摘 要： 針對掌紋識別系統中的圖像采集問題，提出了一種基于DSP 和CPLD的掌紋圖像采集系統的設計方法。將DSP的特殊設計結構作為算法處理核心，對掌紋圖像進行采集、存儲和處理。采用OV7620作為掌紋傳感器,并利用CPLD完成DSP與OV7620之間的邏輯信號轉換，設計出了一套實時、高性能的掌紋采集系統。實踐證明，該圖像采集系統運行穩定、可靠，具有一定的應用推廣性和參考價值。
關鍵詞： 掌紋；圖像采集; DSP; CPLD
隨著計算機及嵌入式系統技術的發展，生物特征識別系統被應用于各個領域中。掌紋識別系統作為生物特征識別系統的一個重要方面，被廣泛關注[1]。掌紋圖像采集問題是掌紋識別系統中的一個難題。傳統的掌紋圖像采集系統大都基于計算機系統為處理核心，配合攝像頭和圖像采集卡來實現圖像采集，通過算法處理軟件完成掌紋圖像的后期加工與處理。這種工作方式中，計算機扮演了主要角色。然而，這種計算機參與的系統應用場合受到很大限制，難以在工業或軍事等復雜環境下靈活運用[2]。因此，設計出一套無計算機參與的圖像采集系統具有非常大的必要性[3]。DSP作為數字信號處理器，憑借其特殊的設計結構成為了大多數專業圖像處理系統的首選核心設備，可用來完成圖像的采集、存儲和處理。OV7620是一款CMOS型圖像采集集成芯片，作為圖像采集傳感器被廣泛應用。CPLD設備可對不同的電子器件的邏輯信號進行轉換。結合目前的現狀，本文將對基于DSP 和CPLD的掌紋圖像采集系統設計進行介紹。
1 DSP TMS320VC5509簡介
與采用馮諾依曼結構的計算機不同，DSP采用的是哈佛結構設計，即數據總線和地址總線分開，使程序和數據分別存儲在兩個分開的空間，允許取指令和執行指令完全重疊。也就是說在執行上一條指令的同時就可取出下一條指令并進行譯碼，這大大提高了微處理器的速度[4]。TMS320VC5509是一款速度高、低功耗的定點DSP，工作主頻達144 MHz，每時鐘周期執行1~2條指令，兩個乘法器、兩個加法器、3套內部讀總線和兩套內部寫總線,廣泛應用于嵌入式、通信、工業控制、數字音頻、生物識別等技術領域中[5]。
2 系統設計整體架構
本系統由算法處理核心DSP芯片TMS320VC5509、掌紋采集傳感器OV7620、邏輯轉換芯片CPLD EPM7032和圖像存儲器Micron公司的SDRAM MT48LC4M16A2TG組成。系統整體框圖如圖1所示。當進行掌紋圖像采集時，算法處理核心DSP利用I2C總線對OV7620進行初始化設置，CMOS傳感器芯片OV7620完成掌紋圖像的攝取和A/D變換并按照設置的格式輸出圖像數據信號。DSP讀取經過CPLD進行邏輯變換的掌紋圖像數據信號，并將它們存儲到SDRAM中。
3.2 CPLD邏輯轉換電路
在基于DSP的掌紋圖像采集系統中，一個非常關鍵的問題就是DSP如何讀取并存儲OV7620采集輸出的掌紋圖像數據。從OV7620的工作原理介紹中知道，無論是PCLK像素時鐘、VSYNC為場同步信號、HREF行同步信號還是FODD為奇偶場信號，都是上升沿觸發有效信號。由OV7620的工作時序可知，PCLK像素時鐘與HREF行同步信號、HREF行同步信號與VSYNC為場同步信號之間存在著一定的內在關系[7]。只有在行同步信號HREF有效的情況下，PCLK的圖像數據才有效。類似地，只有在VSYNC場同步信號有效的情況下，HREF的信號才有意義。因此，采集一幅掌紋圖像數據需要設計一個合理的邏輯變換系統來實現。
Altera公司的CPLD EPM7032在這個系統設計中完成的就是掌紋圖像采集芯片與算法處理核心DSP之間的邏輯變換功能[8]。它將OV7620采集輸出的控制信號進行適當的邏輯變換，很好地解決了信號邏輯不兼容的問題，從而使得DSP可以直接讀取并存儲采集傳感器采集到的掌紋圖像數據。OV7620與DSP之間的控制信號的CPLD邏輯變換設計圖如圖3所示。
從表1可以看出，DSP的外部中斷INT1的邏輯時序一樣，而狀態正好與場同步信號VSYNC相反。由前面的介紹知道，DSP的INT1是下降沿觸發信號，而VSYNC是上升沿觸發信號,這種設計正好滿足信號變換需求[9]。而且每個VSYNC時鐘周期進行一場圖像數據信號的采集存儲，因此，INT1外部中斷可以用來編寫采集每場圖像數據信號的程序。
表2反映了INT2與PCLK、HREF的邏輯關系，INT2只有在時鐘像素PCLK和行同步信號HREF同時為高電平時才為低。這就保證了只有在HREF在高電平期間才有可能產生INT2中斷信號，而且是每個PCLK時鐘周期產生一次下降沿中斷信號。同樣地，這也為DSP設計INT2中斷為采集一幅掌紋圖像數據的每行數據信號提供了物理層上的基礎[10]。
結合以上兩點，OV7620輸出的圖像數據控制信號PCLK、HREF和VSYNC經過CPLD的邏輯變換后，產生了符合觸發DSP外部中斷功能的邏輯信號。這樣，CPLD EPM7032就完成了DSP與OV7620之間控制信號的邏輯變換功能。在此基礎上，通過設計兩個DSP外部中斷函數就可以完成DSP對掌紋圖像數據的讀取與存儲。實踐證明，基于DSP和CPLD的掌紋圖像采集系統運行穩定、可靠。
本文提出了一套基于TMS320VC5509的掌紋圖像采集系統的設計方法。利用DSP TMS320VC5509作為算法處理核心，CPLD將OV7620采集到的圖像數據進行邏輯變換，提供給DSP進行處理和存儲。該設計方法解決了DSP與采集傳感器時序信號不匹配的問題，實現了圖像的有效采集，解決了掌紋圖像采集系統中最為關鍵的難題。本文提出的掌紋圖像采集系統的設計與實現具有一定的實際應用價值，為實現一個高集成度、高性能的實時高速圖像處理系統提供了基礎。
參考文獻
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