以DSP为基础的基于TMS320VC5402的虹膜识别系统

摘 要

本文是以TM320VC5402 DSP 为核心的虹膜识别系统的硬件设计 ,提出了一种由FPGA 、 OV5017 与 TMS320VC5402 组成的DSP 应用硬件平台 ,并详细介绍了系统的设计方案和关键硬件的结构设计以及软件设计方法。

关键词: DSP 虹膜识别 TM320VC5402

1 概述

在高度信息化的现代社会, 信息安全问题日益受到人们的关注。近年来兴起的生物特征识别技术具有很好的可靠性，虹膜识别技术是一种最新的生物识别技术 ,它以虹膜识别算法为基础 ,可达到优异的识别准确度 ,即使全人类的虹膜信息都录入到一个数据库中 ,出现认假和拒假的可能性也很小。由于虹膜识别技术所具有的高精度使它被广泛应用于各识别领域。本系统使用的核心处理器是德州仪器公司 ( TI) 的TMS320VC5402(以下简称 C5402) ,该芯片为一款性价比较高的定点数字信号处理器(DSP) 。它采用先进的修正哈佛(Harvard)结构体系 ,片内共有 8条总线、 CPU 、 片内存储器和外围电路等硬件 ,加上高度专业化的指令系统 ,使其具有功耗小、 高度并行等特点。下面着重讨论基于该芯片的系统设计。 2 硬件设计

2.1 系统硬件结构

本 系 统 由 C5402、CCD 、 Flash 存储器、 SRAM 等芯片组成 ,如图 1 所示。

图1 系统硬件框图

FLASH 存储器AT29LV020

SDRAM 存储器 K4556132E CF 卡 EMIF

TMS320VC5402 VP2 VP0 VDD

CCD A/D 转换器TVP5145 CPLD MAX3000 LCD 显示器 电源 TPS3307

CCD 机负责虹膜图像的采集 ,SDRAM 用于程序执行和虹膜数据暂存。FLASH 实现 OV5017 配置、 虹膜图像存储空间的地址生成、C5402 寻址片外存储器的页地址管理和 C5402 与外围器件之间通信的仲裁等功能。RS2232 用于数据传输 ,PC 可以通过该接口得到虹膜特征数据 , Flash 存储器用于存储程序、 初始化数据和虹膜特征数据库。键盘用于用户输入 ID 号 ,系统依据用户 ID 号从虹膜特征库中读样本图像编码数据。

2.2 虹膜图像采集硬件设计

本文选用 Omni Vision 公司的 OV5017 作为图像采集芯片。OV5017 是一种高度集成的黑白数字摄像芯片 ,集成了 CMOS 传感技术。带有一个1/ 4英寸镜头 ,并支持多种格式。像素数最大可达384 ×288。支持外部水平、 垂直同步输入格式 ,包括8bit 的A/ D 转换器 ,支持模拟视频、 数字视频输出。该芯片数字视频输出为不间断比特流 ,片内可实现包括帧速率、 曝光设定以及图像大小编程等功能。OV5017 与 FPGA 的接口如图 2 所示。

图2 OV5017 与 FPGA 的接口

图中 FPGA 为一片 Altera 公司的 EPM9320215 ,用于初始化 OV5017 的控制寄存器 ,图像数据地址生成以及把采集来的虹膜图像存入 SRAM 存储器中。FPGA 具体功能如下:

配置 OV5017 的控制寄存器 ,A[ 0. . 3 ]为内部寄存器地址 ,D[ 0. . 7 ]复用。设置 CSB = 0、 OEB =1、 WEB = 0 ,OV5017 进入写使能状态。写 0xC4 到寄存器 FCTL ,设置 OV5017 为单帧输出模式;写0x01 到寄存器 FDIV ,设置帧速率 FR(f rame rate)为25f/ s ,像素时钟 PR(pixel rate)为3. 579 5MHz ;其他寄存器为系统默认值。虹膜图像取系统默认值 384×288。

(2) 图像数据地址生成并存储图像。图像数据地址由 FPGA 利用 OV5017 输出的行同步信号(HREF) 、 场同步信号 (VSYNC) 和图像像素时钟(PCL K)生成 ,并把采集来的一帧图像存入图像存储器中。

2.3 接口硬件设计

PCLK OEB WEB CSB HREF A[0..3] VXYNC D[0..7] I/O I/O A[0..17] I/O I/O DO[0..17] I/O AR[0..3] I/O I/O I/O DI[0..7] A[0..17] D[0..7] WE CS OE

C5402 有两个多通道缓存同步串口(McBSP) ,若要与计算机通信须把同步通信转换成异步通信。本模块中采用 Maxim 公司 MAX3111E 接口芯片 ,同一个 McBSP 实现 DSP 与PC 的通信。MAX3111E芯片中集成了 UART、 RS2232 和可编程的波特率发生器 (可用于300baud～230kbaud) 。UART具有 8 个字的接收存储 FIFO ,使处理器的开销最小 ,并且可以提供 4 个可屏蔽的中断。在保证UART和 RS2232 共同接地和供电的情况下 ,它们可以配套使用 ,也可以单独实现其功能。最大波特率为230bit / s。另外 ,本系统中还预留了一个McBSP和C5402 的 HPI接口 ,以备扩展使用。

3 系统软件设计

3.1 系统流程

系统流程图如图 3 所示。

( 1 ) 系统上电之后首先对 OV5017 和MAX3111E进行配置 ,其次经并行 16 位数据线将程序从 Flash 存储器写入 C5402 的程序存储区 ,系统进入等待状态;

(2) 用户从键盘输入个人 ID ,C5402 读取样本图像编码数据到数据缓存 ,当 CMOS数字摄像机采集触发信号传至 FPGA 时 , FPGA 利用 OV5017 提供的行场同步信号产生存储空间地址 ,将采集所得的数据存入图像存储器( SRAM) ,一帧图像存储结束之后 ,FPGA 通知C5402 ( INT0) ;

( 3) C5402利用DMA方式从图像存储器读取图像数据 ,并进行虹膜识别核心算法处理[3 ] [4 ]。本系统中虹膜图像为110 ×8kbit ,在算法编号中是以32 ×8kbit的数据为一个单