基于OMAP架构的嵌入式指纹识别系统设计与应用

　　引言

　　生物认证技术是信息时代的重要产物之一。人体生物特征具有唯一性与稳定性，因此，人们开发了指纹、脸型、语音、虹膜、遗传基因 （DNA）结构等多种生物特征识别技术。在各种生物特征中，指纹的特征性能优异，指纹识别技术也正日趋成熟。因此，针对汽车安防领域的市场需求，本文设计了一种基于OMAP架构的嵌入式指纹识别系统。该系统识别率高、处理速度快、可扩展性强，必然有着广阔的应用前景和研究价值。

　　开放式多媒体应用平台OMAP

　　TI 公司的OMAP（Open Multimedia Applications Platform）平台是基于DSP的开放式多媒体应用平台。它采用双核结构，把高性能低功耗的DSP核与控制性能强的ARM微处理器结合起来，具有集成度高、硬件可靠性和稳定性强、速度快、数据处理能力强、功耗低、开放性好等优点。OMAP平台透过先进的操作系统平台不仅开放了ARM，而且开放了 DSP。通过DSP/BIOS桥，DSP的资源就如同ARM的外设一样通过操作系统的API被调用。DSP/BIOS桥在OMAP平台上实现了双核的无缝连接。OMAP平台支持WinCE、EPOC、Nucleus、VxWorks和Linux等多种操作系统，提供了易于使用的开放式编程环境。

　　OMAP平台采用双核技术使操作系统的效率和多媒体代码的执行更加优化。实时性任务由DSP完成，非实时性任务和系统控制工作由ARM完成，从而使系统的功耗降至最低，成功地解决了性能与功耗的最佳组合问题。

　　系统硬件设计

　　基于OMAP架构的嵌入式指纹识别系统（以车载应用为例）主要由OMAP5912嵌入式微处理器、FPS200指纹传感器、人机界面、CAN总线接口、USB通信接口、电源管理等模块组成。系统组成原理如图1所示。 

　　OMAP5912 是整个系统的核心。它一方面要控制指纹传感器FPS200进行指纹样本的采集，建立指纹样本库，并对指纹库进行管理和维护；另一方面它还要控制DSP内核处理复杂的指纹识别算法，进行指纹图像的处理、指纹特征的提取和匹配。在系统的操作过程中，建立友好的人机界面特别关键。在触摸屏控制器ADS7846和 OMAP5912的控制下，用户可以通过触摸屏以及LCD液晶显示屏方便快捷地进行人机对话，如用户个人身份码（PIN）认证、指纹库管理与维护等。开放式系统必然要求信息资源共享，CAN总线接口能使该系统与汽车上的多个控制器（即电控单元ECU）进行通信。USB通信接口的设计使得嵌入式系统的应用更加灵活、方便，令系统与多种类型的外设进行通信成为可能。功能强大的电源管理芯片TPS65010为系统核心部分提供了所需的1.6V、1.8V、3V、 3.3V等工作电压，并合理地进行功耗分配。由于指纹图像数据量大、指纹算法复杂，设计时需要较大的存储空间，因此系统扩展了1个NOR闪存和1个DDR SDRAM。系统可通过JTAG接口进行在线调试。

　　OMAP5912嵌入式微处理器

　　OMAP5912微处理器是由192MHz的TMS320C55x DSP内核和192MHz的低功耗、增强型ARM926微处理器组成的双核应用处理器。

　　流量控制器（Traffic Controller，简称TC）用于控制对外部内存的存取，其最高工作频率为75MHz。TC提供了外部内存快速接口（EMIFF）、外部内存慢接口 （EMIFS）和内部存储器接口 （IMIF）。其中，EMIFF可与SDRAM连接，而EMIFS只能与闪存和速度稍慢的ROM连接。OMAP5912内还有192K的内部存储器，由 ARM和DSP共享。TC可以看作储存资源的守卫，由它内部的仲裁器来决定哪个核有权利存取这些资源，以及是否可以让两个核同时存取这些资源。 OMAP5912中央有一个高性能的9信道系统直接内存存取器（DMA）。这个9信道DMA允许在不同的埠间传送数据，而无需ARM干涉。DMA可作业的端口包括EMIFF、EMIFS、IMIF和周边组件。

　　FPS200指纹传感器

　　FPS200 是Veridicom 公司基于标准CMOS工艺的指纹传感器。利用半导体硅电容效应，硅传感器成为电容的一个极板，手指则是另一极板，手指纹线的脊和谷相对于平滑的硅传感器之间的电容差，即可形成8位的指纹灰度图像。FPS200 指纹传感器的工作电压在3.3V至5V之间，低功耗、高效率，可以在较小（1.28cm×1.50cm）的表面上获得与光学技术同样好甚至更好 （500DPI的较高分辨率）的图像质量。

　　在硬件设计方面，特别要注意的是需要在OMAP5912和FPS200之间增加1个74LV245收发器来解决时序冲突问题，这里不再赘述。

　　人机界面设计

　　由于触摸屏轻薄、输入方便快捷，本设计采用四线电阻式触摸屏作为人机界面的输入设备。人机界面系统由OMAP5912微处理器、触摸屏控制器、四线电阻式触摸屏以及LCD液晶显示屏4部分组成。触摸屏控制器采用 Burn-Brown公司的ADS7846芯片，它是一种典型的带有连续逼近型寄存器的12位ADC，内部自带2.5V参考电压，有一个和微处理器相连的标准SPI据接口。ADS7846根据串行数据输入端 DIN 收到的不同命令字来打开相应的开关通道，并接收返回的模拟电压，通过A/D转换得出对应的数字量，再通过串行数据输出端 DOUT 传回微处理器。触摸屏控制器ADS7846与微处理器OMAP5912的连接电路如图2所示。