1 引言
在個人身份識別領域，指紋識別作為目前最為成熟的生物識別技術之一，成為很多應用場合的首選。和PC環境相比，嵌入式系統有著體積小，功耗低的特點，由于功能相對專一，在穩定性，可靠性和安全性上有一定優勢。所以現在嵌入式系統不僅應用在移動設備上，而且在固定場合的身份識別系統也被越來越多的采用。
WinCE．Net嵌入式操作系統是微軟公司推出的一種全新開發的操作系統，具備搶先式多任務功能以及強大的通訊能力，專門應用在信息設備，移動應用，消費類電子產品以及嵌入式應用等非PC領域，目前已經發展到5．0版本。本文涉及的指紋采集設備工作在以ARM920T為內核的嵌入式系統上。設計這套系統的目的是進行便攜式指紋識別儀器應用研究，并提供一個指紋識別算法平臺。
2 指紋采集系統的設計與實現
系統采用嵌入式32位ARM器件S3C2440作為主控CPU，由指紋圖像的采集模塊，核心處理模塊，RAM，EEP一ROM，外部存儲器，LCD顯示模塊，接口模塊7個部分組成。圖1給出系統結構框圖。
2．1 指紋采集模塊
現有的光學傳感器的體積都較大，成像結果要經過變換才可以使用。該采集系統采用Veridicom公司的FPS200固體指紋識別傳感器設計而成。FPs200是一種性能優越，功耗低，價格便宜的指紋識別傳感器。由于其特殊的EDS保護，特別窄小的物理尺寸，以及獨特的省電特性，使傳感器尤其適合嵌入式系統使用。主要原理是，在指紋圖像感知區域集成了二維金屬電極陣列，每根電極充當電容一極，在傳感器表面，二極之間有一層鈍化層作為電容的介電層。由于指紋的脊和谷與傳感器接觸時會產生不同的電容值，測量這些不同的數值即形成圖像。
與同類產品相比，FPS200的性能特點如下：
(1)支持多接口模式。FPS200有3種接口模式，8位的系統總線接口，集成全速的USB接口和集成的串行外設接口，使芯片的應用設計更加靈活。芯片集成USB控制器，大大減少了USB電路設計的工作量，同時USB接口協議支持更高的傳輸速率；
(2)自動指紋檢測功能。FPS200可自動檢測手指是否放在傳感器上，如果有，則進入工作狀態；否則，進入睡眠狀態。此設計不需輪詢檢測指紋，提高了芯片的丁作效率；
(3)FPS200內部包括一個新的二階的A／D轉換器，功耗低(75％)；FPS200傳感器單元間距變小，提高了傳感器陣列的機械強度。
系統采用USB接口模式，設計中請注意：①FPS200的工作電壓是3.3~3．6 V，而USB的供電電壓是5 V，所以要用電壓轉換芯片實施電壓轉換；②FPS200通過MODEl和MODEO 2個引腳來實現接口模式的選擇。在USB接口模式下，將微處理器接口模式和SPI予以屏蔽。此時MODE[1：0]=l0b，采用FPS200內部ROM；其他部分引腳CS0,CSl，MOSI，MOSO被屏蔽，引腳懸空；XTAL1與XTAL2之間接12MHz晶體電路；FPS200內部的多頻振蕩器不工作。圖2給出FPS200傳感器和系統的連接電路。
2．2 數據處理與顯示
系統微處理器模塊采用ARM2440開發系統，該系統采用Samsung公司的ARM處理器S3C2440，由6層板設計。該開發系統在盡可能小的面板上(120mmx90mm)集成64MBSDRAM,64MB NAND Flash，lMB B00T Flash，RJ一45 網卡，音頻輸入和輸出，USB Host，USB Slave，標準串口，SD卡插座等設備接口，支持LCD／STN液品屏接口，可以接各種單色，偽彩，真彩液晶屏，并含有觸摸屏接口。通過預留的USB口可實時地將數據導入U盤或者PC機硬盤中。
現在的SD卡成本低，容量大，所以存儲模塊采用SD卡進行圖像存儲。液晶顯示模塊采用Samsung公司的3．5寸TFT(帶觸摸)，通過液晶屏的觸摸功能或USB鼠標，可以方便的對測試系統進行窗口化操作。
3 系統軟件設計及實現
采用EVC工具開發上位機軟件，可直接在Windows CE[5]環境下運行。上位機軟件是控制系統運行的重要部分，主要完成人機接口，指紋圖像的采集并處理系統和采集模塊的通訊。系統軟件可分為主程序模塊、通許模塊和指紋采集模塊。主程序模塊主要完成界面顯示，人機接口，模塊調用等功能；指紋采集模塊完成指紋圖像的采集；通訊模塊負責接受數據和發送由人機接口控制的寄存器的修改指令。
為了能夠采集指紋，首先必須初始化FPS200的相關寄存器，按照傳感器的技術要求，初始化寄存器CTRLB，DTR，DCR和PGC的值，以設置傳感器的工作方式，調整傳感器靈敏度，為指紋采集做好準備。改變DTR的值可以改變電容的放電時間，DCR控制放電電流的大小，PGC控制放大器增益，當DTR和DCR值增大時，圖像變白，對比度降低。
通過寫寄存器CTRLA可選擇采集指紋的方式，有3種指紋采集方式：采集某行(GETROW)；采集子圖像(GETSUB)，采集整幅圖(GETIMG)。選擇不同的采集方式，需要初始化的行列寄存器則不同。圖3給出系統軟件流程圖。
4 試驗結果分析
圖4給出采集部分試驗結果，對比圖像后發現，FPS200的放電參數DCR，DTR和PGC對指紋的清晰度有一定影響。其中DTR參數控制電容的放電時間，延長放電時間可減少指紋圖像的背景噪聲；增加DCR參數值同樣能起到減少指紋背景噪聲的作用，但升高DCR同時減少DTR時可維持圖像的清晰度；PGC參數控制指紋圖像和背景的對比度，需要根據不同的工作條件進行參數調整。圖4(a)的圖像是在DCR=0x0l，DTR=0x40，PGC=0x0B(g=3)下采集的；圖4(b)的圖像是在DCR=Ox0l，DTR=0x23，PGC=Ox00(g=1)下采集的。當手指情況較好時，圖4(a)的參數要比圖4(b)的參數得到的圖像更好。
5 結語
本文設計了一個基于ARM的指紋采集系統，使用FPS200固體指紋傳感器作為指紋采集元器件。減少了許多軟件優化圖像的過程。以Samsung的S3C2440為硬件平臺，WindowsCE系統為軟件平臺．非常容易地對外實施擴展，為下一步的指紋識別打下了良好的基礎。系統操作簡單，攜帶方便，尤其適合不宜使用基于PC構架的指紋采集儀器的場合，且成本低廉，易于推廣。