摘 要：本文实现了由ARM9芯片AT91RM9200和滑动指纹传感芯片AT77C104B FingerChip构成的、基于Linux的指纹采集系统。同时利用一种快速的指纹拼接算法，拼接出完整的高质量指纹图像，使低成本、低功耗和小面积的滑动指纹传感器达到与传统的指纹传感器相同的效果。
1、 前言
指纹因其唯一性，终身不变性等特点，在安全性要求较高的行业，如海关、金融和刑侦领域得到广泛应用。随着人们安全意识和隐私觉悟的提高，手机、笔记本、PDA等日常电子消费品中也逐渐开始使用指纹识别技术。此类电子消费品因为便携、手持等特点，在体积、重量、功耗方面都有很高的要求，而传统的指纹传感器面积较大，不适合此类产品的使用。
随之产生的滑动指纹传感器（sweep fingerprint sensor），因为它更小的体积、更低的价格和极低功耗，已经逐渐开始应用于电子消费领域和其他安全系统中。以ATMEL公司的AT77C104A FingerChip为例[1]，与传统的指纹传感器相比，它具有以下优点：（1）体积小，仅为1.5×15mm;（2）强鲁棒性，采集到的相邻的指纹帧没有旋转形变等;（3）低功耗，图像采集时为4.5mA，导航时为1.5mA，睡眠模式小于10uA。 [2]中应用的图像传感器，获取的指纹图像大小为240×240，面积远远大于滑动指纹传感器。然而手指滑过滑动指纹传感器时，采集到的一个指纹帧序列而并非完整的指纹图像。如何将得到的指纹帧序列快速的拼接成一幅完整的指纹图像，达到与传统的面积较大的指纹传感器相同的效果，成为一个急需解决的难题[3]。
为了解决这个难题，本文实现了基于ARM9芯片AT91RM9200[4]和滑动指纹传感器AT77104A FingerChip的指纹采集系统，并在该系统中完成指纹有效拼接。
2、 指纹采集和拼接系统的硬件设计
AT91RM9200是ATMEL推出的ARM9 32位处理器，具有一下优点：运算速度快（在工作频率为180MHz的情况下它的运算速度为 200MIPS）、低功耗、可提供片上或片外存储器以及一系列外围控制、通信和数据存储的灵活配置。这些特征使得这款芯片适合嵌入式指纹采集系统的开发。
在硬件核心电路中，使用两片16位的SDRAM来配置成32位宽度的高性能存储器，读取数据时候以四个字节为一个单位，从而加快了数据的读取速度。同时外扩一个8M的DataFlash，用于存放Uboot、Linux文件系统和应用程序。
在本系统中，包括的通信过程为：
（1）主机和ARM板之间的通信包括：首先PC主机在超级终端中使用Xmodem协议发送文件RomBoot.bin到AT91RM9200内置的 ROM中，下载完毕后，自动运行;其次分别将RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下载存储到DataFlash，复位后自动启动U- Boot;最后通过以太网口将Linux镜像文件和应用程序下载到DataFlash中。再次复位后，开发板进入Linux系统。
（2）AT77C104A和控制芯片之间的通信：通过SPI接口完成。控制芯片通过写寄存器，设置AT77C104A的工作模式;AT77C104A将采集到的数据传递到SDRAM中。
（3）在该嵌入式系统中，拼接采集到的指纹帧序列，通过USB接口导出拼接后的指纹图像。
3、AT91RM9200与AT77C104B FingerChip连接及通信过程
指纹采集芯片采用ATMEL公司的热敏传感芯片AT77C104A FingerChip，通过滑过传感阵列的指纹脊和谷的温度变化来获取指纹数据。与传统的指纹传感器相比，AT77C104A在体积、功耗、工作频率以及对工作环境的鲁棒性等方面均有优势。该芯片提供了SPI接口，有两种通信总线：
（1）SLOW总线：对应SLOW模式，起控制作用，控制和读写内部寄存器;
（2）FAST总线：对应FAST模式，用于获取象素，使主机获得所有的指纹象素。
在本指纹采集系统中，利用AT91RM9200的SSC接口与AT77C104B FingerChip相连。SSC 包含独立的接收器、发送器及一个时钟分频器。每个发送器及接收器有三个接口：针对数据的TD/RD 信号、针对时钟的TK/RK 信号及针对帧同步的TF/RF 信号。 AT91RM9200与AT77C104B FingerChip 通信时，前者处于主机方式，后者处于从机方式，连接如图2所示。
在该通信过程中，SSC的接收器时钟RK由TK驱动，同时接收端与发送端同步，所以TF与RF相连。AT91RM9200通过I/O口（PIO_PA5）提供片选信号，选择指纹传感器的工作模式。SSC的可编程高电平及两个32位专用PDC 通道，可在没有处理器干涉的情况下进行连续的高速率数据传输，适用于快速获取指纹数据。
AT77C104A FingerChip内部有13个寄存器。AT91RM9200通过写AT77C104A FingerChip内部的模式寄存器，将FingerChip设置成获取象素模式。此时，AT91RM9200通过PIO_PA5将FingerChip的 FSS（Fast SPI Slave Slect，低电平有效）信号置为低电平。设置完成后，AT91RM9200为主机，FingerChip为从机。FingerChip的MISO信号将采集到的数据输入到AT91RM9200的SSC端口对应的RD端，存储到SDRAM中。
滑动时指纹传感器获得的每一个像素，由一个16进制数表示，对应着4个时钟周期。当传感器通过SPI端口传输获取到一帧数据时，先传输一个帧同步信号 F0F00200，然后再传输232×8像素指纹数据。因此，每传输一帧数据，需要n=（232×8+8）×4=7496个时钟周期。当 FingerChip以6Mbps工作时，每秒中可获取804帧指纹数据。获取到的指纹数据存储在SDRAM中，通过指纹拼接程序将纹帧序列拼接成完整的指纹图像，然后通过USB传输回PC主机中显示。
4、 系统定制和驱动程序加载
4.1系统定制
为了增加系统的可维护性，采用Linux系统，Linux内核可根据需要裁减。系统定制过程为：（1） 首先将RomBoot.bin下载到 AT91RM9200的SDRAM里;当超级终端显示RomBoot程序界面之后，分别将RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下载存储到 DataFlash的0xc0000000和0xc0008000地址。复位开发板，进入U-Boot命令行。（2）在超级终端中，通过tftp将裁减过的Linux内核镜像文件和文件系统下载到Dataflash中运行。
4.2 加载驱动程序
设备驱动程序在Linux内核中，使某个特定的硬件响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐藏了设备的工作细节。用户通过一组标准化的调用完成对硬件的操作，而这些调用是和特定的驱动程序无关的。将这些调用映射到作用了实际硬件的设备特定的操作上，就是设备驱动程序的任务。另一方面，这种编程接口使得驱动程序独立于内核的其他部分而建立，在需要的时候，可以在运行时“插入”内核（调入内存），也即Linux中的模块化实现，这也是Linux中设备驱动程序的一大特点。
将FingerChip驱动程序加载到Linux文件系统中，当系统运行时，使用insmod命令，即可实现指纹传感器设备的装载。通过标准化的调用，实现对传感器的控制。
5、 基于滑动式指纹传感器的指纹拼接算法
当手指滑过时，滑动指纹传感器采集到是一系列指纹帧序列，因此在嵌入式系统中，需要对获取的指纹帧序列进行拼接。与PC机中的CPU相比，ARM芯片速度较低。为了减少刮取指纹后的等待时间，对指纹拼接速度的要求很高。
从大量的指纹序列中发现，当采集速度足够快时，指纹帧序列相邻两帧之间是连续的，而且会有部分重叠。同时，相邻指纹帧之间的旋转和形变微乎其微，几乎可以被忽略，所以在相邻指纹帧配准的时候，只需要计算出两帧之间的偏移量就可以。
本文运用基于块匹配指纹拼接算法[5]，能够快速有效的寻找到相邻指纹帧之间的偏移量。块匹配算法是：（1）在图像A中选取M×N大小的X区域; （2）在图像B中选取所有可能的M×N大小的Y区域;（3）计算X区域和Y区域对应象素差值的平均值MAE;MAE越小，两区域相似度越高;（4）MAE 最小值对应的Y区域即为与X区域匹配。计算公式为：
（1）
其中0≤i≤M-1，0≤j≤N-1，p（i,j）为X区域的点p的象素值，q（i,j）为Y区域对应点q的象素值。MAE越小，两区域相似度越高。理想情况下，MAE最小值为0。
具体实现步骤：（1）FingerChip AT77104A获取到的指纹帧数据大小为232×8，设x方向为232，y方向为8。为了有效的拼接相邻两帧指纹，设置获取每一帧数据的频率，使得y方向的偏移量dy不大于8，即保证相邻两帧一定有重叠。（2）理想情况下，手指在y方向滑动，在x方向上偏移量为0。因此，只考虑dx不大于dy的情况。当dx超过dy时，滑动无效。（3）由（1）（2）可得，|dx|<8。同时可得，最后一行，中间的（232-8×2）个象素与下一帧必有重叠。（4）取前一帧最后一行（232-8×2）个象素，即（232-8×2）×1的模板，与新获取的一帧指纹匹配。（5）匹配方法：在新的指纹帧里面寻找所有可能的（232-8×2）×1的模板，计算求得MAE。选取MAE的最小值对应的模板，此模板与上一帧的最后一行的（232-8×2）×1的模板相匹配。即得dx，dy。（6）重复执行以上步骤，直到得到一幅完整的指纹图像。
6、 总结
本文实现了基于ARM9芯片AT91RM9200和滑动指纹传感器AT77C104B FingerChip的指纹采集系统，具有低功耗，采集便捷，通信系统简单等优点，具有很大的实用价值。开发的指纹拼接算法通过了AT77C104B FingerChip获取的100幅指纹帧序列的测试，均能达到较好的效果。该系统获取到的指纹帧序列和拼接后的指纹图像，均可通过USB接口导出，可用于指纹拼接算法有效性的测试和指纹识别算法的测试。因为 AT91RM9200支持以太网的接入，因此可以联网集控。下一步的工作是，在此指纹采集和指纹拼接算法的基础上，开发指纹识别系统。
参考文献
1. AT77C104B FingerChip Data Sheet. www.atmel.com
2. 谢健阳 李铁才等，指纹识别系统的设计实现，微计算机信息，2006 No.8 P.156-157
3. Y. L. Zhang, J. Yang and H. T. Wu, “A hybrid swipe fingerprint mosaicing scheme”, AVBPA 2005, LNCS3546, pp.131-140, 2005.
4. AT91RM9200 Data Sheet. www.atmel.com
5. F. S. Rovati, P. Gardella, P. Zambotti and D. Pau, “Spatial-temporal motion estimation for image reconstruction and mouse functionality with optical or capacitive sensors”, Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol 49, pp.711-718, Aug. 2003
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