基于TMS320VC5402的指纹识别系统
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关键词：DSP 指纹识别 TMS320VC5402
指纹识别作为生物特征识别的一种，有其不可比拟的优点。由于可以随身携带这种特殊的“印章”，所以受到越来越多人的重视。本系统使用TI的TMS320VC5402（以下简称5402）作为核心。DSP与单片机相比，多用于算法比较复杂，乘加运算量比较大的场合。该芯片为一款定点的DSP，它具有高达100MIPS的运算能力，同时具有优化的CPU结构和一系列的智能外设。下面着重讨论基于该芯片的系统设计。
1 总体设计
指纹系统总体设计方案如图1所示。
该系统是由指纹采集仪、FPGA、SRAM和Flash等硬件组成。RS232用于数据传输，PC机可以通过该接口得到指纹特征数据；Flash存储指纹信息库、LCD用的字符和DSP程序；FPGA在DSP的控制下从取指器中取出图放入SRAM中；小键盘用于用户输入ID号码，增强该系统的安全等级。
1.1 存储空间的软硬件设计
本系统要访问的存储器有三个：
DSP内部DARAM（16K字，用于存放常量和变量的数据空间）、SRAM和Flash。因为5402有20根地址线可以用来对程序空间寻址，所以有1M字节的寻址空间，利用高地址线A19来区分Flash和SRAM。其中SRAM是BootLoader后程序运行的空间，这样就把Flash放在高地址上去了。5402的数据寻址空间仅为64K，所以要进行分页扩展。为了避免和DARAM的访问冲突，不能使用64K一页。因为64K中低地址的16K实际上不能访问，它优先被64K中低地址的16K实现上不能访问，它无被DARAM访问，所以定为32K的一数据页。分配一个I/O地址，而后通过I/O地址的译码对74LS273进行使能控制，最后锁存I/O的数据作数据页。当对数据空间进行访问时，应分为以下几步：
①解析该地址，进行分割。前（低）15位为页内地址，后（高）6位为页地址。
②判断页地址是否为0。如果为0，则说明访问DARAM，直接使用访问数据的指令；需要的16位地址就是前15位的地址、高位补零，并结束。
③把页地址用PORTW命令送到寄存器（所分配的I/O空间地址）里，页地址也就在SRAM的高地址线上了。
④再使用访问数据的指令，需要的16位地址就是前15位的地址、高位补零。
对存储器的管理，需要编写一定量的程序。可以设置一个全局变量存储页地址。由于扩展页仅为32K，大于32K的数组是开辟不出来的，所以使用链表。需要注意的是释放空间时，把相邻的未使用的空间尽量连接成一大块，同时需要一个接一个地把用过的堆栈拷贝到堆空间的尾部，使自己空间聚合成一个大块。
图2、图3分别为外部程序扩展和数据空间扩展示意图。
1.2 RS232通信接口软硬件设计
该系统使用MAX3110E连接DSP与PC机，通过软件控制分频比可获得通用的300baud～230kbaud的波特率。MAX3110E内部UART与RS232收发器能够独立工作。McBSP的时钟停止模式可以兼容SPI主-从协议。所谓McBSP的时钟停止模式是指其时钟会在每次数据传输结束时停止，并在下次数据传输开始时立即启动或延半个周期再启动。其接收器和发送器是同步的，即CLKX和FSX分别与CLKR和FSR相连；在传输过程中，CLKX和FSX又分别用做SPI的移位时钟SCK和从方使能SS，可以是输出（主方），也可以输入（从方）。其McBSP初始化编程应遵守以下几个步骤：
①将SPCR中的XRST、RRST置为0，处于复位状态。
②McBSP保持复位的状态下，设置有关的寄存器为需要的值。由于SPI协议要求McBSP在移位输出数据之前，FSX信号必须由DXR->XSR产生FSX，所以XCR寄存器中XDATALY位必须设置为1。
③设置SPCR->GRST为1，采样率发生器退出复位状态，开始工作。
④等待两个时钟周期，以确保McBSP在初始化过程中内部能够正确地同步。
而后，配置MAX3110E的波特率和发送波形，发送数据时根据MAX3110E的数据手册拼装成一个16位的字进行发送。接收通过DSP的Int0中断进行处理。
1.3 总线控制和驱动
本系统中总线有两种：数据总线和地址总线。数据总线进行数据交换，地址总线进行寻址。因为DSP的数据总线是3.3V的高电平逻辑值，可能出现不能驱动外部5V的逻辑电平的情况；而且连接在动能力不足。因此，需要对总线，特别是数据总线进行加强驱动能力的设计。其中数据总线使用SN74LVTH16245来进行驱动向驱动；地址总线是单向的，没有方向的控制，也没有使能的控制，使用SN74LVTH16244单向驱动器就可以了。对于数据总线的控制，按照所逻辑合理使用了DSP_MSTRB。DSP_IOSTRB、R/W就可以完成了。
1.4 键盘与LCD接口的硬件设计
键盘和LCD都是I/O器件，分配两个I/O空间的地址，通过对地址的译码产生使能控制LCD和键盘。键盘上有12个按键，用10kΩ电阻拉高，同时使用与逻辑连接这12根线，输出的逻辑电平接DSP中断Int2，在中断服务程序中使用PORTR命令读入键值。LCD用于显示界面信息。本系统使用LC1611字符点阵模块。
1.5 指纹图像的获取
采用Altera公司的Maxplus II软件进行VHDL语言编程。按照一定的时序，把指纹图像放大SRAM的固定地址中，这一部分调试有些麻烦，可以放在最后做，而图像的获取可使用CCS2.0下的file->data->load把图像文件放入指定的内存区域。此图像文件为CCS数据文件，可以编写一段C程序把BMP文件转换成CCS文件。另一种比较方便的方法是用DSP编写一个小程序，使用fopen()、fread()等函数把图像读入内存，然后使用file->data->save保存成CCS文件。
2 软件设计
2.1 主程序流程
主流程就是要实现把各部分的程序连接成一个有机的整体，并能够通过液晶显示和小键盘响应实现和用户的交互。所以，它的任务就是能够响应小键盘，根据不同的键值执行不同的操作，同时显示不同的页面。系统主流程如图4所示。
2.2 键盘中断程序
5402中与中断有关的寄存器有三个：IFR、IMR、PMST。在DspInitial（）函数中，首先要设置好这些寄存器，而后在中断程序中读入键值。为了防止误触发，在中断的一开始延时3ms。其核心代码如下：
ioport unsigned char port0000;
volatile unsigned int* IMR=(volatile unsigned int *) 0x0000;
……
volatile unsigned int* PMST=(volatile unsigned int *) 0x001D;
main(){
DspInitial();
……
}
interrupt void isr_int0(){
delay3ms();
KEY=port0000&0x0FFF;
Switch(KEY)
……
}
2.3 BootLoader程序设计
该系统为最小系统，需要脱离开发系统运行，因此须进行BootLoader设计。在系统上电以后自动把程序和数据从外部存储器Flash读SRAM中，但问题是用户程序超过了32K，所以必须采用以下特殊的BOOT方法。
①内部BOOT。利用片内的BOOT程序将自己编制的BOOT程序从Flash移至内部的RAM中。
②用户BOOT。内部BOOT完成后，开始执行自己的BOOT程序。利用DSP的扩展寻址方法，自已编制的BOOT编程中从Flash读取代码。
③用户BOOT完成后，跳至用户程序开始运行。
2.4 指纹识别核心算法程序
本系统使用的指纹算法主要分为五部分，其算法的可靠性已经isual C++ 6.0进行了验证，具体算法如下：
①背景分离。采用标准差阈值跟踪法，图像的指纹部分是由黑白相同的纹理组成的，灰度变化很大，具有较大的标准差；而背景部分灰度分布比较平坦，标准差小，因此计算以各点为中心的一组像素的标准差，当标准差大于某一门限时，就可以确定该点为前景，否则为背景。
②计算方向图。采用基于法线向量的方法，其中还涉及到方向场的平滑。
③方向滤波。设计一个水平模板，然后将水平模板旋转到需增强的方向进行滤波。
④奇异点检测。区分出奇异点，如核形（core）、三角形（delta）、涡轮形（whorl）。
⑤特征点提取。采用脊跟踪法，其基本思想是直接对图像进行脊线跟踪，在跟踪过程中检测特征点。以上便是所采用指纹算法的核心思想。
在DSP编程中把它分成五个任务模块，每一个模块都必须注意页面寄存器的值，如果程序仅在SRAM中运行会浪费大量的时钟，所以把部分程序和数据放入DSP的内部。根据自己编程的体会，程序和数据的一次连续处理不会超过64K，所以可以把核心的程序常驻5402内1K的空间，再留有7～8K的空间调用所需的程序，余下的7K用于存放数据。但考虑到该方法程序编写的复杂性，仅在图像滤波中使用，因为滤波方法简单而有规律。为了提高效率，可以开辟两个存储区（PING-PONG型），当一块用于DMA传输时，另一块让DSP进行计算。最后一点，因为5402是定点的，所以要对整个系统进行定标。
3 系统调试方法
设计并加工好印制电路板后，就进入了硬件调试阶段。首先应对电路板作细致的常规检查，防止短路和断路情况的发生。加电后，检查晶体是否振荡，复位是否正确可靠，而后用示波器检查5402的输出时钟CLKOUT是否按照指定时钟模式工作。在作完这些检查宾，就可以进入系统硬件调试阶段。在硬件仿真时，首先要配置目标系统的存储器映像，这是通过设置仿真器命令文件实现的。可以在仿真调试软件目录下改写emuinit.cmd，使之每次启动仿真器时自动加载，也可以在启动仿真器后手动加载命令文件以初始化目标存储器映像。一般而言，仿真器存储器映像与连接器存储器映像应一致。对SRAM的调试的基本思想是，首先对SRAM的两具单元初始化为两个不同的值，而后调试的主程序不断交替这两个单元的数值。具体方法是从一个单元读出数据写入另一个单元，由累加器作为传递单元。使用Debugger软件，查看相应的SRAM单元，若确实将照设定交替变化，则表明该部分没有问题。对于键盘和LCD的调试，其方法不难，这里不再详细阐述。
结语
该系统具有很强的实用性，充分体现了DSP强大的数值运算能力；但该系统仅实现了软硬件的初步研制与开发，离产品化还有一段距离，还有许多工作要做。
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