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基于FPGA的指纹识别模块设计方案

2018年02月14日 08:56 次阅读

项目背景及可行性分析

本项目名称是:基于FPGA的指纹识别模块设计。

主要内容为:本模块采用xilinx公司的Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作为核心控制芯片,通过富士通公司的MFS300滑动式电容指纹传感器对指纹图象进行提取,然后对提取的指纹图像进行灰度滤波、图像增强、二值化、二值去噪、细化等预处理,得到清晰的指纹图象,再从清晰的指纹图象中提取指纹特征点,存入外部FLASH作为建档模板。指纹比对时,采用同样的方法获得清晰的指纹图像,建立比对模板,然后将比对模板与建档模板利用点模式匹配算法进行比对,得出比对结果。该模块利用嵌入式软核实现系统的管理,利用硬件实现指纹识别,保证了系统功能的完整性与识别的正确性。该识别模块可用于门禁、考勤、安检、保险箱柜等很多方面,也可和计算机等设备联机使用,满足各个方面的不同需求,因此它的设计具有很广泛的应用前景和市场价值。

项目关键技术及创新点的论述;

2.1项目的关键技术

2.1.1 指纹图像的采集

本模块利用美国富士通公司的MFS300滑动式电容指纹传感器对指纹图像进行提取和保存。这款指纹传感器采用标准CMOS 技术,含有8 位A/D 变换器,能在2.8 V~5 V 的宽电压范围内工作,能自动检测到是否有指纹到达传感器,并实现在线采集。它能在保证指纹图像高分辨率(500dpi)的同时大大减小了传感器的尺寸(13.3&TImes;3.6mm2)。然后XC3S500E利用其SPI端口通过读写MFS300内部的寄存器,实现对它的控制,以完成指纹采集的任务。

2.1.2 指纹图像的预处理

图像预处理的主要步骤包括:方向图计算、图像增强、二值化、二值去噪、细化等。预处理的目的是改善输入指纹图像的质量,以提高特征提取的准确性。原始指纹图像一般存在噪声污染、脊线断裂或脊线模糊等问题,需要进行图像增强(使用滤波技术)以改善质量。由于指纹特征仅包含在脊线的形状结构中,所以,通过二值化和细化把深浅不一、宽度不同的脊线变成灰度相同、单像素宽的细脊线,以便于特征提取。

2.1.3 指纹图像的特征提取与比对

系统通过细节特征提取算法对预处理后的指纹图像进行全局特征和细节特征的提取,将获得指纹图像特征参数存入外设FLASH中,建立指纹数据库。在识别模式时,系统用同样的方式提取指纹图像特征参数,存入扩展SRAM中,然后将外设FLASH和扩展SRAM中的数据利用点模式匹配算法进行比对,最终将比对结果输出。

2.1.4 系统整体需要考虑的问题

有效的指纹辨识系统不仅仅依赖于辨识算法,还需要考虑很多其他方面的问题,它包括注册和辨识过程、排斥欺骗和安全考虑等。我们必须对这些问题提出应对办法,才能实现有效的辨识。

2.2 系统创新点

纵览全球诸多指纹识别事件:出入关按指纹、开门按指纹、领社保按指纹、上班考勤按指纹、幼儿园接送孩子按指纹、银行取款按指纹、超市购物按指纹付款、洗衣服按指纹进行分工、打手机按指纹、上电脑按指纹等等新现象层出不穷,指纹识别已经与人们的生活休戚相关。指纹化产品呈现出广阔的市场开发前景和巨大的利润空间。

由于此开发板具有VGA、RS232、键盘/鼠标等接口,可以很方便的在很多产品得到应用,使产品具有指纹识别的功能。例如,它可以与指纹保险箱(柜)、指纹门锁、IC卡系统、汽车启动系统连接使用,也可以统购RS232和计算机等设备联机使用。同时,目前的指纹识别认证系统大都采用DSP或者ARM来实现,这样的嵌入式系统很难实现小型化集成化,更无法SOC,使得指纹识别在小型化便携式产品中的应用得到局限,而本模块以FPGA作为核心控制系统,由于FPGA具有高度集成、低功耗、短开发周期等优点,所以如果本模块设计成功,可以实现指纹识别模块的小型化、集成化和SOC,使得指纹识别可以应用到更多的领域,为人们的生活带来更多的便利和安全,同时也具有更广阔的市场开发前景和更大的利润空间。

技术成熟性和可靠性论述

本模块采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作为核心控制芯片,这款芯片采用90ns的先进工艺,最大容量50万门,足以满足设计的要求。美国富士通公司的MFS300滑动式电容指纹传感器采用标准CMOS 技术,含有8 位A/D 变换器,能在2.8 V~5 V 的宽电压范围内工作,能自动检测到是否有指纹到达传感器,并实现在线采集。它能在保证指纹图像高分辨率(500dpi)的同时大大减小了传感器的尺寸(13.3&TImes;3.6mm2)。系统利用XC3S500E的SPI端口和MPS300进行数据传输,使得传输更方便,传输速度更快、抗干扰能力更强。再加上该模块利用嵌入式软核实现系统的管理,利用硬件实现识别算法,保证了系统功能的完整性与识别的正确性。而识别算法我们采用美国FBI推荐的特征点匹配算法来实现指纹的识别,更保证了系统功能的实现。

项目实施方案

1.方案基本功能框图及描述

用框图的方式并加以简单的描述简述实施本项目的技术方案。

图1 系统结构框图系统采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作为核心控制芯片,通过MFS300滑动式电容指纹传感器进行指纹图象的采集,自动A/D转换,并将转换后的数字信号通过SPI端口传送给FPGA核心控制单元,以进行指纹登记或指纹对比。内扩展的SRAM和Flash 分别用作存储指纹程序运行时的临时数据和指纹数据信息。PROM在上电时对FPGA 进行程序配置。键盘用于实现模块模式的切换和模块密码设置等功能。RS23接口可以与计算机等设备进行联机操作,方便系统功能的扩展。该系统利用嵌入式软核实现系统的管理,利用硬件实现识别算法,保证了系统功能的完整性与识别的正确性。

2.需要的开发平台

实现本方案所需要的基本功能、功能、接口

所需要的目标FPGA开发平台,简述为什么需要此平台

是否需要其它配套的开发工具

需要的硬件开发平台是:初级板Spartan-3E

以partan 3E系列XC3S500E型FPGA作为核心控制系统,利用其SPI端口访问MFS300传感器的寄存器实现数据采集任务,在其内部嵌入DSP软核,实现对图像的预处理、特征参数的提取和匹配,利用其外设FLASH存储指纹数据信息,建立指纹数据库;通过LCD显示模块建立人机交互界面等。

需要的软件开发平台是:Xilinx ISE 9.1i、Matlab等;

利用Xilinx ISE 9.1i完成对FPGA的控制,利用Matlab实现滤波器的仿真,算法的研究,软核的制作等。

3.方案实施过程中需要开发的模块

在本方案中需要研制、开发的功能主要模块,以及开发的方式

需要具体开发的模块包括数据采集模块、原始图像的预处理模块、算法识别验证模块(通过Matlab实现Dsp算法,作为软核嵌入FPGA)、键盘操作模块、LCD显示模块等。

4.系统最终要达到的性能指标

论述本项目最终完成时所设想达到的目标。

能准确有效地完成指纹特征参数的提取和指纹的辨识验证。

需要的其它资源

1.设计输入输出功能子板

子板功能描述、接口说明、时间、方式

需要美国富士通公司的MFS300滑动式电容指纹传感器一个

按键16个

LCD一块

2.测试设备

列出在方案实施过程中所需要的测试设备(万用表、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等)

需要的测试设备有万用表、示波器、逻辑分析仪、电源等。

3.方针、开发工具

列出在方案实施过程中所需要的仿真、开发工具等。

仿真工具用Modelsim,开发工具包括Ise、Matlab等

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发表于 2018-03-13 14:09 650次阅读
CAN总线结构与CAN总线标准帧

传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

相信每一个电子工程师在项目开发的过程中都不可避免的要进行方案的调试,除了模拟调试我们还必须进行真机调...

发表于 2018-03-13 13:54 555次阅读
传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

在Pin Planner界面最下面出现的“Node Name”一列中,有我们的3个信号接口,这里“L...

发表于 2018-03-13 10:09 489次阅读
PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

3D图像传感器系统结构包含两只CMOS型图像传感器及缓存图像数据的SDRAM,为了对两只图像传感器...

发表于 2018-03-13 09:55 570次阅读
人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

JTAG模式在线下载FPGA的原理如图7.15所示,PC端的Quartus II软件通过下载线缆将b...

发表于 2018-03-13 09:46 491次阅读
AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

莱迪思发布新一代FPGA设计软件 适用于开发低功...

莱迪思半导体公司布推出全新的FPGA设计软件——Lattice Radiant™,适用于需要开发低功...

发表于 2018-03-12 15:52 153次阅读
莱迪思发布新一代FPGA设计软件 适用于开发低功...

献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

在进行FPGA学习的时候,我遇到过问题停滞不前,试验没有进展,心情沮丧的时候。那时对底层硬件一无所知...

发表于 2018-03-12 14:18 846次阅读
献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

三星Note 9将放弃屏下指纹识别功能

北京时间3月9日午间消息,KGI著名分析师郭明錤推测,三星将会在Note 9设备上放弃使用备受期待的...

发表于 2018-03-12 11:36 61次阅读
三星Note 9将放弃屏下指纹识别功能

FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在P...

发表于 2018-03-12 10:35 562次阅读
FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA控制的无人机电源管理系统

工业电子产品的发展趋势是更小的电路板尺寸、更时尚的外形和更具成本效益。由于这些趋势,电子系统设计人员...

发表于 2018-03-12 09:48 2943次阅读
FPGA控制的无人机电源管理系统

一个电子工程师的硬件初学之路分享

抱着热情,自己后来一点一点地深入的学习fpga,一些常规逻辑电路的设计,包括逻辑门电路、数据选择器、...

发表于 2018-03-09 16:45 656次阅读
一个电子工程师的硬件初学之路分享

初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

各种方案虽然只是初步的了解一些,但是发现这方面虽然有类似SOPC概念的海思和TI双核解决方案,而且是...

发表于 2018-03-09 14:19 651次阅读
初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

指纹识别在嵌入式IoT系统中的实现和设计要点

作者:上海润欣科技股份有限公司创研社 前言 随着指纹识别在智能手机上面的普及,指纹识别技术在越来越多...

发表于 2018-03-09 10:08 822次阅读
指纹识别在嵌入式IoT系统中的实现和设计要点

人脸识别和指纹识别谁的安全性更高

智能手机的更新换代使得指纹识别的 普及率相对最高, 人脸识别大家更常见的可能是在考勤打卡, 人脸识别...

发表于 2018-03-08 17:25 528次阅读
人脸识别和指纹识别谁的安全性更高

魅蓝E3信息曝光 毫无秘密可言

在微信朋友圈公布了魅蓝E3的售价与外观,据悉魅蓝E3将有蓝、黑、金三种配色,2299元起接受独家预订...

发表于 2018-03-07 11:00 315次阅读
魅蓝E3信息曝光 毫无秘密可言

这家公司也开发出了屏下指纹识别技术

Japan Display公司已经宣布,自己开发出了一款可以嵌入到玻璃种的指纹识别传感器,外界认为这...

发表于 2018-03-05 18:40 703次阅读
这家公司也开发出了屏下指纹识别技术

全面屏时代 面容识别和屏下指纹识别到底谁将主宰市...

进入全面屏时代的苹果 iPhone 已经放弃了指纹识别,转向面容识别的怀抱。而安卓阵营这边,屏下光学...

发表于 2018-03-05 16:39 584次阅读
全面屏时代 面容识别和屏下指纹识别到底谁将主宰市...

主动噪声控制平台的FPGA实现

主动噪声控制平台的FPGA实现。基于FPGA搭建了针对汽车的主动噪声控制平台,此平台可以正确实时地采...

发表于 2018-03-05 10:34 569次阅读
主动噪声控制平台的FPGA实现

学习硬件必须掌握的基础知识点总结

如果你认为这么多书,怎么看都看不完。那是以一种静止、偏面的观点来分析问题了。其实上介绍那么多课,很多...

发表于 2018-03-04 15:28 1172次阅读
学习硬件必须掌握的基础知识点总结

基于FPGA的惯性导航系统设计

惯性导航系统(INS,Inertial Navigation System)也称作惯性参考系统,是一...

发表于 2018-03-04 09:25 83次阅读
基于FPGA的惯性导航系统设计

基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

本文主要介绍了基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设计。利用GPS提供的1pps秒脉冲信号...

发表于 2018-03-02 14:55 310次阅读
基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

opopr13什么时候上市?后置指纹+骁龙670

网上关于OPPO R13的消息已经接踵而来,据悉这款手机将会配置和去年iPhone X类似的刘海式全...

发表于 2018-02-28 17:09 1962次阅读
opopr13什么时候上市?后置指纹+骁龙670

基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

由于超级电容器单体性能参数的离散性,当多个单体串联组成电容器组时,在充放电过程中容易造成过充或过放现...

发表于 2018-02-28 08:40 416次阅读
基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

英特尔宣布开始发售英特尔® Stratix® 10 TX FPGA ,这也是业内唯一一款采用 58G...

发表于 2018-02-27 11:55 483次阅读
英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

针对Linux BSP开发的Petalinux,...

本实验工程将介绍如何利在赛灵思异构多处理器产品系列 Zynq UtralScale+ MPSoC ...

发表于 2018-02-27 11:01 4883次阅读
针对Linux BSP开发的Petalinux,...

基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

FIR数字滤波器在数字信号处理的过程中有很好的线性相位和稳定性,被广泛应用于音频处理、语音处理、信息...

发表于 2018-02-26 18:44 228次阅读
基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

如何经济的设计一个新的芯片

我们最近与Bunny Huang进行了有趣的交流,他是硬件大师以及Chumby,NetTV和Nove...

发表于 2018-02-24 10:53 931次阅读
如何经济的设计一个新的芯片

指纹识别市场被看淡 2019年渗透率仅63%

随着人脸识别的新起,以往的传统的指纹识别市场已经被外资看淡。更具有关数据分析,2019年指纹识别市场...

发表于 2018-02-24 10:03 175次阅读
指纹识别市场被看淡 2019年渗透率仅63%

指纹识别传感器的分类和实现解析

我们了解过了指纹识别的大致流程后,这篇文章用来介绍指纹识别硬件中最重要的部分,传感器。其实传感器、芯...

发表于 2018-02-23 07:58 313次阅读
指纹识别传感器的分类和实现解析