功能要求

使用指紋采集器采集指紋信息，傳送至SDRAM存儲(chǔ)。在FPGA上對(duì)指紋進(jìn)行處理和匹配，同時(shí)編寫程序使FPGA與計(jì)算機(jī)通信并且在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)據(jù)庫(kù)，使得可以使用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)完成數(shù)據(jù)管理。

性能要求

實(shí)現(xiàn)以精準(zhǔn)，快速，實(shí)用性強(qiáng)的指紋識(shí)別系統(tǒng)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的FPGA與計(jì)算機(jī)通信的功能。

系統(tǒng)要點(diǎn)

本系統(tǒng)主要難點(diǎn)在于指紋識(shí)別的算法以及XILINX 與PC機(jī)通信時(shí)所需要寫的驅(qū)動(dòng)。

方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

本系統(tǒng)采用FPGA作為核心控制芯片，通過FPC1011F傳感器采集指紋傳送至存儲(chǔ)器SDRAM存儲(chǔ)。在Spartan上運(yùn)行的指紋處理程序?qū)χ讣y信息進(jìn)行處理獲得特征點(diǎn)，并存儲(chǔ)在SDRAM中或與SDRAM中的指紋信息進(jìn)行匹配。最終，通過USB與計(jì)算機(jī)通信，使用計(jì)算機(jī)中的學(xué)生數(shù)據(jù)庫(kù)。

硬件平臺(tái)選用及資源配置

指紋傳感器FPC1011F該傳感器采用了多項(xiàng)專利，如獨(dú)立的晶圓體信號(hào)放大、傳感器表面的保護(hù)膜等。內(nèi)部具有A/D轉(zhuǎn)換，高速的SPI接口，8PIN的軟排線可以方便的接入各種系統(tǒng)。

FPC1011F指紋傳感器具有以下特點(diǎn)：
        
(1)FPC1011F芯片產(chǎn)自瑞典，采用獨(dú)特的反射式測(cè)量法，抗靜電可達(dá)正負(fù)15 kV，耐磨100萬次，已被國(guó)內(nèi)金融界公認(rèn)為銀行指定零件。
(2)采用專業(yè)的指紋識(shí)別芯片PS1802DSP和最優(yōu)化的指紋算法，指紋成像效果好。
(3)處理速度快，峰值能達(dá)到480MIPS，在1：1 000模式下，時(shí)間小于1 s。
(4)功耗較同類產(chǎn)品低，正常工作主頻120 MHz下，只有120 mW。
(5)模塊體積為35 mm×26 mm×1 mm，便于各種指紋產(chǎn)品的開發(fā)。
(6)對(duì)干濕手指有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

FPC1011F指紋傳感器含有小電容板，傳感器使用高靈敏度像素放大器，讓每個(gè)像素即使是非常微弱的信號(hào)FPC1011F都能探測(cè)到，以此提高圖像質(zhì)量。用了交替命令的并排列和傳感器電板，交替板的形式是兩個(gè)電容板，以及指紋的山谷和山脊成為板之間的電介質(zhì)。兩者之間的恒量電介質(zhì)傳感器檢測(cè)變化生成指紋圖像。
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SPI 通信接口

SPI接口主要應(yīng)用在 EEPROM，F(xiàn)LASH，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。

SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS(有的SPI接口芯片帶有中斷信號(hào)線INT、有的SPI接口芯片沒有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI)。

SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以（用于單向傳輸時(shí)，也就是半雙工方式）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時(shí)鐘），CS（片選）。

SDO – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入 。
SDI – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出 。
SCLK – 時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生 。
CS – 從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制 。

其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)（高電位或低電位），對(duì)此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能。 接下來就負(fù)責(zé)通訊的3根線了。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是SCK時(shí)鐘線存在的原因，由SCK提供時(shí)鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時(shí)鐘信號(hào)的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。

要注意的是，SCK信號(hào)線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號(hào)線。同樣，在一個(gè)基于SPI的設(shè)備中，至少有一個(gè)主控設(shè)備。這樣傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設(shè)備通過對(duì)SCK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。SPI還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號(hào)上沿或下沿采集有不同定義，具體請(qǐng)參考相關(guān)器件的文檔。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡(jiǎn)單高效。在多個(gè)從設(shè)備的系統(tǒng)中，每個(gè)從設(shè)備需要獨(dú)立的使能信號(hào)，硬件要稍微復(fù)雜一些。

SPI接口在內(nèi)部硬件實(shí)際上是兩個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位,在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號(hào)和移位脈沖下,按位傳輸,高位在前,低位在后。如圖3.4所示,在SCLK的下降沿上數(shù)據(jù)改變,同時(shí)一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。

FPC1011F口主要由4個(gè)引腳構(gòu)成：SPI_CK、SPI_DO、SPI_DI、/SS，SPI_CK是整個(gè)SPI總線的公用時(shí)鐘，SPI_DO、SPI_DI作為主機(jī)，從機(jī)的輸入輸出的標(biāo)志，SPI_DO是主機(jī)的輸出，從機(jī)的輸入，SPI_DI是主機(jī)的輸入，從機(jī)的輸出。/SS是從機(jī)的標(biāo)志管腳，在互相通信的兩個(gè)SPI總線的器件，/SS管腳的電平低的是從機(jī)，相反/SS管腳的電平高的是主機(jī)。在一個(gè)SPI通信系統(tǒng)中，必須有主機(jī)。SPI總線可以配置成單主單從，單主多從，互為主從。

SPI的片選可以擴(kuò)充選擇16個(gè)外設(shè)。

SPI接口的缺點(diǎn)：沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。

SDRAM

SDRAM：同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步是指 Memory工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

FIFO模塊

此模塊主要功能是對(duì)已經(jīng)收到的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，避免指紋數(shù)據(jù)的丟失，因此此系統(tǒng)SPI工作頻率為16MByte，而UART串口工作頻率為38MByte。所以需要設(shè)定FIFO來使得SPI和UART協(xié)調(diào)工作。

UART模塊

此模塊的主要功能是和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，把接受到的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)顯示出來。

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