相对于密码、证件等传统身份认证技术和诸如语音、虹膜、脸形、签名等其他生物特征识别认证技术而言，指纹识别认证是一种更为理想的身份认证技术。其优点体现在：

　　1.广泛性——每个人的每一跟手指都具有指纹；

　　2.唯一性——每个人的指纹都不相同，极难进行复制；

　　3.稳定性——指纹不会随着年龄的增长而改变；

　　4.易采集性——指纹图像可运用专业的指纹传感器获取，易于开发识别认证系统。

　　随着电子商务的发展和消费类电子的普及，越来越多的领域需要指纹识别系统。目前，基于 、 的独立式指纹识别系统已经成功应用于考勤、门禁、安检等领域 。同时，随着微电子技术的进步，设计开发能应用在小型微型系统（如手机、PDA等）的ASIC资金资助：上海市科学技术委员会PDC计划项目（No. 047062023）和AM 0403项目（专用集成电路）指纹识别认证系统，将具有很强的现实意义和广阔的市场空间。

　　由于FPGA（现场可编程门阵列）具有高集成度，低功耗，短开发周期等优点，本文选用FPGA作为指纹识别认证系统的核心器件，以控制其依次实现指纹采集、指纹特征点提取、存储、比

　　二、简介指纹采集接口器件

　　本指纹采集接口的核心控制器件为Xilinx公司SpartanIII系列的XC3S400型FPGA芯片，它的封装形式为PQ208。这款芯片采用先进的90ns工艺，最大容量40万门，工作频率高达200M，足以完成系统需要。

　　另外，本文选用的指纹采集传感器为富士通公司的MBF300滑动式电容指纹采集传感器。这款指纹传感器采用标准CMOS技术，含有8位A／D变换器，能在2.8V~5V的宽电压范围内工作，能自动检测到是否有指纹到达传感器，并实现在线采集。而它与以往采用的面积式指纹传感器相比最大的优点在于，在保证指纹图像高分辨率（500dpi）的同时大大减小了传感器的尺寸（13.3×3.6 ）。

　　MBF300支持3种通信接口：8位微处理器总线接口（microprocessor bus interface）、集成的USB全速接口（Integrated USB Full-Speed Interface）和集成SPI接口（Integrated Serial Peripheral Interface）。其中本文选用SPI接口，并将详细讲述基于MBF300和FPGA的SPI设计与实现方法。

　　MBF300的SPI接口需要时钟信号线SCK、主进从出信号线MISO、主出从进信号线MOSI和使能信号线，共4根信号线。其中，传感器的时钟源可以从外部输人，也可以外接一个晶体振荡器后，利用MBF300内部的振荡电路来获得时钟源。在选择了SPI模式后，MBF300的其他两种模式将自动禁止。在本系统中，MBF300在SPI工作模式下相当于一个从设备，XC3S400作为主设备。XC3S400通过读写MBF300内部的寄存器实现对它的控制，以完成指纹采集的任务。

　　另外，MBF300在SPI的从设备状态下，它的通信协议的具体内容包括：

　　l         MOSI线上的数据在SCK的上升沿被采样；

　　l         MISO线上的数据在SCK的下降沿发生改变；

　　l         SCK在空闲状态时，可以为高电平，也可以为低电平；

　　l         串行传输过程中，高位在前(最先被移出)。具体时序见图1 。

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　　三、指纹采集接口的设计与实现

　　本文中指纹传感器MBF300的主要任务是采集指纹图像，并自动A/D转换，并把转换后的图像数据通过SPI接口传送到FPGA芯片XC3S400中，以进行指纹登记或者指纹识别比对。由此可见，指纹采集是整个指纹识别系统的第一步，采集质量的好坏将直接影响系统的性能与准确度的高低，因此，接下来将重点介绍指纹采集接口——SPI接口的设计，在此过程中，XC3S400为SPI主设备，MBF300为SPI从设备。

　　1、指纹采集电路

　　由于FPGA内部采用的SRAM存储器结构，所以需要外置一个PROM在上电时对FPGA进行程序配置。同时，还扩展了一个SRAM和Flash分别用作存储指纹程序运行时的临时数据和指纹数据信息。另外，为了实现与PC机通信，指纹采集部分还设计一个RS232接口，整个的硬件电路如图2所示。由图中可以看出，整个指纹采集的核心部件就是FPGA芯片XC3S400，它相当于常见的嵌入系统中的DSP或者ARM，控制着整个指纹采集，以及指纹登记，指纹比对，结果输出等过程。

　　2、指纹采集接口硬件设计与实现

　　本文的SPI接口主设备为FPGA芯片XC3S400，从设备为指纹传感器MBF200。由于FPGA没有特定管脚的要求，本文任意选用XC3S400的4个I/O口137—140 ，分别与指纹传感器MBF300的相应管脚连接，见图3所示。
       
　　3、指纹采集接口软件设计与实现

　　接口时钟采用传感器内部的12M时钟，整个采集指纹图像流程如图4所示，主要有初始化，调整参数，指纹采集，指纹存储几部分组成。[page]

　　3.1 初始化XC3S400和MBF300

　　XC3S400为FPGA器件，因此在系统上电后先要对其进行初始化，即从PROM中读取配置数据，以完成后面的指纹采集、特征点提取、存储、比对等工作；初始化XC3S400之后，接着初始化指纹传感器MBF300，其中部分VHDL源程序如下：

　　  ……

　　ENTITY ini_mbf300 IS

　　    PORT(......

　　pgc   :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

　　dtr    :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

　　dcr    :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

　　thr    :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

　　ctrlb   :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

　　isr     :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

　　icr     :   INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

　　......);--定义需要初始化的MBF300寄存器；

　　END ini_mbf300;

　　ARCHITECTURE ini_mbf300 OF ini_mbf300 IS

　　BEGIN

　　  pgc <=  "00000110 ";      --初始设置图像增益为1.5；

　　dtr  <=  "00111111";     

　　dcr  <=  "00000001";     

　　thr  <=  "00101100";

　　ctrlb <=  "00000001";     --使能阵列，AD及时钟；

　　isr  <=  "00000011";     --清空中断；

　　icr  <=  "01011001";     --使能自动检测；…...

　　END ini_mbf300；......

　　3.2 调整MBF300参数

　　调整MBF300参数，也就是调整PGC、DTR、DCR三个寄存器的值来调整放电时间、放电电流速率和图像的放大增益，直到获得最佳质量的图像。

　　3.3 采集指纹图像

　　XC3S400按照MBF300的SPI时序要求，在MOSI信号线上发送一系列读写MBF300寄存器的指令，并由MBF300在MISO信号线上发送A/D转换后的指纹数据，直到一幅完整的256*32的指纹图像传输完毕。

　　3.4 存储指纹图像

　　采集到的原始指纹图像保存到片外SRAM中，地址空间为0000 0000 0000 0000~FFFF FFFF FFFF FFFF。

　　4 实验调试与结论

　　指纹采集接口的整个程序的VHDL源代码已经通过调试，在ModelSim SE 6.1b中成功仿真，FPGA的SPI时序与MBF300一致，完全能达到指纹采集的目的。于是将MBF300设置为DTR＝0x15，DCR=0x20，PGC=0x01，通过SPI接口采集到的原始指纹数据通过图2中的RS232接口传送给PC机，然后利用Matlab工具数据转化得到指纹图像，它足以满足后续的指纹特征点提取、比对等要求。         

　　四、小结

　　这种基于FPGA芯片XC3S400与固体指纹传感器MBF300的SPI接口具有设计实现简单，传输速率高的特点，完全能胜任指纹采集的任务。而MBF300的高精度更能保证采集到的指纹图像的质量，这有利于简化后续的指纹图像增强、二值化等算法。总之，基于FPGA与指纹传感器的指纹采集系统的SPI接口的成功实现，为指纹识别技术的SOC片上集成打开一个良好的开端。

　　本文作者创新点：

　　虽然基于DSP或者ARM的指纹识别认证系统已经在考勤，门禁等领域实现商品化，但这样的嵌入式系统很难实现小型化集成化，更无法SOC，所以本文采用FPGA来实现指纹识别认证系统，利用FPGA高集成度，低功耗，短开发周期等优点，并以实现系统的ASIC为研究背景，具有很强的现实意义和广阔的市场空间。

　　只有保证高质量的指纹采集才会保证高质量的指纹识别认证，因此本文主要介绍了基于FPGA的指纹识别系统的指纹采集接口部分的设计与实现方案，经实验研究证实该接口完全能满足实际需要，这为指纹识别系统的片上集成打开了一个良好的开端。