指纹传感器FPC1011F在ARM9指纹采集系统中的应用
电容式指纹传感器FPC1011C的指纹识别系统
引言
指纹识别系统是日常生活中常见的一种识别方 式, 其 广泛应用于 门禁、考勤 和其 他 安防 领域。 本指 纹识 别 系 统, 采用双供电方式, 既可与电脑联机使用, 也可作为 便携 式设备使用。作 为便携 式时, 大约 可存储 300~ 500 枚 指 纹, 同时系统有着很高的识别率。
指纹识别系统应用范围 大、精 度高、可 以实 时快速 对 指纹进行采集, 注册匹配, 广泛应用于安防领域中。
自动电源切 换 电路 采 用凌 特 公司 的 L T C4414[4] , 电 路如图 3 所 示。LT C4414 通 过 控 制 2 个 P 沟 道 M OSFET , 实现一种用于电 源切换 的近 似理想 二极 管的功 能, 从而实现两个电源的高 效/ 或0 操 作。FDS6975 是一款 双 P 沟道 M O SFET 芯片。
图 3 电源电池自动转换电路 电平转 换 使用 LM 1085- 3. 3 V[ 5] 和 LM 1085- A DJ 可 调输出电压, 输出电 压 V OUT = 1. 25 @ ( 1 + R2 / R1 ) 。为 产 生 1. 6 V 电压, 使 R2 = 38. 3 8 , R1 = 110 8 , 电路如 图 4 所 示。
55 2010 年第 7 期 M icrocontrollers & Em bedded Syst ems
应用天地 APPLICAT ION NO T ES
1. 3 电源模块
电源模块由两部分构成, 分别是电源电池自动转 换模 块和 DC/ DC 电平 转换 模 块。转换 模 块使 系统 在掉 电 的 情况下可 以自 动 转到 电 池供 电, 使系 统 正 常 运行。 DC/ DC 电平转换 为 DSP 外 设提 供 3. 3 V 电压, 为 内核 提 供 1. 6 V 电压。
智能指纹门禁系统解决方案35422
智能指纹门禁系统解决方案门禁系统早已不再是新鲜事物，它通过身份识读、网络、数据库等技术将以前各不相通的各类系统整合一起，在现在的生活中到处都有它的应用。
从大厦、小区、校园、工厂机关的门禁、考勤、停车场等等,已渗入到社会方方面面。
随着技术和应用的发展，它已经改变了人们生活方式。
但是，在门禁系统日益发展的同时，我们也发现，用户对门禁系统的要求也随着应用的推广越来越多。
智能指纹门禁系统的出现，是市场应运而生的产物。
目录1.智能指纹门禁系统的工作原理2.智能指纹门禁系统总结3.智能指纹门禁系统组成1.智能指纹门禁系统的工作原理智能指纹门禁系统有了突破性成果，其中3D识别是关键。
给出这项方案的英唐众创技术公司表示，用户无需过度担心。
这款智能指纹门禁系统的关键部分在于指纹识别，平安与否，取决于指纹识别技术的成熟完善性。
其实指纹识别技术在今天已经可以达到杜绝人造指纹作假的效果。
消费者在选择指纹识别产品前，有必要了解指纹识别技术的大致原理。
通俗的说，人造指纹膜之所以能够骗过指纹识别仪，是因为这种指纹仪采用了光学指纹识别技术，从用户手指表皮开始扫描，以平面指纹图像为标准。
所以硅胶材料复制了指纹纹路后就可能被光学指纹仪当成用户指纹进行识别。
更好的指纹套甚至能制作出指纹凹凸不平的效果，这对指纹仪来说更加逼真，那么对指纹门禁系统也更加危险。
与高考中人为与系统共同监督的身份验证系统不同，智能指纹门禁系统更多时候是处于单独作用的状态，因此对指纹识别技术的要求更高。
为了满足用户对使用的需求，有的厂家推出了3D 活体指纹识别技术和一系列指纹门禁系统解决方案。
所谓3D活体指纹识别技术，就是结合了电容传感识别原理和活体识别特征的指纹识别技术。
与光学扫描形式完全不同，3D识别是感应表皮之下的指纹信息，把指纹识别率提高到百分之97以上，能比较轻松的应付破皮或干燥手指，身份验证的效率可被提高上来。
关于用户比较关心的造假问题，即人造指纹套作假问题，3D指纹活体识别则通过活体感应的特征来解决。
FPC1011F3性能与应用
rd_sensor 串行 1 虚拟字节 (363± 2)tCLK 0
(11 H)
*数据延迟指直至 FIFO 中的数据有效前， 指令的延迟该指令用来读取传感器
全部或部分区域。 该指令仅用于开启传感序列，指令本身并不返回任何数据。传感器序列的 第一组数据在大约363个时钟周期后进入FIFO。此后每隔8个时钟周期，一个新字 节就会写入FIFO，直至由XSENSE, YSENSE, XSHIFT和YSHIFT寄存器定义的区域 被读取。 当FIFO存储量达到或超过FIFO_TH寄存器设置的值，IRQ_DA信号经由将高电 平信号传给准备取回数据的微控制器。 在串行模式下从FIFO中读取数据的详细描 述见“Read SPI Data Instruction”。 如果 FIFO 装载数据已满， 我们将让传感器暂停工作直至数据从 FIFO 中读出 来防止溢出。在暂停期间所有分析模块均有效，ASIC 将在一个正常传感操作中 产生电流。 在指令参数被提供后，数据将被返回。只要SPI_CS_N和SPI_DI保持低电平， 数据将持续返回。 指令输入后，SPI_DI 将作为输入保持低电平，以防下一个字节被误认为一 条新指令了。 如果设置 SPI_CS_N 为高电平， 读出程序将停止， 为了在之后继续执行读出， 我们需要使用 rd_spidata 指令。 读传 SPI 数据指令 指令 模式 输入参数 数据延迟 返回字节
rd_spidata 串行 1 虚拟字节 0 n
(20 H)
当执行该指令时，SIP_STAT 寄存器的内容将返回。 如果传感器读出指令正在执行，使用该指令不会中断读出指令。 读取寄存器指令 指令 rd_regs (50 H) 模式 串行 输入参数 1 虚拟字节 数据延迟 0 返回字节 0 该指令将把所有内部控制寄存器的值装入 FIFO 中。 该指令不返回数据。通过 Read SPI Data Instruction（SPI 模式下） ，数据将 被读取，Read SPI Data Instruction 能直接在该寄存器数据读出指令之后执行。 该指令将完全装满 FIFO，执行完后。当 FIFO 中数据有效时，IRQ_DA 信 号将为高电平。FIFO 中的数据读出可以在任何时刻中止。 返回命令 1 2 寄存器 STATUS 不使用
FPC1001指纹一体机使用说明书_V1.00
FPC1001 外观图
FPC1001 系统图
FPC1001 安装效果图
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FPC1001 指纹仪使用说明书（V1.00）
1.2 指纹仪型号定义
指纹仪型号定义：
FPC 200 1 - P
P：Proximity; 125KHz；Awid、EM、HID、Keyking 系列卡 U：CPU, Mifare, Mifare 扇区; 13.56MHz
维庚输出Supports Multi Wiegand Output: AWID: Follow card, up to 58bits EM, 2308: Option-W26/34 HID, 1326, 1386: Follow card, W26/27/34/35/37 and so on KK, KK243\250T: Follow card, W34/50 bits
1：0 型，1 型，2 型
200：2000 系列，拒绝假指纹；1000 系列，不检测活体指纹模块 FPC：Finger Print Controller 指纹仪系列；
FPC1001/P------读 Awid、EM、HID、Keyking 系列卡； FPC1001/U------读 Mifare 、CPU 系列卡；
支持卡类型:
P：Proximity 卡； 例如 EM4100， TK4100 系列，HID1326、1386，AWID，KK234\250T； U：FM1208 CPU 卡，Philips S50， Mifare-1 Compatible
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FPC1001 指纹仪使用说明书（V1.00）
主要技术参数
CPU：ARM, 32 Bits, Cortex-M4, 400MHz DSP 内存：4MB闪存+8MB RAM 指纹容量：1,000枚，支持PC在线验证（此时用户为无限制，由软件决定） 指纹传感器：500 dpi 光学传感器 验证模式：指纹，指纹/卡，感应卡+指纹，三种验证模式 通讯接口：Wiegand 输出，TCP 通讯 工作电压：12VDC，支持 POE 供电，Power Over Ethernet 工作电流 ≤200mA 待机电流≤150mA 工作温度：-20°C to 65°C 工作湿度：0--95% 尺寸：135mm L x58mm W x 45mm 重量：400 克。
基于ARM9控制系统的指纹锁
引 言
自动 指 纹 识 别是 本世 纪六 十年 代 兴 起 ２ ６×３０行 电容 阵 列 组 成 ，芯 片 内 有 ８ ５ ０
位 Ａ Ｃ，并具有两组采样保持 电路 ，用于指纹 图象 的采 集。 Ｄ
Ｆ Ｓ０ Ｐ ２ ０芯 片 外 面是 绝 缘 表 面 ，阵 列 的 每 一 点 都 是 一 个 金 属 电极 ，手 指 则 充 当电 容 器 的 另 一极 ，而两 者 之 间 的传 感 面 形
１／２位 Ｒ Ｓ ６３ ＩＣ处 理 器 。采 用 Ａ Ｍ９０ Ｒ ２ Ｔ内 核 ，具 有 １Ｋ ６ Ｂ的
２ 系统 软 件 构成
软 件 采 用 Ａ Ｍ 公 司 提 供 的专 门用 于 Ａ Ｍ 相 关 的 应 用 Ｒ Ｒ
指令 Ｃ ｃｅ ａｈ 存储器和 １Ｋ ６ Ｂ数据 Ｃ ｃｅ ａｈ 存储器 ，ＭＭＵ虚拟存
作者简介：戴娟 （９ ２一 ） １６ ，女 ，江苏南京 人，南京工业职业技术学院副教授 ，高级工程 师。
第８ 卷第 ４期
戴
娟 ，严 明良，刘
莉 ：基于 Ａ Ｍ９控制系统 的指纹锁 Ｒ
１ ９
波 、图像细化 、特征点提取 ，特征值存储 、模板 匹配等 。
该 模 块 我 们 主要 采 用 了 ￥ Ｃ ４０是 Ｓｍｓｎ 公 司 推 出的 ３ ２１ ａ ｕｇ
方 向。
成 电容两极之间 的介电层。由于指纹 的脊 和谷相对于另一极 之 间的距离不 同，导致硅 表面 电容 阵列的各个 电容值不 同 ， 这样 ，电容 阵列值就描述 了一幅指纹图像 。通过测量每个传
感 单 元 在每 次 充 电后 的 电压 值 和 放 电 后 的 电 压值 的差 来 获 得
１２ 微 处 理 器 ．
FPC1011C在指纹识别模块中的应用
FPC1011C在指纹识别模块中的应用引言生物识别技术，尤其是指纹识别技术，是近年来身份识别和认证领域内发展很迅速的一门新兴技术。
随着科技水平的不断提高，身份验证对于系统安全来说越来越重要，指纹的唯一性、终身不变性、难于伪造的特点，使它在身份识别和认证领域以及安全性能要求较高的行业中得到广泛应用。
指纹识别模块是集指纹图像的采集、识别以及身份验证结果的显示为一体，软硬件相结合的系统。
本文设计了一种基于DSP处理器和FPC 1011C电容式指纹传感器的嵌入式指纹识别模块，具有高性能、低功耗等特点。
1 FPC1011C的工作原理和性能特点 FPC101lC是瑞典FingerPrint Cards公司推出的电容式指纹传感器。
它利用了该公司的反射式探测技术(普通电容式指纹传感器采用的一般是直接式探测技术)，使指纹传感器的表面保护层厚度可以达到普通电容式指纹传感器的100倍左右，因此能够使指纹传感器具有更高的对干湿手指的适用性和更长的使用寿命。
2 硬件设计本文设计的指纹识别模块是由DSP、FPC1O11C、16MB的SDRAM和2 MB的NOR Flash、RS232接口，以及电源转换电路等组成。
系统结构框图。
其中，DSP选用的是ADSF-BF531型数字信号处理器。
它是由ADI和Intel公司合作，针对音频和视频信号的编解码、手持设备和移动通信设备而研发的16位定点处理器。
2．1 工作原理用户通过PC端软件发送命令给指纹识别模块，由电容式指纹传感器FPC1011C采集用户的指纹。
DSP通过SPI接口读取来自传感器的指纹图像，并将指纹图像存储到SDRAM中。
DSP运用指纹识别核心算法对图像进行运算，将运算出来的特征点和存储在Flash中的特征点进行比对，再通过指纹识别模块将比对结果输出至PC端显示比对结果。
2. 2 指纹传感器部分的硬件设计 DSP通过SPI口读取FPC1011C的指纹图像，并通过PF 口来控制片选控制信号。
基于ARM9处理器的嵌入式指纹识别系统设计
基于ARM9处理器的嵌入式指纹识别系统设计摘要：为了适应指纹采集传感器件和指纹识别系统向着小型化和嵌入式方向发展的需要，文中提出了一种基于ARM9处理器架构的CPU芯片S3C2440A的嵌入式指纹识别系统（指纹识别系统是一个典型的模式识别系统，包括指纹图像获取、处理、特征提取和比对等模块。
）设计方案，同时对该指纹识别系统的硬件架构进行了说明。
该方案具有结构简单、可扩展性和移植性强等诸多优点。
0 引言指纹鉴定是人身识别最重要的手段之一，指纹自动识别系统给指纹鉴定工作提供了一个新的平台，并使指纹自动识别系统在身份认证方面具有更广阔的前景。
目前，自动指纹识别系统一般都是联机的，大多数系统都选用指纹传感器来采集，并以计算机(PC)作为主机来处理，从而对指纹进行匹配。
而本文提出的基于ARM9的嵌入式指纹识别系统则是把采集和处理集于一身的独立系统，因而可以做得很小，比较适合用于高档汽车门、防盗门以及公*勤系统等场合。
嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，其应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等要求都比较严格的专用计算机系统。
本文选用SAMSUNG的S3C2440A作为嵌入式指纹系统的主处理芯片，提出了系统的软硬件设计方案。
1 嵌入式指纹识别系统的硬件设计图1所示是本嵌入式指纹识别系统的硬件框图。
从图1中可以看到，本系统主要由指纹数据采集模块、微处理器模块、数据存储模块和通讯模块等四个模块组成。
本系统以ARM9处理器为核心来驱动指纹传感器采集指纹，并将指纹数据放入存储器中，此数据可以被PC通过串口获取，也可以保存在数据存储器中。
指纹数据采集模块可利用软件方式来判断是否进行指纹的采集。
当进行指纹采集时，指纹传感芯片将按照设定的参数来采集指纹，并将模拟图像转换成数字图像，然后在ARM的控制下，将数据存储在外部数据空间，以等待下一步的处理。
图1 指纹识别系统的硬件框图微处理器模块以ARM和数据存储器为核心，可对采集到的指纹图像进行相应的预处理，并通过对发光二极管的控制来显示指纹预处理结果。
指纹传感器 FPC 1011F
FPC指纹传感器介绍：指纹解决方案最重要的地核心部位就是---指纹传感器，传感器是整个系统优劣的基础。
大部分半导体传感器实际使用性能不稳定，传感器性能的主要因素是能否保证每次都取得稳定的指纹图象，一般的半导体传感器采用直接测量法，直接探测手指信号（电场，电容）由于直接探测的信号很微弱，甚至探测不到，所以造成无法稳定取得指纹图象，也就无法分析识别指纹。
瑞典FINGERPRINT CARDS AB（简称FPC）采取了独创的反射式测量法，就象回声原理一样，我们发出的声音越大，回声就越大，这就实现了增强探测信号。
保证取得稳定清晰的指纹图象，由于探测信号增强就带来了另一个好处，芯片表面的保护膜可以做得更厚（比同类厚10-25倍），拥有更厚的保护层这就意味着有更强，耐磨性（>100万次）和抗静电（大于15KV）甚至可达20KV，反之因为直接测量法探测到的信号本来就微弱，所以芯片表面的保护膜就无法做得很厚，抗静电性和耐磨性就无法达到实际需求。
瑞典FPC在日本，美国，欧洲都取得了技术专利 ，关于FPC指纹传感器独特的反射式测量法FPC的信号通过的路径:如下：信号主动从金属外框两边发射---探测指纹信号---穿过保护层---被接收指纹信号.仅一次信号穿过保护层,减少了信号因传递而减弱，信号再经独立的晶圆体放大后经过内部的A/D转换，从而输出高质量的数字指纹图像。
反射式测量法不仅提高了传感器的信号检测性能，不受保护层厚度增加而影响，并有效 防止用户直接接触内部CMOS电路，造成损坏。
FPC指纹传感器特点：一、抗静电：大于15千伏，达到国际4 IEC 61000-4-2 标准二|、耐磨性：超过100万次，三|、采集图像清晰：初次采集图像，到100万次后采集图像依然清晰初次图像 100万次图像四、 识别指纹时间短；五、 高速的 SPI接口；六、 环境湿度：0%到95%七、 具有363dpi的分辨率 ；八、 低功耗，3.3V或 2.5V的工作电压，7mA 工作电流，；九、 符合国际标准高品质FR4材质；十、内置A/D转换，从而输出高质量的数字三维指纹图像；十一、活体指纹识别，探测真皮层，对干湿手指具有良好适应性；十二、8位模数转换器，可以方便与低成本接头接入系统中；十三、耐高低温：通常适用温度-20°～+85°，储存温度-40°～+85°；十四、一种全新的基于Certus传感器平台的领先级电容式指纹传感器，非电感、电压式；瑞典FPC目前是全世界唯一一家，专业只从事指纹传感器和处理器核心技术研发者，其他类似生产厂商，指纹传感器只是他们产品中的其中一项。
基于ARM9的指纹识别系统
基于ARM9的指纹识别系统*第一部分设计概述/Design Introduction信息化时代，生物识别技术作为信息安全和个人身份识别技术越来越受到人们的重视。
指纹作为人体中最明显的外表特征，具有独一无二的特性、普遍性、唯一性、易于采集等优点。
指纹鉴定技术利用人类指纹稳定性和独特性的生理特征，将其作为人们的一种“活的身份证”，更因指纹具有的不可替代性，使通过指纹进行身份鉴定的安全性大大提高，且随着图像处理_模式识别方法的发展和指纹传感器技术的日臻成熟，指纹鉴定方法在金融、公安、门禁、户籍管理等领域都有着良好的应用前景。
同时随着指纹传感器性能的提高和价格的降低，指纹的采集相对容易；指纹的识别算法已经较为成熟。
由于指纹识别具有扫描指纹的速度很快，方便，小型化等多优点，指纹识别技术已经逐渐走入民用市场，并应用到许多嵌入式设备中。
指纹防盗系统也由此产生，指纹防盗系统是一种能够自动鉴别个人身份的技术，对于其他的指纹报警，技术特性使得生物识别身份验证方法不依赖各种人造的和附加的物品来证明人的自身，而用来证明自身的恰恰是人本身，所以，它不会丢失、不会遗忘，很难伪造和假冒，是种“只认人、不认物”，方便安全的保安手段。
从而对财产起到保护作用。
指纹防盗系统可以广泛用于政府、学校、税务机关、银行、部队、智能小区及交通等各个领域，倍受各界用户的青睐。
目前市场上有各种各样的嵌入式处理器。
意法半导体公司提供的STR912芯片是一种硬核处理器，具有很高的性价比。
本文提出一种基于ARM9处理器为核心的嵌入式自动指纹识别系统设计，以STR912芯片设计为硬件平台，配以指纹传感器芯片和VGA接口控制电路实现的。
该系统具有低成本、开发周期短、上市快等优点。
第二部分功能描述/Function Description本设计系统主要实现指纹的采集、处理、特征模板提取、结果显示，以及完成个人身份识别/注册功能。
主要有以下几个模块，指纹采集模块，ARM9处理模块，VGA控制模块，结果显示模块。
基于ARM9的指纹识别门禁系统
基于ARM9的指纹识别门禁系统
指纹门禁系统是基于生物特征识别技术的一项高科技平安设施，近年来在国内外得到了广泛的应用，并已成为现代化建造智能化的标记之一。
对于一些核心机密部门，如重要机关、科研试验室、档案馆、民航机场等场所，指纹门禁系统可以提供高效、智能、便捷的授权控制。
因为指纹具有携带便利、人人各异、终生不变的特点，因此利用指纹识别作为身份认证的手段，与传统的钥匙、密码相比，大大提高了平安性与可信性。
该系统基于9芯片Samsung S3C2440AL，以Veridicom公司指纹采集芯片FPS200作为硬件平台，以为软件平台。
在该讨论领域中，基于PC 平台的识别系统向来是讨论的重点，本文实现的基于ARM平台的系统具有轻巧，易安装，成本低的优点，具有良好的进展前景。
1 系统硬件设计
S3C2440AL主频为400 MHz，最高为533 MHz；FPS200指纹由256×300个传感阵列组成，其辨别率高达500 dpi，工作范围为3．3～5 V，传感器内部有8位，并具有2组采样保持。
囫囵系统的框图1所示。
2 操作系统
因为嵌入式Linux具有内核小、效率高、开放源码、平台工具多等优点，该系统采纳嵌入式Linux作为操作系统平台。
构建该平台的主要步骤如：
(1)通过JTAG下载U-boot；
(2)配置Linux Kernel并通过串口下载；
(3)开发FPS200驱动并举行动态加载。
3 指纹识别的算法流程
指纹识别系统按识别过程中的主要功能，可划分为指纹图像采集算法、图像预处理算法、特征提取算法、特征匹配算法。
(1)指纹图像采集算法流程2所示。
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2011年第32卷第5期中北大学学报(自然科学版)V ol.32 N o.5 2011 (总第139期)JOURNAL O F NORTH UNIVERSIT Y O F CHINA(NATURAL S CIENCE EDITION)(Sum No.139)文章编号:1673-3193(2011)05-0642-06指纹传感器FPC1011F在ARM9指纹采集系统中的应用陈文燕,刘良勇(西安科技大学电气与控制工程学院,陕西西安710054)摘 要: 针对目前使用的传统电容式指纹传感器采集湿手指指纹效果差以及不能区别出“死手指”的现状,介绍了一款新型指纹传感器FP C1011F.重点介绍了该型号传感器的工作原理、性能优势及开发接口,在此基础上设计了基于A RM9核心S3C2440A微处理器的指纹采集系统.该系统采用S3C2440A微处理器的SPI口与FP C1011F进行连接,借助F PC1011F的时序图及官方资料进行了软件设计,利用M AT L AB对采集的指纹数据进行了还原显示实验.实验结果表明:该系统采集的指纹图像稳定、纹理清楚、背景噪声小,并对干湿手指均有很好的适应性,对非人体指纹有良好的辨识性,为广泛使用该指纹传感器奠定了基础.关键词: FP C1011F指纹传感器;S3C2440A微处理器;指纹采集系统;M A T L A B显示中图分类号: T P212 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2011.05.022Applications of Fingerprint Sensor FPC1011Fon ARM9Fingerprint Acquisition SystemCHEN Wen-y an,LIU Liang-yo ng(Co lleg e of Elect rical and Co nt ro l Eng ineering,X i’an U niver sity o f Science and T echnolog y,Xi’an710054,China)Abstract:For the traditional capacitiv e fing er print sensor’s poo r fact in collecting the wet fingers and distinguishing the“dead fing ers”,a new type of fingerprint sensor FPC1011F w as intr oduced,focusing on the w ork principle of the sensor m odel,the perform ance advantag e and the development interface.A fingerprint acquisition system w as designed based o n A RM9microprocessor cor e S3C2440A by co nnecting SPI po rt to FPC1011F.The corr espo nding softw ar e w as desig ned.The image data w as pr ocessed w ith M AT LAB.T he ex perimental results illustr ated that the sy stem featured stabilizatio n, clear texture o f the im ag e,low background noise,and g ood adaptability to bo th dry and w et fingers. The system is qualified in identifying the no n-hum an fingerpr ints.The w ork lay s the fo undation for the extensive use of the fing erprint sensor FPC1011F.Key words:FPC1011F fingerprint sensor;S3C2440A micro pro cessor;fingerprint acquisition system;M AT LAB display收稿日期:2011-03-10 作者简介:陈文燕(1964-),女,副教授.主要从事检测技术及自动化装置研究.0 引 言指纹识别已经与人们的生活密切相关,指纹识别市场有着巨大的前景[1-4],但是指纹传感器种类繁多,如何选择一款价格合适、性能优良的指纹传感器是指纹识别企业面临的一个问题.本文介绍了一款性能优越的指纹传感器FPC1011F,该款电容式指纹传感器利用了反射式探测技术[5],相比传统的电容式指纹传感器,它可以探测到真皮层,具有良好的对干湿手指的适用性,且少穿一次保护层,并具有很好的耐用性.基于目前该款传感器在国内应用的资料较少,本文给出了该款传感器在ARM 9指纹采集系统中的应用方案.1 指纹传感器FPC 1011FFPC1011F 是瑞典Fingerprints 公司成功推出的一种电容式面装指纹传感器,该款电容式指纹传感器利用了反射式探测技术,具有高图像质量、高耐磨、高抗静电、低功耗等特点,是一种全新的领先级电容式指纹传感器.1.1 FPC 1011F 的指纹采集原理FPC1011F 指纹传感器是由152×200个传感器阵列组成的,每一个阵列是一个金属电极,充当电容器的一极,安在传感面上的手指头的对应点则作为另外一极,其工作原理是基于变极板间距d 的电容式传感器,其电容量由式(1)确定[6-9].C = 0 r S d ,(1)式中:C 为电容量;d 为极板间极距; 0为空介电常数; r 为极板间介质的相对介电常数;S 为极板的有效面积.当手指接触传感器ABS 导电框以后,由式(1)可知,谷和脊因为离传感器阵列的距离d 不同,产生了不同的电容值C ,经过运算放大电路,形成不同的电压值,通过内部的A /D 转换,获得高质量的数字指纹图像[6-9].1.2 FPC 1011F 相比传统电容式指纹传感器的优点传统的电容式传感器[6-9]信号通过的路径:信号从保护层底层发射→穿过保护层→到达表层→穿过保护层→到达接受点,如图1(a )所示.FPC 1011F 采用独特的发射式探测技术,FPC 1011F 信号通过的路径:信号从金属面板两边发射→穿过表皮→到达真皮→再穿过表皮→穿过保护层→被接收,如图1(b)所示.图1 两种传感器信号通过路径比较Fig .1 Comparison of tw o s ens or s ignals through path FPC1011F 与普通电容式指纹传感器相比具有以下优点:643(总第139期)指纹传感器F PC 1011F 在A RM 9指纹采集系统中的应用(陈文燕等)1)FPC 1011F 的信号少穿过一次保护层,信号减弱的幅度小,再加上FPC 1011F 内部信号的放大功能,所以FPC 1011F 不仅提高了图像质量,同时允许保护层更厚,这样可以有效地防止用户直接接触内部CMOS 电路,提高了抗静电和耐磨次数等性能.2)可以探测到真皮层,具有良好的对干湿手指的适用性.1.3 指纹数据的读取该传感器由矩阵152×200个传感器的元素组成,整个传感器(或其中的一部分)是通过应用读取感应器的指令来读取的,采集区域的大小是由寄存器XSHIFT 和YSHIFT 值的大小决定的.寄存器的值默认选取传感器的整个面积且读一次.在所有的读操作中,同时捕获8个像素,在默认的情况下,前8个像素从像素点(0,0)到(7,0)被读取,其次是从像素点(8,0)到(15,0),依次类推.详细的指纹数据读取顺序[5]如图2所示[6].1.4 FPC 1011F 主要寄存器及指令介绍在串行SPI 接口模式下,FPC1011F 有14条控制指令和9个控制寄存器[5],主要的寄存器及指令的功能如下:STAT US (状态)寄存器:保持FIFO 的状态信息.DRIV C (驱动)寄存器:用来设置连接驱动电压幅度的大小.ADCREF (A /D 转换)寄存器:用来设置A /D 转换的动态范围.SENSEM ODE (选择测试模式)寄存器:用于设置测试模式,在通常情况工作的情况下,这个寄存器应该被清除.SPI STAT (SPI 接口状态信息)寄存器:用来表示SPI 接口的状态信息.w r drivc 指令代码为75H ,设置手指驱动振幅.w r adcref 指令代码为76H,写ADCREF 寄存器,设置ADC 灵敏度.w r sensemode 指令代码为77H ,写SENSEM ODE 寄存器,设置自测试模式.rd sensor 指令代码是11H,开启手指感应功能(数据放在FIFO 中).rd spidata 指令代码为20H,从FIFO 中读数据.rd spidtat 指令代码为21H,从SPI 接口读内部状态寄存器(仅对SPI).rd r eg s 指令代码为50H ,读内部寄存器(所以寄存器一次操作读出,内容放在FIFO 中).2 FPC1011F 在A RM 9指纹采集系统中的应用设计2.1 硬件组成本指纹采集系统以三星的S 3C 2440A 为核心处理器,S 3C 2440A 是三星公司的一款低功耗、高性能、16/32bit 的微处理器,采用ARM 920T 内核,含有16KB 的指令核和16KB 的数据核以及LCD 控制器,S3C2440A 的主频达到400MHz [10],能够很好地满足指纹采集及后续的识别工作.该处理器自带串行外围SPI 接口[10],能够与FPC1011F 很方便地连接.硬件连接电路图如图3所示.644中北大学学报(自然科学版)2011年第5期2.2 软件设计指纹采集软件设计采用查询方式,主程序流程图如图4所示.2.2.1 初始化由FPC 1011F 的SPI 接口时序图如图5所示.由图5可以看出,FPC 1011F 与S 3C 2440A 建立SPI 通信[11],必须满足以下要求:1)S3C2440A 为主设备,FPC1O11F 为从设备;2)采集传输过程中SPICSN 低电平有效,并且在传输信号中一直有效;3)发送数据和接收数据都为8位;4)CPHA=0和CPOL=0.根据FPC1011F 时序图的要求配置S3C2440A 的SPI 接口寄存器,初始化S3C2440A.初始化FPC 1011F :利用w r drivc ,w r adcref ,w r sensm 指令分别将FPC 1011F 的DRIVC (驱动)-寄存器,ADCREF (AD 转换)寄存器,SENSEM ODE (选择测试模式)寄存器设置为7FH ,11H ,00H ,使得FPC1011F 的驱动电压约为电源电压的一半,内部A/D 转换动态范围为的一半,且FPC1011F 工作在默认的指纹采集模式,其他寄存器的值为默认值,然后利用rdsensor 指令开启FPC 1011F ,进入指纹采集状态[12].图5 FPC1011F 的SPI 接口时序图Fig .5 FPC 1011F 1011F ’s SPI interface tim ing diagram2.2.2 指纹采集指纹采集通过查询的方式,利用rd spidtat 指令反复查询FPC 1011F 的SPI STAT US 寄存器的DA 状态是不是为1,当SPI ST ATU S 的DA 的状态为1时,利用rd spidata 指令读取FPC 1011F 里面FIFO 准备好的指纹数据.指纹采集流程如图6所示.2.2.3 指纹数据的存储及显示通过串口将指纹数据传输至PC 机,用串口调试助手将数据存储为保存为output .dat .以645(总第139期)指纹传感器F PC 1011F 在A RM 9指纹采集系统中的应用(陈文燕等)下是数据的读入和显示的MAT LAB 程序[13].clc ;清屏fid=fopen('output.dat','rt');%打开output.dat 并将数据放进fiddd=fscanf(fid,'%x ');%将fid 文件拷贝到矩阵dd 中fclose (fid );%关闭fidfo r i=1:199%指纹数据组合aa(i,105:152)=dd(152*i+1:152*i+48);aa(i,1:104)=dd(152*i+49:152*i+152);endfig ur e:im show (uint8(aa))%显示指纹指纹数据存于o utput.dat 文件中,并且存储的数据是线性的,必须转换成矩阵的形式才能在M ATLAB 显示.3 实验结果利用M AT LAB 强大的数字信号处理功能将读取到PC 机上的指纹数据进行了还原显示,图7是通过M ATLAB 的imshow 函数显示的ARM 9指纹采集系统采集的指纹图象.由图7可以看出,图像稳定,纹理清楚,背景噪声小,对比度大,达到了很好的实验效果.作者还进一步采集了20个不同人的指纹,指纹图像效果均良好,有效率达100%.图7 采集的指纹在M AT LAB 下的显示效果Fig .7 Display under the M AT LAB 图8 湿手指指纹采集的效果图以及指纹特征提取图Fig .8 T he effect of the wet finger fin gerprin t ch art an dgraph fingerp rint feature extraction由前面介绍可知,FPC1011F 电容式指纹传感器利用了反射式探测技术,相比传统的电容式指纹传感器,它可以探测到真皮层,具有良好的对干湿手指的适用性.作者采集了湿手指指纹,如图8所示.图8(a)是湿手指的采集效果图,图8(b )是后续提取的指纹特征[14].验证了该传感器对湿手指很好的实用性,提高了采集的指纹质量.另外,作者还采集了指膜指纹,没能采集出任何信息,验证了该传感器对非人体指纹很好的辨识性,避免了假冒顶替事件的发生.646中北大学学报(自然科学版)2011年第5期4 结束语由指纹传感器FPC 1011F 在ARM 9指纹采集系统中的应用证明,该指纹传感器和采集系统性能良好,这为指纹图像后续的处理奠定了良好的基础,也为相关应用人员提供了参考资料和实用案例.由于传感器FPC1011F 耐磨性极高,可靠性好,性能优越,因此由此款指纹传感器构成的指纹识别系统,可应用在银行、门禁系统[15]等需要频繁使用且可靠性、稳定性要求高的场合.参考文献:[1] L in Hong .A utom atic personal identification using fing erpr ints [D ].M ichiga n Sta te U niver sity ,1998:45-46.[2] 朱文娟,王正勇,张超,等.基于A RM 和滑动指纹传感器的采集系统[J].微计算机信息,2007,23(6-1):145-147.Z hu Wenjuan,Wa ng Z heng yo ng ,Zhang Chao,et al.A n acquisitio n system based on A RM and sw eep finger printsensor [J ].M icr ocom puter Infor matio n ,2007,23(6-1):145-147.(in Chinese )[3] 陈庆接,李见为,张腾,等.基于A RM 9的嵌入式自动指纹识别系统[J 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