3信号完整性分析

3.10.4高速电路板抗干扰设计

3.11本章小节

第四章FPGA设计

4.1引言

4.2 FPGA芯片及开发环境

4.2.1 Cyclone器件简介

4.2.2 QUARTUS简介

4.2.3 Modelsim简介

4.3 FPGA内各模块设计

4.3.1指纹特征点数据格式

4.3.2存储器配置选择

4.3.3各模块连接

4.3.4 I/O控制模块

4.3.5存储器控制模块

4.3.6粗匹配模块

4.3.7 FPGA设计优化

4.4本章小节

第五章系统应用程序设计

5.1 CCS集成开发环境

5.2 uC/OS-Ⅱ实时操作系统

5.2.1前/后台系统

5.2.2几种嵌入式操作系统的比较

5.2.3 uC/OS-Ⅱ任务间通信

5.2.4移植uC/OS-Ⅱ

5.3多任务设计

5.3.1驱动任务

5.3.2指纹库处理

5.3.3系统控制台任务

5.3.4指纹匹配

5.3.5指纹登记

5.3.6系统引导和初始化

5.3.7本章小结

第六章总结

参考文献

致谢

附录

个人简历