基于TMS320VC5402的指纹识别系统设计Word文件下载.docx
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256
要
求
理解TMS320VC54021芯片的结构及其控制字，灵活运用芯片与外围设备的接口，设计一个芯片使其实现DSP与PC机之间的数据传输，DSP与单片机之间的数据传输问题，完成实时数据采集处理的同时还能进行各种控制,设计了一种基于DSP和MCU的双CPU数据采集处理系统。
工
作
量
字数：
10754
页数：
26
划
共四周（14-17周）；
考
资
料
[1]苏涛.DSP实用技术［M]..西安：
西安电子科技大学出版社，2002.
[2]李静梅，郑超峰，金玉萍.基于FPGA的FFT算法实现[J].应用科技，2009,36
（2）：
38-40.
[3]王金龙，任国春.DSP设计与实验教程[M].北京：
机械出版社，2007.
[4]许开宇，祝忠明，卢亚玲。
数字信号处理[M].北京：
电子工业出版社，2005
[5]纪震，钟春.DSP系统入门与实践[M]。
电子工业为出版社，2006.
指导教师签字
2010年6月25日
学生姓名：
学号：
专业（班级）：
电气工程及其自动化
课程设计题目：
基于TMS320VC5402的指纹识别系统
指导教师评语：
成绩：
年月日
信息工程学院课程设计成绩评定表
摘要
数字信号处理器（DSP）是指以数值计算的方法对数字信号进行处理的芯片。
它具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小、使用方便等优点。
DSP应用于指纹识别已经成为一个新的科技领域和独立的学科体系,当前已形成了有潜力的产业和市场。
本文选定100MHzDSPTMS320VC5402作为指纹信号的处理器,利用其流水线编码的操作特点,并结合指纹识别技术,实现基于DSPCCS2.2的指纹识别预处理系统。
CCS2.2（CodeComposerStudio）是一种针对标准TMS320调试接口的集成开发环境（IDE）,由TI公司于1999年推出。
指纹识别作为生物特征识别的一种，有其不可比拟的优点。
由于可以随身携带这种特殊的“印章”，所以受到越来越多人的重视。
本系统使用TI的TMS320VC5402（以下简称5402）作为核心。
DSP与单片机相比，多用于算法比较复杂，乘加运算量比较大的场合。
该芯片为一款定点的DSP，它具有高达100MIPS的运算能力，同时具有优化的CPU结构和一系列的智能外设。
下面着重讨论基于该芯片的系统设计。
关键词：
DSP指纹识别TMS320VC540
Abstract
Digitalsignalprocessor（DSP）referstothemethodofnumericalcalculationofdigitalsignalprocessingchip.Ithashighprocessingspeedandflexibility,accuracy,stronganti-jammingcapability,smallvolume,convenient,etc..DSPappliedtothefingerprintidentificationtechnologyhasbecomeanewandindependentdisciplinesystemhasbeenformed,andthepotentialofthemarketandindustry.This100MHzselectedTMS320VC5402DSPasthesignalprocessor,usingthefingerprintoftheassemblycode,combiningthecharacteristicsofoperationfingerprintidentificationtechnology,realizingthefingerprintidentificationbasedonDSPCCS2.2pretreatmentsystem.CCS2.2（CodeComposerStudio）isastandardinterfaceforTMS320debuggingintegrateddevelopmentenvironment（IDE）,byTIcompanyin1999.Thefingerprintidentifiedasbiometrics,itsincomparableadvantages.Duetothespecialcancarrythe"
stamp"
moreandmorepeople'
sattention.ThissystemUSEStheTMS320VC5402TI（hereinafterreferredtoasthecore5402）.DSPmicrocontroller,comparedwiththealgorithmismorecomplex,usedbycalculationandcomparisonofthebigoccasion.Thischipisafixed-pointDSP,ithas100MIPSuptheoperationability,alsohastheoptimizationofthestructureandaseriesofintelligenceCPUperipherals.Basedonthechipbelowemphaticallydiscussedthesystemdesign.
Keywords:
DSPTMS320VC5402fingerprintidentification
目录
1任务提出与方案论证6
1.1指纹识别系统的架构6
1.2系统各部分设计要点6
2总体设计7
2.1存储空间软硬件设计7
2.2存储空间软硬件设计9
2.3总线控制和驱动10
2.4总线与LCD接口硬件设计10
2.5指纹图像获取11
3详细设计12
3.1硬件设计12
3.2软件设计19
3.3指纹识别预处理算法22
3.4指纹图像在CCS2.2上的输入与输出23
3.5实际指纹图像预处理效果23
3.6系统调试方法24
4总结25
参考文献26
1任务提出与方案论证
随着计算机与信息技术的不断发展,生物识别技术的应用越来越加广泛.在各种生物识别技术中,指纹识别是目前生物检测学中研究最深入、应用最广泛、发展最成熟的、最有前景的一种识别技术,它通过分析指纹的局部特征,从中抽取详尽的特征点,从而可靠地确认个人身份。
指纹识别的优点是指纹作为人体独一无二的特征,它的复杂度可以提供用于鉴别的足够特征,具有极高的安全性、实用性、可行性，是一种比较理想的身份认证技术。
指纹识别技术是以数字图像处理技术为基础，而逐步发展起来的。
相对于密码、各种证件等传统身份认证技术和诸如语音、虹膜等其它生物认证技术而言，指纹识别是一种更为理想的身份认证技术。
使用指纹识别具有许多优点，例如：
每个人的指纹都不相同，极难进行复制或被盗用；
指纹比较固定，不会随着年龄的增长或健康程度的变化而变化；
最重要的在于指纹图像便于获取，易于开发识别系统，具有很高的实用性和可行性。
1.1指纹识别系统的架构
本课题设计了一个嵌入式系统，通过DSP来完成指纹图像的采集和指纹识别的算法。
另外为使系统有更广阔的应用领域，在设计上还采用异步串行通讯方式实现了DSP和PC之间的数据交互。
据此，系统由指纹传感芯片、复杂可编程逻辑器件、闪烁存储器和UART等硬件组成。
1.2系统各部分设计要点
TMS320VC5402具有很高的性价比，可以访问1M的程序空间和64K的数据空间。
内部自带的16K双寻址RAM，可以在一个指令周期内完成两次读操作或一次读和一次写操作。
锁相环电路则可提供高达100MHz的工作频率，从而使VC5402完全有能力在较短的时间内完成指纹的识别操作。
由于指纹图像具有数据量大特点，因此程序的设计不可避免的需要较大的存储空间。
系统中所采集到的8bits灰度图像大小为300×
256，则存储一幅图像就需要75K的空间，而VC5402可寻址的数据空间范围总共才有64K。
为此，可以参照VC5402空间分配结构图，通过程序空间页扩展功能来解决图像的存储和运算问题，运用RPT、READA和WRITA指令完成图像数据在程序空间和数据空间的搬移操作。
2总体设计
指纹系统总体设计方案如图1所示。
该系统是由指纹采集仪、FPGA、SRAM和Flash等硬件组成。
RS232用于数据传输，PC机可以通过该接口得到指纹特征数据；
Flash存储指纹信息库、LCD用字符和DSP程序；
FPGA在DSP控制下从取指器中取出图放入SRAM中；
小键盘用于用户输入ID号码，增强该系统安全等级。
2.1存储空间软硬件设计
本系统要访问存储器有三个：
PC提示请看下图:
DSP内部DARAM（16K字，用于存放常量和变量数据空间）、SRAM和Flash。
因为5402有20根地址线可以用来对程序空间寻址，所以有1M字节寻址空间，利用高地址线A19来区分Flash和SRAM。
其中SRAM是BootLoader后程序运行空间，这样就把Flash放在高地址上去了。
5402数据寻址空间仅为64K，所以要进行分页扩展。
为了避免和DARAM访问冲突，不能使用64K一页。
因为64K中低地址16K实际上不能访问，它优先被64K中低地址16K实现上不能访问，它无被DARAM访问，所以定为32K一数据页。
分配一个I/O地址，而后通过I/O地址译码对74LS273进行使能控制，最后锁存I/O数据作数据页。
当对数据空间进行访问时，应分为以下几步：
①解析该地址，进行分割。
前（低）15位为页内地址，后（高）6位为页地址。
②判断页地址是否为0。
如果为0，则说明访问DARAM，直接使用访问数据指令；
需要16位地址就是前15位地址、高位补零，并结束。
③把页地址用PORTW命令送到寄存器（所分配I/O空间地址）里，页地址也就在SRAM高地址线上了。
④再使用访问数据指令，需要16位地址就是前15位地址、高位补零。
对存储器管理，需要编写一定量程序。
可以设置一个全局变量存储页地址。
由于扩展页仅为32K，大于32K数组是开辟不出来，所以使用链表。
需要注意是释放空间时，把相邻未使用空间尽量连接成一大块，同时需要一个接一个地把用过堆栈拷贝到堆空间尾部，使自己空间聚合成一个大块。
外部程序扩展和数据空间扩展示意图分别如下2图所示：
2.2RS232通信接口软硬件设计
该系统使用MAX3110E连接DSP与PC机，通过软件控制分频比可获得通用300baud～230kbaud波特率。
MAX3110E内部UART与RS232收发器能够独立工作。
McBSP时钟停止模式可以兼容SPI主-从协议。
所谓McBSP时钟停止模式是指其时钟会在每次数据传输结束时停止，并在下次数据传输开始时立即启动或延半个周期再启动。
其接收器和发送器是同步，即CLKX和FSX分别与CLKR和FSR相连；
在传输过程中，CLKX和FSX又分别用做SPI移位时钟SCK和从方使能SS，可以是输出（主方），也可以输入（从方）。
其McBSP初始化编程应遵守以下几个步骤：
1将SPCR中XRST、RRST置为0，处于复位状态。
②McBSP保持复位状态下，设置有关寄存器为需要值。
由于SPI协议要求McBSP在移位输出数据之前，FSX信号必须由DXR->
XSR产生FSX，所以XCR寄存器中XDATALY位必须设置为1。
③设置SPCR->
GRST为1，采样率发生器退出复位状态，开始工作。
④等待两个时钟周期，以确保McBSP在初始化过程中内部能够正确地同步。
而后，配置MAX3110E波特率和发送波形，发送数据时根据MAX3110E数据手册拼装成一个16位字进行发送。
接收通过DSPInt0中断进行处理。
2.3总线控制和驱动
本系统中总线有两种：
数据总线和地址总线。
数据总线进行数据交换，地址总线进行寻址。
因为DSP数据总线是3.3V高电平逻辑值，可能出现不能驱动外部5V逻辑电平情况；
而且连接在动能力不足。
因此，需要对总线，特别是数据总线进行加强驱动能力设计。
其中数据总线使用SN74LVTH16245来进行驱动向驱动；
地址总线是单向，没有方向控制，也没有使能控制，使用SN74LVTH16244单向驱动器就可以了。
对于数据总线控制，按照所逻辑合理使用了DSP_MSTRB。
DSP_IOSTRB、R/W就可以完成了。
2.4键盘与LCD接口硬件设计
键盘和LCD都是I/O器件，分配两个I/O空间地址，通过对地址译码产生使能控制LCD和键盘。
键盘上有12个按键，用10kΩ电阻拉高，同时使用与逻辑连接这12根线，输出逻辑电平接DSP中断Int2，在中断服务程序中使用PORTR命令读入键值。
LCD用于显示界面信息。
本系统使用LC1611字符点阵模块。
2.5指纹图像获取
采用Altera公司MaxplusII软件进行VHDL语言编程。
按照一定时序，把指纹图像放大SRAM固定地址中，这一部分调试有些麻烦，可以放在最后做，而图像获取可使用CCS2.0下file->
data->
load把图像文件放入指定内存区域。
此图像文件为CCS数据文件，可以编写一段C程序把BMP文件转换成CCS文件。
另一种比较方便方法是用DSP编写一个小程序，使用fopen（）、fread（）等函数把图像读入内存，然后使用file->
save保存成CCS文件。
3详细设计
3.1硬件设计
系统的核心处理单元是TI公司推出的高性能数字信号处理器TMS320VC5402,该芯片具有精度高、灵活性大、可靠性高、时分复用等特点。
其采用程序空间与数据空间完全独立的哈佛总线结构,指令的执行采用流水线结构,内部有一到多个处理内核,带有片上硬件乘法器,指令执行速度最快为几十纳秒,处理能力为100MIPS。
片内有8条总线、片上存储器和片上外围电路等硬件,并且有高度专业化的指令系统[3]。
TMS320VC5402片外直接数据寻址空间为64kB,程序空间寻址能力可达1MB,但是通过程序空间来扩展数据空间将影响系统处理速度。
但是MTS320VC5402在实际使用过程中,程序和数据的一次连续处理一般都不会超过64kB,所以把核心的程序常驻TMS320VC5402内16kB空间,一般控制在1～2kB,再留7～8kB的空间调用所需的程序,程序在片内的执行速度要比片外的快许多,通过来回到程序,就能实现程序的全速运行。
数据空间可以通过CPLD片选来进行扩展。
由于DSP外部最多支持扩展32k数据空间,但是我们实际扩展了64k的SRAM,因此SRAM的A15地址线由DSP通过CPLD中的逻辑电路来控制,由此来选择使用SRAM的高地址段32k存储空间或者地址段32k存储空间,这样既符合DSP的外扩空间要求,又使系统增加了更多的数据存储空间。
CPLD是由一种被IEEE认定的标准硬件描述语言VHDL（VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口）实现的[4]。
在系统终端我们选用LCM液晶显示模块,直接显示需要的指纹图像和数据结果。
要显示的图像或数据首先由DSP存入缓冲器,再由LCM读取,这样可以避免了由于DSP和LCM读写速度不匹配而发生错误。
本系统的硬件平台由图像采集、图像处理、数据存储、图像显示和电源部分五个部分组成。
其结构框图如图1所示：
TMSC5401结构图：
总系统电路部件图：
复位电路图：
系统连接图：
3.1.1电源部分
电源部分在系统的硬件部分中占有重要的地位,它将影响到整机能否可靠运转。
其中,要着重考虑以下两点：
第一、要有一套保证DSP芯片内核和I/O能同时上电的解决方案,这样避免对芯片造成损害。
本系统采用D型边沿触发器来开关电源输出,很好的解决了这个问题;
第二、在高速电路板中,开关的电磁辐射和线路噪音会干扰器件的实际工作电压,而DSP芯片一般要求工作电压偏差不超过5%,否则,长时间工作在非正常电压容易缩短芯片寿命甚至于烧毁。
因此,本系统中特别设计了电压监控电路来实时监控电压。
根据本系统特点,采用了TI公司的TPS73HD3181芯片。
电源部分结构图：
3.1.2 图像采集电路及流程
图像采集电路是整个系统中极其重要的部分,高质量指纹图像的采集大大的降低了鉴定指纹时的误识率和拒识率,提高整个系统的性能。
系统采用的是美国Veridicom公司的FPS200固态指纹传感器作为图像采集电路的核心器件。
该芯片适用于更复杂的指纹和更恶劣的气候条件。
它采用标准CMOS工艺制造,获取图像为256×
300像素,分辨率500dpi。
提供三种接口方式:
标准8位微处理器总线、集成高速USB接口、串行外设接口SPI[5]。
图像传输速度分别为30帧/s、13帧/s、10帧/s。
FPS200芯片由256列和300行电容阵列组成,芯片内设计有两个采样保持电路用于指纹图像的采集。
通过测量每个传感单元在每次充电后的电压值和放电后的电压值的差来获得每个传感单元的电容值。
每次捕捉每行图像后,在该行内的每个传感单元内就有待数字化的电容值。
因此通过改变放电电流大小和放电时间就可以改变FPS200的灵敏度。
整个图像采集流程图如下图所示：
3.1.3JTAG接口
JTAG（JointTestActionGroup）联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。
现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。
标准的JTAG接口是4线：
TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。
JTAG最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个TAP（TestAccessPort&
#0;
测试访问口）通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。
JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。
现在，JTAG接口还常用于实现ISP（In-Systemrogrammable&
在线编程），对FLASH等器件进行编程。
JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。
JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程
JTAG的一些说明
通常所说的JTAG大致分两类，一类用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题；
一类用于Debug；
一般支持JTAG的CPU内都包含了这两个模块。
一个含有JTAGDebug接口模块的CPU，只要时钟正常，就可以通过JTAG接口访问CPU的内部寄存器和挂在CPU总线上的设备，如FLASH，RAM，SOC（比如4510B，44Box，AT91M系列）内置模块的寄存器，象UART，Timers，GPIO等等的寄存器。
上面说的只是JTAG接口所具备的能力，要使用这些功能，还需要软件的配合，具体实现的功能则由具体的软件决定。
例如下载程序到RAM功能。
了解SOC的都知道，要使用外接的RAM，需要参照SOCDataSheet的寄存器说明，设置RAM的基地址，总线宽度，访问速度等等。
有的SOC则还需要Remap，才能正常工作。
运行Firmware时，这些设置由Firmware的初始化程序完成。
但如果使用JTAG接口，相关的寄存器可能还处在上电值，甚至时错误值，RAM不能正常工作，所以下载必然要失败。
要正常使用，先要想办法设置RAM。
在ADW中，可以在Console窗口通过Let命令设置，在AXD中可以在Console窗口通过Set命令设置。
3.2软件设计
系统上电时,TMS320VC5402通过总线操作对FPS200进行设置,然后进入指纹图像采集阶段。
在该阶段TMS320VC5402处于空闲状态,CPLD占用数据总线,将数据直接存储到图像RAM中。
采集完一帧指纹图像后由CPLD通知DSP进入数据处理阶段。
在该阶段TMS320VC5402先将图像RAM中的数据分块送到用户ROM中,然后对图像进行预处理,特征点提取等运算。
最后通过USB将结果输出给上位机。
上位机调出指纹数据库,并将提取的结果与采集的指纹数据进行比对,判断采集的指纹是否与库中指纹匹配,最后给出结论。
指纹识别的处理流程如下图所示：
指纹处理过程可分为三个阶段:
（1）获取原始指纹图像,进行预处理;
（2）提取指纹特征点;
（3）指纹识别分析判断。
在上述三个阶段中,指纹图像的预处理阶段尤为重要,该阶段对图像处理的好坏直接关系到后面两个阶段工作的开展。
本文结合TMS320VC5402的特点,重点研究指纹识别的预处理算法及其DSP实现问题,其中包括指纹的极值滤波、平滑滤波、拉普拉斯锐化、迭代二值化和该算法在DSP开发平台CCS2.2的C5000上的仿真实现。
这一问题的解决,可为未来指纹识别系统的脱机应用提供很有价值的参考。
3.2.1主程序流程
软件设计程序图
主流程就是要实现把各部分的程序连接成一个有机的整体，并能够通过液晶显示和小键盘响应实现和用户的交互。
所以，它的任务就是能够响应小键盘，根据不同的键值执行不同的操作，同时显示不同的页面。
系统主流程上图所示。
3.2.2键盘中
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