基于STM32和FPC1011C2的指紋采集系統(tǒng)

林峰 劉林偉 馮陳偉

【摘要】 本文利用MCU STM32和電容式指紋傳感器FPC1011C2設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)。STM32通過(guò)SPI接口控制FPC1011C采集指紋圖像，并通過(guò)串口將指紋數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，在PC端完成指紋識(shí)別。該系統(tǒng)能可靠地實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的指紋圖像采集和快速的指紋識(shí)別。該采集系統(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)指紋、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 指紋采集 STM32 FPC1011C

一、引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的個(gè)人身份鑒別手段已不能完全滿足現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)安全防范系統(tǒng)的需要，人們?cè)絹?lái)越多地把目光轉(zhuǎn)向生物識(shí)別技術(shù)，如指紋，虹膜，臉型，聲音，掌紋等。在眾多生物識(shí)別技術(shù)中，指紋由于其高穩(wěn)定性，唯一性，采集方便，實(shí)用性強(qiáng)等特殊優(yōu)勢(shì)[1]，備受用戶青睞。指紋識(shí)別已經(jīng)廣泛應(yīng)用于司法、門(mén)禁、考勤、金融、社保和戶籍等安防和身份認(rèn)證領(lǐng)域。指紋識(shí)別系統(tǒng)的組成由指紋采集和指紋識(shí)別兩部分組成。指紋采集是指紋識(shí)別的前提，其關(guān)鍵是選擇一款性能優(yōu)越，價(jià)格合適，使用方便的指紋傳感器。眾多開(kāi)發(fā)者使用瑞典FingerPrint Cards公司的電容式面裝指紋傳感器FPC1011F和FPC1011C系列[2][3][4][5]。本文使用FPC1011C2和ST公司的STM32107VCT，STM32通過(guò)SPI接口進(jìn)行指紋采集，并通過(guò)串口將采集到的指紋圖像發(fā)送至上位機(jī)，在上位機(jī)端實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別。

二、FPC1011C的硬件特性

一般半導(dǎo)體使用直接測(cè)量法，探測(cè)到的手指信號(hào)微弱，造成指紋圖像不穩(wěn)定。而FPC1011C使用發(fā)射式測(cè)量法，增強(qiáng)探測(cè)信號(hào)，可采集到高質(zhì)量的指紋圖像。它具有以下主要特點(diǎn)：抗靜電大于15KV，耐磨高達(dá)100萬(wàn)次，工作電壓為2.5v或3.3v，傳感器陣列為152x200點(diǎn)，分辨率為363dpi，內(nèi)置8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，高速的SPI接口。

2.1 采集原理

FPC1011C內(nèi)部的功能框圖如圖1所示。它屬于電容式傳感器，內(nèi)部包含一個(gè)152行200列的傳感器陣列，當(dāng)手紙按壓傳感器表面，所有金屬電極充當(dāng)一個(gè)電容板，接觸傳感器表面的手指充當(dāng)另一個(gè)電容板，器件表面的保護(hù)層作為兩極板的絕緣層。指紋紋理的凹凸會(huì)在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容，引起二維陣列上電壓的變化。通過(guò)采樣保持電路以及A/D轉(zhuǎn)換器，獲得高質(zhì)量的指紋圖像。每次通過(guò)讀取傳感器內(nèi)部FIFO的SPI指令捕獲8個(gè)像素，逐次捕獲可完成一行指紋數(shù)據(jù)的采集，捕獲完所有的行便形成一幅完整的指紋圖像。可以通過(guò)設(shè)置內(nèi)部相關(guān)寄存器的值改變指紋圖像的尺寸。

2.2 寄存器及指令

在SPI模式下，通過(guò)指令對(duì)FPC1011C的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，完成對(duì)FPC1011C的設(shè)置以及指紋數(shù)據(jù)的采集。共有14條讀寫(xiě)指令和9個(gè)控制寄存器。主要的寄存器以及指令功能如下：（1）STATUS寄存器：包含F(xiàn)IFO的狀態(tài)信息；（2）DRIVC寄存器：設(shè)置連接驅(qū)動(dòng)電壓幅度的大小；（3）ADCREF寄存器：設(shè)置AD轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍；（4）SENSEMODE寄存器：選擇測(cè)試模式。正常工作模式下，該寄存器應(yīng)被清楚。（5）SPISTAT：包含SPI接口的狀態(tài)信息。（6）SPI指令，指令代碼和功能描述如表1所示。

2.3 SPI時(shí)序

在指紋采集電路中，F(xiàn)PC1011C被設(shè)置為從機(jī)。在SPI從模式中，傳感器支持的傳輸模式為MODE0，即CPOL=0，CPOH=0，如圖2所示。

具體的時(shí)序要求如下：①在數(shù)據(jù)傳輸中，SCS保持低電平；②MOSI線上的數(shù)據(jù)在SCK的上升沿被采樣；③SCK在空閑狀態(tài)時(shí)，可為高電平，也可為低電平；④MISO線上的數(shù)據(jù)在SCK的下降沿發(fā)生變化；⑤最高位先被移出，最低位最后被移出；⑥一次接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都是8位。

FPC1011C通過(guò)SPI執(zhí)行讀寫(xiě)寄存器命令的時(shí)序如下圖3和圖4所示。

寫(xiě)寄存器時(shí)，主機(jī)首先發(fā)送命令字節(jié)，然后是參數(shù)字節(jié)。讀寄存器時(shí)，主機(jī)首先發(fā)送讀取命令和相應(yīng)參數(shù)，然后FPC1011C在SPI_DO上返回1個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)。

三、基于FPC1011C的指紋采集系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本指紋采集系統(tǒng)以ST半導(dǎo)體的STM32107F為核心處理器。STM32107F是基于第二代ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的互聯(lián)型32位微處理器，集成了各種高性能的標(biāo)準(zhǔn)接口如以太網(wǎng)，USB，CAN，I2C，I2S等，適用于儀器儀表、工業(yè)控制、通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域。主頻達(dá)到72MHz，能夠滿足指紋采集的需求。該控制器自帶串行外圍SPI接口，能夠很方便地與FPC1011C連接。具體硬件電路如圖5所示。將PA口配置成SPI功能，PA5，PA6，PA7分別作為SPI的SCK，MISO，MOSI與FPC1011C的CK，DI和DO連接，PB9作為FPC1011C的片選信號(hào)。為了將采集到的指紋數(shù)據(jù)發(fā)送至PC，將STM32的USART通過(guò)MAX232與PC連接。

3.2 指紋采集軟件

指紋采集的總體流程如圖6所示。首先進(jìn)行STM32和FPC的初始化，然后檢測(cè)是否有指紋，如果有，則讀取指紋數(shù)據(jù)并傳送至上位機(jī)，完成指紋的采集。STM32的SPI相關(guān)的初始化代碼為：

RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_SPI2，ENABLE）；

SPI_Cmd（SPI2， DISABLE）； //必須先禁能，才能改變MODE

SPI_InitStructure.SPI_Direction=SPI_Direction_2Lines_FullDuplex； //雙工模式

SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master； //SPI主模式

SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b； //8bit數(shù)據(jù)

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low； //CLK空閑時(shí)為高電平

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge； //CLK上升沿采樣

SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft； //片選用軟件控制

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4；//SPI頻率為18MHz

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB； //高位在前

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7； //crc7，stm32spi帶硬件ecc

SPI_Init（SPI2， &SPI_InitStructure）；

SPI_Cmd（SPI2， ENABLE）；

FPC1011的初始化主要完成三個(gè)控制寄存器的設(shè)置，包括將DRIVE寄存器設(shè)置為127，將ADCREF設(shè)置為2，將SENSEMODE寄存器設(shè)置為0。前兩數(shù)值個(gè)將影響到采集指紋圖像的質(zhì)量，其具體值根據(jù)應(yīng)用可能不同。設(shè)置的具體過(guò)程為首先通過(guò)SPI發(fā)送指令碼，再發(fā)送指令參數(shù)。

初始化后通過(guò)SPI發(fā)送RD_SENSOR指令啟動(dòng)FPC1011開(kāi)始采集指紋。然后查詢是否有指紋數(shù)據(jù)。有兩種查詢的方法，一種是在發(fā)出RD_SENSOR指令后等待365-409個(gè)時(shí)鐘，另一種是通過(guò)反復(fù)發(fā)送RD_SPISTAT指令，判斷STATUS寄存器的DA位是否為1。如果為1，說(shuō)明FPC的存儲(chǔ)陣列中已有指紋數(shù)據(jù)可用。然后通過(guò)RD_SPIDATA指令讀取指紋數(shù)據(jù)。在默認(rèn)情況下，如果沒(méi)有改變XREAD和YREAD的值，則將讀取整個(gè)傳感器的152×200個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。讀取后可將指紋數(shù)據(jù)通過(guò)串行口發(fā)送至PC，以便PC端的指紋識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)指紋的識(shí)別。

上位機(jī)端可利用Visual C++ 或Visual Studio等開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)相應(yīng)的上位機(jī)界面。上位機(jī)接收串口的數(shù)據(jù)，形成BMP圖像并顯示。本設(shè)計(jì)采集到的指紋數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。

3.3 指紋識(shí)別

指紋識(shí)別流程包括預(yù)處理，特征點(diǎn)提取和匹配。在取到指紋圖像之后，由于采集的過(guò)程及采集設(shè)備的限制，難免會(huì)使圖像受到“污染”，同時(shí)原始圖像信息量過(guò)高，不利于存儲(chǔ)，所以需經(jīng)過(guò)預(yù)處理的過(guò)程。預(yù)處理是由于主要包含指紋圖像的平滑，濾波，增強(qiáng)，二值化，細(xì)化等步驟。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，提取出有用的特征點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，最后輸出比較結(jié)果。

四、總結(jié)

本文利用STM32F107和FPC1011C實(shí)現(xiàn)一個(gè)指紋采集系統(tǒng)，在PC端實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別，利用PC的高性能，滿足實(shí)時(shí)工作的需求。同時(shí)STM32強(qiáng)大的控制能力使得本系統(tǒng)可以應(yīng)用于門(mén)禁，保險(xiǎn)等諸多領(lǐng)用領(lǐng)域。本文接下來(lái)要做的是將指紋識(shí)別算法移植到DSP上，構(gòu)建一個(gè)基于DSP的嵌入式的指紋識(shí)別系統(tǒng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李春雷. 指紋識(shí)別算法的研究及基于FPGA的硬件實(shí)現(xiàn). 山東：山東大學(xué)，2005

[2] 楊磊，張文超，秦會(huì)斌. 基于STM32的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)電工程，2011（12），1531-1535

[3] 陳淑靜，馬天才. 基于FPC1011F的指紋識(shí)別系統(tǒng)[J]. 山西電子技術(shù)，2009（5），32-33

[4] 李爽. 基于FPC1011C電容式傳感器指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 信息與電腦，2010（6），30-31

[5] 陳文燕，劉良勇. 指紋傳感器FPC1011F在ARM9指紋采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（5），642-647