引 言
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，USB 1.1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识别仪具有结构简略，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规划的指纹识别体系硬件框图如图1所示：
图1 指纹识别硬件体系简略结构图
首要，AN2131QC通过I2C对指纹识别传感器(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].
依据CPLD技能的高速数据缓冲区的完结
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：
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)。
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USB 1.1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，下面就规划指纹识别仪固件(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。
结 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。指纹识别体系中运用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机重现后作用如图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)。
图6 收集指纹重现作用(处理前后)
