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基于USB传输及CMOS图像传感器的指纹识别仪的实现

发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:442

严家喜,李 昂,史延东

   摘要: 介绍了基于cmos图像传感器ov762m和ez—usb an2131qc usb数据传输的指纹识别仪硬件实现,为匹配时序使用了cpld技术实现了高速缓冲区,并重点对usb批量快速传输和cpld缓冲控制的实现进行了讨论。由此方法实现的指纹识别系统反应灵敏,稳定可靠。

关键词: cmos图像传感器;指纹识别仪;ov7620;an2131qc;cpld

引 言

cmos图像传感器是近年来得到快速发展的一种新型固态图像传感器。它将图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片里,体积明显减小、功耗也大大降低,满足了对高度小型化、低功耗成像系统的要求。与传统的ccd图像传感器相比,cmos图像传感器还具有集成度高、控制简单、价格低廉等诸多优点。因此随着cmos集成电路工艺的不断进步和完善,cmos图像传感器已经广泛应用于各种通用图像采集系统中。同时作为一种pc机与外围设备间的高速通信接口,usb具有许多突出的有点: 连接简便,可热插拔,无需定位及运行安装程序,无需连接外设时关机及重启系统,实现真正的即插即用;高传输速率,usb1.1协议支持12mb/s;不占用系统硬件资源,能够自动检测和配置外围设备,不存在硬件冲突问题。

因此,利用cmos数字图像传感器与usb接口数据传输来实现的指纹识别仪具有结构简单,体积小,便携化等优点。现将介绍利用omnivision公司的cmos彩色数字图像传感器ov762m和cypress公司的ez—usb an2131qc usb控制传输芯片(内部集成了增强形51内核)来实现指纹信息的采集和usb传输,同时由于指纹传感器输出数据的速率(27mb/s)与usb控制器(an2131qc)数据传输速率(12mb/s)的不匹配,故系统采用了sram和cpld构成中间高速缓冲区。

系统结构

应用an2131qc、cpld和ov762m设计的指纹识别系统硬件框图如图1所示:

图1 指纹识别硬件系统简略框架图
  
首先,an2131qc通过i2c对指纹识别传感器(ov7620)的窗口设置等参数进行配置,光学透镜把像成在ov762m的像面上后,cmos图像传感器(ov7620)对其进行空间采样,并按照一定的帧频连续输出8位的数字图像数据y[7∶m](输出数字图像数据的帧同步信号为vsync,水平有效信号为href,输出时钟信号为pclk)。为了实现指纹传感器输出数据与usb控制器(an2131qc)读取数据速度与时序的匹配,使用了sram(is61c1024)和cpld构成高速缓冲区,利用此高速缓冲区将ov762m采集的指纹数据缓存。最后an2131qc实现与上位机的usb通信,将高速缓冲区中数据的传输到pc机进行相应图像处理。

cmos数字图像传感器ov7620

cmos数字图像传感器ov762m集成了一个664×492 的感光阵列、帧(行)控制电路、视频时序产生电路、模拟信号处理电路、a/d转换电路、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彩色图像信号后,模拟处理电路完成诸如颜色分离与均衡、增益控制、gamma校正、白电平调整等主要的信号处理工作,最后可根据需要输出多种标准的视频信号。视频时序产生电路用于产生行同步、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,外部控制器可通过i2c总线接口设置或读取ov762m的工作状态、工作方式以及数据的输出格式等。

an2131qc通过i2c总线接口设定ov762m的寄存器来控制输出帧率在0.5帧/s~3m帧/s之间变化,输出窗口在4×2~664×492 之间可调(默认输出640×48m的标准vga格式),设置黑白平衡等。根据指纹采集的需要,窗口输出设置为: 320×288,经过设定后的ov762m输出时序如图2 所示:

图2 0v762m输出时序

  vsync是垂直场同步信号(也是每帧同步信号,cmos是按列采集图像的),其下降沿表示一帧图像的开始,href 提供了一种有效的控制方式,当输出像素行列分别处于设定窗口之间时href 为有效高电平,此时输出有效的视频数据,pclk是输出数据同步信号,上升沿输出一个有效的像素y[7∶m]。

基于cpld技术的高速数据缓冲区的实现

在由cpld和sram构成的高速数据缓冲区中,cpld充当了sram的控制器,其内部电路实现框图如图3所示:

图3 sram高速缓冲区控制器的cpld实现

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的读写允许信号,当为高电平时允许对sram写操作,为低电平时允许对sram读操作;两个8路三态门用于隔离总线,当对sram写时,输出cpu_data为高阻态,当对sram读时,将采集数据信号y [7∶m]隔离;cpu_rds,vsync为开始读写信号,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
严家喜,李 昂,史延东

   摘要: 介绍了基于cmos图像传感器ov762m和ez—usb an2131qc usb数据传输的指纹识别仪硬件实现,为匹配时序使用了cpld技术实现了高速缓冲区,并重点对usb批量快速传输和cpld缓冲控制的实现进行了讨论。由此方法实现的指纹识别系统反应灵敏,稳定可靠。

关键词: cmos图像传感器;指纹识别仪;ov7620;an2131qc;cpld

引 言

cmos图像传感器是近年来得到快速发展的一种新型固态图像传感器。它将图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片里,体积明显减小、功耗也大大降低,满足了对高度小型化、低功耗成像系统的要求。与传统的ccd图像传感器相比,cmos图像传感器还具有集成度高、控制简单、价格低廉等诸多优点。因此随着cmos集成电路工艺的不断进步和完善,cmos图像传感器已经广泛应用于各种通用图像采集系统中。同时作为一种pc机与外围设备间的高速通信接口,usb具有许多突出的有点: 连接简便,可热插拔,无需定位及运行安装程序,无需连接外设时关机及重启系统,实现真正的即插即用;高传输速率,usb1.1协议支持12mb/s;不占用系统硬件资源,能够自动检测和配置外围设备,不存在硬件冲突问题。

因此,利用cmos数字图像传感器与usb接口数据传输来实现的指纹识别仪具有结构简单,体积小,便携化等优点。现将介绍利用omnivision公司的cmos彩色数字图像传感器ov762m和cypress公司的ez—usb an2131qc usb控制传输芯片(内部集成了增强形51内核)来实现指纹信息的采集和usb传输,同时由于指纹传感器输出数据的速率(27mb/s)与usb控制器(an2131qc)数据传输速率(12mb/s)的不匹配,故系统采用了sram和cpld构成中间高速缓冲区。

系统结构

应用an2131qc、cpld和ov762m设计的指纹识别系统硬件框图如图1所示:

图1 指纹识别硬件系统简略框架图
  
首先,an2131qc通过i2c对指纹识别传感器(ov7620)的窗口设置等参数进行配置,光学透镜把像成在ov762m的像面上后,cmos图像传感器(ov7620)对其进行空间采样,并按照一定的帧频连续输出8位的数字图像数据y[7∶m](输出数字图像数据的帧同步信号为vsync,水平有效信号为href,输出时钟信号为pclk)。为了实现指纹传感器输出数据与usb控制器(an2131qc)读取数据速度与时序的匹配,使用了sram(is61c1024)和cpld构成高速缓冲区,利用此高速缓冲区将ov762m采集的指纹数据缓存。最后an2131qc实现与上位机的usb通信,将高速缓冲区中数据的传输到pc机进行相应图像处理。

cmos数字图像传感器ov7620

cmos数字图像传感器ov762m集成了一个664×492 的感光阵列、帧(行)控制电路、视频时序产生电路、模拟信号处理电路、a/d转换电路、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彩色图像信号后,模拟处理电路完成诸如颜色分离与均衡、增益控制、gamma校正、白电平调整等主要的信号处理工作,最后可根据需要输出多种标准的视频信号。视频时序产生电路用于产生行同步、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,外部控制器可通过i2c总线接口设置或读取ov762m的工作状态、工作方式以及数据的输出格式等。

an2131qc通过i2c总线接口设定ov762m的寄存器来控制输出帧率在0.5帧/s~3m帧/s之间变化,输出窗口在4×2~664×492 之间可调(默认输出640×48m的标准vga格式),设置黑白平衡等。根据指纹采集的需要,窗口输出设置为: 320×288,经过设定后的ov762m输出时序如图2 所示:

图2 0v762m输出时序

  vsync是垂直场同步信号(也是每帧同步信号,cmos是按列采集图像的),其下降沿表示一帧图像的开始,href 提供了一种有效的控制方式,当输出像素行列分别处于设定窗口之间时href 为有效高电平,此时输出有效的视频数据,pclk是输出数据同步信号,上升沿输出一个有效的像素y[7∶m]。

基于cpld技术的高速数据缓冲区的实现

在由cpld和sram构成的高速数据缓冲区中,cpld充当了sram的控制器,其内部电路实现框图如图3所示:

图3 sram高速缓冲区控制器的cpld实现

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的读写允许信号,当为高电平时允许对sram写操作,为低电平时允许对sram读操作;两个8路三态门用于隔离总线,当对sram写时,输出cpu_data为高阻态,当对sram读时,将采集数据信号y [7∶m]隔离;cpu_rds,vsync为开始读写信号,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
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