CMOS图画传感器是近年来得到快速开展的一种新式固态图画传感器。它将图画传感部分和操控电路高度集成在同一芯片里，体积显着减小、功耗也大大下降，满意了对高度小型化、低功耗成像体系的要求。与传统的CCD图画传感器比较，CMOS图画传感器还具有集成度高、操控简略、价格低廉等许多长处。因而跟着CMOS集成电路工艺的不断进步和完善，CMOS图画传感器现已广泛运用于各种通用图画收集体系中。一同作为一种PC机与外围设备间的高速通讯接口，USB具有许多杰出的有点：衔接简洁，可热插拔，无需定位及运转装置程序，无需衔接外设时关机及重启体系，完结真实的即插即用；高传输速率，USB1.1协议支撑12Mb/s；不占用体系硬件资源，能够主动检测和装备外围设备，不存在硬件抵触问题。
因而，运用CMOS数字图画传感器与USB接口数据传输来完结的指纹辨认仪具有结构简略，体积小，便携化等长处。现将介绍运用OMniVision公司的CMOS五颜六色数字图画传感器OV762M和cypress公司的EZ—USB AN2131QC USB操控传输芯片（内部集成了增强形51内核）来完结指纹信息的收集和USB传输，一同因为指纹传感器输出数据的速率（27MB/s）与USB操控器（AN2131QC）数据传输速率（12Mb/s）的不匹配，故体系选用了SRAM和CPLD构成中心高速缓冲区。
体系结构
运用AN2131QC、CPLD和OV762M规划的指纹辨认体系硬件框图如图1所示：
图1指纹辨认硬件体系简略结构图
首要，AN2131QC通过I2C对指纹辨认传感器（OV7620）的窗口设置等参数进行装备，光学透镜把像成在OV762M的像面上后，CMOS图画传感器（OV7620）对其进行空间采样，并依照必定的帧频接连输出8位的数字图画数据Y［7∶M］（输出数字图画数据的帧同步信号为VSYNC，水平有用信号为HREF，输出时钟信号为PCLK）。为了完结指纹传感器输出数据与USB操控器（AN2131QC）读取数据速度与时序的匹配，运用了SRAM（IS61C1024）和CPLD构成高速缓冲区，运用此高速缓冲区将OV762M收集的指纹数据缓存。最终AN2131QC完结与上位机的USB通讯，将高速缓冲区中数据的传输到PC机进行相应图画处理。
CMOS数字图画传感器OV7620
CMOS数字图画传感器OV762M集成了一个664×492的感光阵列、帧（行）操控电路、视频时序发生电路、模仿信号处理电路、A/D转化电路、数字信号输出电路及寄存器I2C编程接口。感光阵列得到原始的五颜六色图画信号后，模仿处理电路完结比如色彩别离与均衡、增益操控、gamMA校对、白电平调整等首要的信号处理作业，最终可依据需求输出多种规范的视频信号。视频时序发生电路用于发生行同步、场同步、混合视频同步等多种同步信号和像素时钟等多种内部时钟信号，外部操控器可通过I2C总线接口设置或读取OV762M的作业状况、作业办法以及数据的输出格局等。
AN2131QC通过I2C总线接口设定OV762M的寄存器来操控输出帧率在0.5帧/s～3M帧/s之间改变，输出窗口在4×2～664×492之间可调（默许输出640×48M的规范VGA格局），设置是非平衡等。依据指纹收集的需求，窗口输出设置为：320×288，通过设定后的OV762M输出时序如图2所示：
图2 0V762M输出时序
VSYNC是笔直场同步信号（也是每帧同步信号，CMOS是按列收集图画的），其下降沿标明一帧图画的开端，HREF供给了一种有用的操控办法，当输出像素队伍别离处于设定窗口之间时HREF为有用高电平，此刻输出有用的视频数据，PCLK是输出数据同步信号，上升沿输出一个有用的像素Y［7∶M］。
在由CPLD和SRAM构成的高速数据缓冲区中，CPLD充当了SRAM的操控器，其内部电路完结框图如图3所示：
依据CMOS图画传感器与USB接口数据完结传输的指纹辨认仪规划
图3 SRAM高速缓冲区操控器的CPLD完结图3中ram_rd，raM_wr为输出到SRAM的读写信号线，raM_data，ram_addr为SRAM的数据地址总线；latch_f为SRAM的读写答应信号，当为高电平时答应对SRAM写操作，为低电平时答应对SRAM读操作；两个8路三态门用于阻隔总线，当对SRAM写时，输出cpu_datA为高阻态，当对SRAM读时，将收集数据信号Y ［7∶M］阻隔；cpu_rds，vsync为开端读写信号，单个正脉冲将SRAM地址置0；cpu_rD作为SRAM快速读脉冲，pclk为SRAM写脉冲；irq为写满标志，用于向上供给中止标志；地址发生器用于发生SRAM地址（IS61C1024有17根地址线）。
图4 CPLD完结的仿真波形
由图3中逻辑知道，当答应对SRAM写（latch_f=1）且收集的数据有用（href=1）时，pclk脉冲通过地址发生器发生地址（sync单个正脉冲将SRAM地址复位到0），将收集的数据Y［7∶M］写入SRAM中，当写满（写完一帧的32M像素×288像素）时，irq信号有用，通过中止将latch_f置低答应将SRAM数据读出（cpu_rds单个正脉冲将SRAM地址复位到0），尔后cpu_rD通过地址发生器发生地址将SRAM中数据读出到USB缓冲区。上述逻辑仿真波形如图4所示（因为数据线和地址线较多，故只取其中部分信号时序，cpu_datA为X标明其值依据SRAM数据总线上详细值而定），由图4可知，CPLD完结了对SRAM的操控，与SRAM一同组成了高速数据缓冲区。
USB快速批量传输的完结
USB操控接口芯片AN2131QC特性简介AN2131QC是依据USB1.1协议规划的，支撑高速12Mb/s的传输速率，内嵌有增强型8051微操控器、8kB的RAM和一个智能USB内核的收发器，它包括一个I2C总线操控器和3个8位多功能I/O口，有8位数据总线和16位地址总线用于外部RAM扩展。其结构如图5所示。
图5 AN2131QC结构简图
AN2131QC内部的USB差分收发器衔接到USB总线的D+和D-上。串行接口引擎（SIE）对USB总线上串行数据进行编码和译码（即完结USB协议的打包宽和包作业），一同履行过错纠正、位填充及其它USB需求的信号规范，这种机制大大减轻了8051的作业，简化了固件的编程。内核微处理器是一个增强型8051，其指令周期为4个时钟周期并具有双DPTR指针，一同指令与规范8051兼容。它运用内部RAM存储固件程序和数据，上电后，主机通过USB总线将固件程序和外设特性描述符下载到内部RAM（也能够直接从板上E2PROM上读取），然后重衔接，依照下载的特性描速符进行重枚举，这种规划能够完结软件的随时在线晋级。
USB快速批量传输的完结当收集的指纹数据导入了由SRAM和CPLD构成的高速数据缓冲缓冲区后，要通过USB接口将数据发送到上位PC机，AN2131QC有必要先将数据读入到内部USB缓冲区，因而，AN2131QC将数据传到内部USB缓冲的速度将是整个USB数据传输速度快慢的要害。为了使USB数据传输（从外部读入数据并将之传到PC机）抵达最快，需求选用许多办法，下面就规划指纹辨认仪固件（AN2131QC程序）中选用的USB批量传输进行讨论。
正常情况下，AN2131QC内核结构从外部读入数据到USB的端点缓冲区，要运用的汇编程序为：
movx a，@dptr；读外部数据到acc寄存器incdptr；外部地址加1 incdps；切换DPTR指针（内核有双DPTR指针，用dps进行切换）
movx @dptr，a；将acc内容放入USB缓冲区incdptr；USB缓冲区地址加1 incdps；切换DPTR指针
由上述程序可知，数据在寄存器中完结操作后，都有必要有一个“incdptr”和“incdps”指令来完结16位地址的添加和缓冲区指针切换。为了消除这种内部耗费，运用AN2131QC供给的一种特别的硬件指针即主动指针（只用于内部缓冲区），8051装载USB缓冲区地址到两个AUTOPTRH （高字节地址）和AUTOPTRL（低字节地址）寄存器中，向AUTODATA写入的数据就直接存入由AUTOPTR/H2L指向的地址缓冲区中，而且内核主动添加AUTOPTR/H2L中16位地址的值。这样USB缓冲区能够像FIFO相同来次序写入数据，节省了每次写内部USB缓冲区时的“incdptr”指令。一同内核还供给一种快速形式（只用于对外部数据操作），此形式从外部读数据“movx a，@dptr”时，直接将外部数据总线和内部缓冲区连在一同，因为运用CPLD和SRAM构成的指纹高速缓冲区具有FIFO的性质，所以运用快速形式读外部指纹数据时也节省了“incdptr”指令。将上述两种办法结合起来，读外部数据到内部缓冲区程序就只需求一条指令：movx @dptr，A（dptR寄存AUTODATA寄存器地址），此指令需求两个8051机器周期（8个24MHz时钟周期）。这样，一个字节能够在333ns内读入到USB端点缓冲区。
在USB接口数据传输一侧，当PC机要对一特定端点进行读数据并发送IN令牌，假如一个IN令牌抵达时8051还没有完结向USB端点缓冲区的数据装载（读外部数据），AN2131QC就发送一个NAK握手信号来呼应IN令牌，标明PC机应该在稍后再发送一个IN令牌。为了处理这种等候然后抵达最快的传输速度，能够运用双缓冲技能（端点配对），使8051在前一个数据包在USB总线上传输的时分，装载块数据的下一个数据包。
定论
运用CMOS数字图画传感器OV762M和USB操控器AN2131QC完结的指纹仪结构简略，体积小，运用方便。指纹辨认体系中运用CPLD技能完结了高速缓冲，处理了速度时序匹配问题；运用了快速批量USB传输技能完结了数据的快速传输，使指纹数据的传输抵达最高速（每帧传输只用80Ms）。运用现论说的办法完结的指纹仪收集的指纹数据经PC机重现后效果如图6所示（左图是未经任何处理的重现，右图是通过滑润、细化等算法处理后的重现）。
来历：ECCN
