利用電容式固體指紋采集傳感器MBF200實(shí)現(xiàn)指紋采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

1、MBF200結(jié)構(gòu)與性能

MBF200是富士通公司的電容式固體指紋采集傳感器，能采集到500dpi的指紋圖像。它的傳感器是256×300的陣列，可以在3.3V~5V的寬電壓范圍內(nèi)操作。MBF200的性能主要有以下幾點(diǎn)：

① 集成了一個(gè)8位A/D變換器。A/D變換器的輸入可以是MBF200的指紋傳感器陣列的輸出，也可以是由

MBF200的AIN引腳接入的模擬信號(hào)。

② 帶有3種總線接口，即8位微處理器（MCU）總線接口、集成的USB全速接口及串行周邊設(shè)備接口（SPI），使芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)更加靈活。

③ 特有自動(dòng)指紋檢測(cè)功能。

MBF200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用電容式固體指紋采集傳感器MBF200實(shí)現(xiàn)指紋采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)論在哪一種總線接口模式下，對(duì)MBF200的控制都是通過(guò)寫它的控制寄存器來(lái)完成的，包括CTRLA、CTRLB、CTRLC。MBF200共有19個(gè)寄存器。

值得提出的是，MBF200的時(shí)鐘有兩種選擇。根據(jù)圖1可以看出：“多諧振蕩”和“晶體電路”就是它的兩組可選的時(shí)鐘源。CTRLB中的位1（XTALSEL）是用來(lái)在這兩者之間進(jìn)行選擇的。XTALSEL=0，表示選用內(nèi)部的“多諧振蕩”作為MBF200的時(shí)鐘；XTALSEL=1，表示時(shí)鐘源來(lái)自芯片的XTAL1引腳，此時(shí)，芯片既可以外接有源晶體，也可以接無(wú)源晶體。CTRLB的各位含意會(huì)在后面介紹。

在MBF200的三種接口之中，SPI接口是比較簡(jiǎn)捷的一種，包括SCK、MISO、MOSI和SCS四條信號(hào)線。此時(shí)，它的時(shí)鐘源可以從外部輸入；也可以在外接一個(gè)晶體后，利用MBF200內(nèi)部的晶體電路來(lái)獲得時(shí)鐘源。圖1中，在選擇了SPI模式后，它的其它兩種模式（USB、MCU）是自動(dòng)禁止的。實(shí)際上，MBF200與控制芯片的SPI接口時(shí)，它只能工作在SPI的從模式下（slave），只有當(dāng)MBF200工作于USB模式下時(shí)，它才是作為一個(gè)SPI的主設(shè)備（master）。

MBF200的一些狀態(tài)寄存器，如DTR、DCR、PGC、THR等，需要在進(jìn)行指紋采集之前被初始化。MBF200共有19個(gè)寄存器。這里僅僅對(duì)兩個(gè)比較重要的寄存器CTRLA、CTRLB進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 CTRLA（控制寄存器A）

寫該寄存器來(lái)初始化圖像轉(zhuǎn)換；讀該寄存器來(lái)讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

GETSUB、GETIMG和GETROW三位選定了一種圖像存取模式并且初始化了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換序列。 AINSEL位選定了A/D轉(zhuǎn)換器的來(lái)源。向GETSUB、GETIMG和GETROW中的任意一位寫入一個(gè)“1”，都將放棄當(dāng)前對(duì)應(yīng)模式的圖像攝取并重新開始新的該模式的圖像攝取，而且這三位每次最多只能有一位被置成“1”。如果這三位中有多于一位被置成“1”，那么圖像的轉(zhuǎn)換就不會(huì)開始。當(dāng)GETIMG被置成“1”后，MBF200會(huì)完成以下一系列動(dòng)作：

◇行地址被置成0；

◇列地址被置成0；

◇自動(dòng)開始圖像的行攝取；

◇第一個(gè)象素的A/D轉(zhuǎn)換自動(dòng)開始。

當(dāng)向CTRLA中寫“0”時(shí)，除了會(huì)清除AINSEL之外，并不會(huì)使MBF200放棄當(dāng)前的圖像。讀CTRLA的狀態(tài)可以得到A/D的轉(zhuǎn)換的結(jié)果。的上升沿會(huì)使A/D轉(zhuǎn)換器開始下一次轉(zhuǎn)換。

1.2 CTRLB（控制寄存器B）

CTRLB必須在程序的最開始對(duì)它的位0和位2置“1”，以使能MBF200。

控制寄存器A、B的各位含意如表1所列。

2、 MBF200的SPI接口特點(diǎn)

SPI協(xié)議是一個(gè)同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動(dòng)作。對(duì)于MBF200而言，在時(shí)鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳，如圖2所示。MBF200的SPI通信協(xié)議的具體內(nèi)容如下：

◇MOSI線上的數(shù)據(jù)在SCK的上升沿被采樣；

◇MISO線上的數(shù)據(jù)在SCK的下降沿發(fā)生改變；

◇SCK在空閑狀態(tài)時(shí)，可以為高電平，也可以為低電平；

◇串行傳輸過(guò)程中，高位在前（最先被移出）。

3、 MBF200的SPI接口應(yīng)用

下面結(jié)合MBF200的SPI接口特點(diǎn)，介紹如何以TMS320VC5402（簡(jiǎn)稱5402）作為主控制器，完成MBF200對(duì)指紋數(shù)據(jù)的采集。5402的McBSP是與SPI兼容的。這里，把5402配置成SPI的主設(shè)備（master），MBF200工作在SPI協(xié)議下的從模式（slave）。多通道緩沖串行口McBSP的功能是提供器件內(nèi)外數(shù)據(jù)的串行交換。同以前的串口相比，McBSP串口具有相當(dāng)大的靈活性。表2給出了有關(guān)5402的McBSP引腳說(shuō)明。

5402提供的時(shí)鐘停止模式可用于SPI協(xié)議通信。當(dāng)McBSP被配置為時(shí)鐘停止模式時(shí)，發(fā)送器和接收器在內(nèi)部是同步的，即可將發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)鐘（BFSX）用作從器件使能（即），而將發(fā)送數(shù)據(jù)位時(shí)鐘（BCLKX）用作SPI協(xié)議中SCK。由于接收數(shù)據(jù)位時(shí)鐘（BCLKR）和接收數(shù)據(jù)幀時(shí)鐘（BFSR）在內(nèi)部分別與BFSX和BCLKX相連，因此，該引腳不能用于SPI模式。

當(dāng)McBSP被配置為一個(gè)主設(shè)備時(shí)，發(fā)送輸出信號(hào)（BDX）被用作SPI協(xié)議的MOSI信號(hào)，而接收輸入信號(hào)（BDR）則被用作MISO信號(hào)。McBSP用作主設(shè)備時(shí)，與MBF20的SPI接口如圖3所示。DSP的CLKX用作SPI的串行位同步時(shí)鐘；BDX用作SPI的主控制器的輸出；BDR用作SPI的主控制器的輸入；BFSX用作SPI的串行幀同步信號(hào)。當(dāng)5402的McBSP被用于時(shí)鐘停止模式，并且設(shè)置CLKSTP＝10，CLKXP＝1時(shí)，McBSP的SPI時(shí)序與MBF200的時(shí)序吻合，如圖4所示。

4、采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

5402外擴(kuò)RAM和ROM。RAM用來(lái)存放指紋數(shù)據(jù)，ROM用來(lái)存放DSP程序。采集系統(tǒng)的各部分連接如圖5所示。其中，MAX3111是提供一個(gè)RS232接口，通過(guò)這個(gè)接口，指紋采集系統(tǒng)可以向外（如PC機(jī)）提供指紋數(shù)據(jù)。DSP和MBF200都是3.3V供電。MBF200無(wú)需外接晶體，而是選用內(nèi)部12MHz振蕩器來(lái)提供時(shí)鐘。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

要完成MBF200與5402之間的SPI接口通信，還必須在5402上運(yùn)行程序。這個(gè)程序?qū)τ?402的工程師來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單，軟件流程如圖6所示。只是有一點(diǎn)值得注意：當(dāng)利用5402接收指紋數(shù)據(jù)時(shí)，由于MBF200在某一行沒有完成之前，幀信號(hào)必須一直有效，就是說(shuō)這一幀的長(zhǎng)度為256×8位。所以，只能用5402的DMA來(lái)接收，DMA的接收幀長(zhǎng)應(yīng)該配置為128×16位。5402的部分匯編程序如下：

……;（MCBSP的初始化）

*打開自動(dòng)緩沖單元（ABU），打開DMA進(jìn)行128字×16位幀的DMA接收，通道0

STM #DMSRC1，DMSA ;設(shè)置源地址為DRR10

STM #DRR10，DMSDN

STM #DMDST1，DMSA ;設(shè)置目的地址為3200H

STM #3200H，DMSDN

STM #DMCTR1，DMSA ;設(shè)置緩沖區(qū)的大小為80H個(gè)單字

STM #80H，DMSDN

STM #DMSFC1，DMSA

STM #0001000000000000B，DMSDN

STM #DMMCR1，DMSA

STM #0101000001001101B，DMSDN

STM #DMIDX0，DMSA

STM #0001H，DMSDN

STM #0000001000000011B，DMPREC

……;（這里是INT0的中斷服務(wù)，用于接收MBF200的數(shù)據(jù)）

RET

全部代碼已經(jīng)通過(guò)了調(diào)試，可以取得MBF200 的指紋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)指紋采集的目的。圖7是由MBF200采集到的指紋圖像。該圖是將原始數(shù)據(jù)通過(guò)RS232傳送給PC機(jī)，然后利用Matlab工具把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖像的。