基于CMOS图像传感器和USB控制器实现指纹仪的设计

2019-09-27 22:25

  迟迟不能走入婚姻。马经精品报图库资料,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SRAMCPLD构成中间高速缓冲区。

  应用AN2131QC、CPLD和OV762M设计的指纹识别系统硬件框图如图1所示:

  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M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M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:

  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]。

  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,用于向上提供中断标志;地址发生器用于产生SRAM地址(IS61C1024有17根地址线 CPLD实现的仿线中逻辑知道,当允许对SRAM写(latch_f=1)且采集的数据有效(href=1)时,pclk脉冲通过地址发生器产生地址(sync单个正脉冲将SRAM地址复位到0),将采集的数据Y[7∶M]写入SRAM中,当写满(写完一帧的32M像素×288像素)时,irq信号有效,通过中断将latch_f置低允许将SRAM数据读出(cpu_rds单个正脉冲将SRAM地址复位到0),此后cpu_rD通过地址发生器产生地址将SRAM中数据读出到USB缓冲区。上述逻辑仿线所示(由于数据线和地址线较多,故只取其中部分信号时序,cpu_datA为X表示其值根据SRAM数据总线可知,CPLD实现了对SRAM的控制,与SRAM一起组成了高速数据缓冲区。

  AN2131QC特性简介AN2131QC是基于USB1.1协议设计的,支持高速12Mb/s的传输速率,内嵌有增强型8051微控制器、8kB的RAM和一个智能USB内核的

  口,有8位数据总线位地址总线用于外部RAM扩展。其结构如图5所示。图5 AN2131QC结构简图AN2131QC内部的USB差分收发器连接到USB总线的D+和D-上。串行接口引擎(SIE)对USB总线上串行数据进行编码和译码(即实现USB协议的打包和解包工作),同时执行错误纠正、位填充及其它USB需要的信号标准,这种机制大大减轻了8051的工作,简化了固件的编程。内核微处理器是一个增强型8051,其指令周期为4个时钟周期并具有双DPTR指针,同时指令与标准8051兼容。它使用内部RAM

  固件程序和数据,上电后,主机通过USB总线将固件程序和外设特性描述符下载到内部RAM(也可以直接从板上E2P

  上读取),然后重连接,按照下载的特性描速符进行重枚举,这种设计可以实现软件的随时在线升级。

  USB快速批量传输的实现当采集的指纹数据导入了由SRAM和CPLD构成的高速数据缓冲缓冲区后,要通过USB接口将数据发送到上位PC机,AN2131QC必须先将数据读入到内部USB缓冲区,因此,AN2131QC将数据传到内部USB缓冲的速度将是整个USB数据传输速度快慢的关键。为了使USB数据传输(从外部读入数据并将之传到PC机)达到最快,需要采用很多措施,下面就设计指纹识别仪固件(AN2131QC程序)中采用的USB批量传输进行探讨。正常情况下,AN2131QC内核结构从外部读入数据到USB的端点缓冲区,要使用的汇编程序为:movx a,@dptr;读外部数据到acc寄存器incdptr;外部地址加1 incdps;切换DPTR指针(内核有双DPTR指针,用dps进行切换)

  由上述程序可知,数据在寄存器中完成操作后,都必须有一个“incdptr”和“incdps”指令来完成16位地址的增加和缓冲区指针切换。为了消除这种内部消耗,使用AN2131QC提供的一种特殊的硬件指针即自动指针(只用于内部缓冲区),8051装载USB缓冲区地址到两个AUTOPTRH (高字节地址)和AUTOPTRL(低字节地址)寄存器中,向AUTODATA写入的数据就直接存入由AUTOPTR/H2L指向的地址缓冲区中,并且内核自动增加AUTOPTR/H2L中16位地址的值。这样USB缓冲区可以像F

  O一样来顺序写入数据,节省了每次写内部USB缓冲区时的“incdptr”指令。同时内核还提供一种快速模式(只用于对外部数据操作),此模式从外部读数据“movx a,@dptr”时,直接将外部数据总线和内部缓冲区连在一起,由于使用CPLD和SRAM构成的指纹高速缓冲区具有FIFO的性质,所以使用快速模式读外部指纹数据时也节省了“incdptr”指令。将上述两种方式结合起来,读外部数据到内部缓冲区程序就只需要一条指令:movx @dptr,A(dptR存放AUTODATA寄存器地址),此指令需要两个8051机器周期(8个24MHz时钟周期)。这样,一个字节可以在333ns内读入到USB端点缓冲区。

  在USB接口数据传输一侧,当PC机要对一特定端点进行读数据并发送IN令牌,如果一个IN令牌到达时8051还没有完成向USB端点缓冲区的数据装载(读外部数据),AN2131QC就发送一个NAK握手信号来响应IN令牌,表明PC机应该在稍后再发送一个IN令牌。为了解决这种等待从而达到最快的传输速度,可以使用双缓冲技术(端点配对),使8051在前一个数据包在USB总线上传输的时候,装载块数据的下一个数据包。

  结论利用CMOS数字图像传感器OV762M和USB控制器AN2131QC实现的指纹仪结构简单,体积小,使用方便。指纹识别系统中使用CPLD技术实现了高速缓冲,解决了速度时序匹配问题;使用了快速批量USB传输技术实现了数据的快速传输,使指纹数据的传输达到最高速(每帧传输只用80Ms)。使用现论述的方法实现的指纹仪采集的指纹数据经PC机重现后效果如图6所示(左图是未经任何处理的重现,右图是经过平滑、细化等算法处理后的重现)。

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BUS供电 低功耗运行是便携式设备的理想选择符合IEC-61000-4-2接触放电(±9 kV)和气隙放电(±9 kV)ESD额定值 单独的I /O电源,工作电压低至1.65 V 满足USB挂起的极低功耗当前要求 无电源排序要求 应用 移动电话电话 个人数字助理(PDA) 掌上电脑参数 与其它产品相比 USB 控制器和收发器   ESD HBM (kV) USB Speed (Mbps) App Proc Local Bu...发表于2018-10-16 11:19•8次阅读

  TUSB1210是一款USB2.0收发器芯片,旨在通过ULPI接口与USB控制器连接。该器件支持所有USB2.0数据速率(高速480 Mbps,全速12 Mbps和低速1.5 Mbps),并兼容主机和外设模式。该器件还支持UART模式和传统ULPI串行模式。 TUSB1210还支持USB 2.0规范的OTG(Ver1.3)可选附录,包括HNP和SRP。 发射机中的DP /DM外部元件补偿补偿了串联阻抗的变化,以便与数据线阻抗和接收器输入阻抗匹配,以限制数据反射,从而改善眼图。 以下应用部分中的信息不是TI组件规范的一部分,TI不保证其准确性或完整性。 TI的客户负责确定组件的适用性。客户应验证并测试其设计实现,以确认系统功能。 特性 USB2.0 PHY收发器芯片,设计用于通过ULPI接口与USB控制器接口,完全符合: 通用串行总线规范版本的On-The-Go补充说明1.3 UTMI +低引脚接口(ULPI)规范 Rev。 1.1 ULPI 12针SDR接口 DP /DM线路外部元件补偿(专利号US7965100 B1) 主机,外设和OTG设备的接口核心;针对具有内置USB OTG设备核心的便携式设备或系统ASIC进行了...

  TUSB1106-Q1 汽车类高级通用串行总线通用串行总线(USB)收发器与通用串行总线-Mbit /s)和低速(1.5-Mbit /s)数据速率下,此设备都能发送和接收串行数据.TUSB1106-Q1能够用作USB设备收发器或者USB主机收发器。 此设备允许USB专用IC(ASIC)和可编程逻辑设备(PLD),具有1.65 V至3.6 V的电源供电电压,到通用串行总线的物理层接口。它是集成的5-V至3.3-V电压调节器,用于通过USB电源VBUS进行直接供电。 TUSB1106-Q1只允许差分输入模式,封装方式为PW封装。 TUSB1106-Q1是便携式电子设备,例如手机,个人数字助理,信息装置和数码相机的理想选择。 特性 符合汽车应用要求 与通用串行总线-Mbit /s)和低速(1.5-Mbit /s)通率V-sub

  BUS sub

  V BUS 通过V P 和V M 的断开指示 用作为USB设备收发器或者USB主机收发器 在SE0条件下的稳定RCV输出 2个具有滞后功能的单端接收器 是低功耗便携式设备的理想选择 支持I /O电压范围为1.65 V至3.6 V 封装方式为超薄紧缩小型封装[TSSOP(PW)] 参数 与其它产品相比 USB...

  TUSB1211器件是一款USB2.0收发器芯片,可通过ULPI接口连接USB控制器。该器件支持所有USB2.0数据速率(高速480Mbps,全速12Mbps以及低速1.5Mbps),兼容主机和外设模式。此外,TUSB1211还支持UART模式及原有ULPI串行模式。 TUSB1211器件支持USB2.0规范相关的OTG(1.3版)可选附件,包括主机协商协议(HNP)和会话请求协议(SRP).TUSB1211还支持USB电池充电规范版本1.1:在DP /DM线路集成一个充电器检测模块来实现感测和控制,在ID线路集成ACA(辅助充电适配器)来实现检测和控制。 发送器中的DP /DM外部组件补偿可对串联阻抗中的变化进行补偿,以匹配数据线路阻抗和接收器输入端阻抗,限制数据反射,从而改善眼图。 特性 USB2.0物理层(PHY)收发器芯片,可通过ULPI引脚接口连接USB控制器,其完全符合: 通用串行总线版 UTMI +低引脚接口(ULPI)规范1.1版 DP /DM线路外部组件补偿(专利号US7965100 B1) 连接主机,外设和OTG器件内核的接口;针对便携式器件或具有内置USB OTG器件内核的系统ASIC进...

  TUSB3410器件提供USB端口和增强型UART串行端口之间的桥接。该器件包含一个带有16KB RAM的8052微控制器单元(MCU),可通过I 2 C从主机或外部板载存储器加载。该器件还包含10KB ROM,允许MCU在引导时配置USB端口。 ROM代码还包含一个I 2 C引导加载程序。所有器件功能(例如USB命令解码,UART设置和错误报告)均由内部MCU固件与PC主机一起管理。 特性 完全符合USB 2.0全速规格:TID#40340262 支持12 Mbps USB数据速率(完整速度) 支持USB挂起,恢复和远程唤醒操作 可配置为总线供电和自供电操作 支持总共三个输入和三个输出(中断,批量)端点 集成8052微控制器: 256×8 RAM用于内部数据 10K×8 ROM(带USB和I 2 C Bootloader) 16K×8 RAM用于可从主机加载的代码空间或I 2 C端口 2K× 8用于数据缓冲区和端点描述符块(EDB)的共享RAM 主设备I 2 用于EEPROM设备访问的C语言控制器 MCU工作在24 MHz,提供2 MIPS操作 128 ms看门狗定时器 增强型UART功能: 软件和硬件流控制 自动RS-485总线收发器控制,带和无Echo 可选...

  TUSB6250是一款支持USB 2.0 HS的功能控制器,具有集成的UTMI兼容PHY。 TUSB6250用作使用标准ATA或ATAPI接口的存储设备的USB 2.0到ATA /ATAPI桥接器。 TUSB6250旨在利用状态机的快速性能和可编程性以及灵活性嵌入式微控制器和固件。凭借微控制器单元(MCU)与状态机之间的精细平衡,除了嵌入式快速MCU(最高30 MIPS),8个可配置端点,高达40K字节的可配置代码和数据缓冲SRAM之外,TUSB6250还提供一种桥接解决方案,可满足下一代外部存储设备的性能和灵活性要求。凭借低功耗USB 2.0集成PHY,TUSB6250还支持线高速总线供电应用。 特性 通用串行总线(USB) 完全符合USB 2.0规范:TID#40390418 集成USB 2.0 UTMI兼容收发器(PHY) 支持USB高速(HS,480 Mbits /sec)和全速(FS,12 Mbits /sec) 支持USB挂起/恢复和远程唤醒操作 通过使用片上唯一芯片ID支持USB设备唯一序列号 支持八个可配置端点(四个输入)除了默认控制端点(端点0)之外,还有一个用户可编程缓冲区大小的四个输出: 每个端点都可以配置为中断和批量(双缓...

  TUSB9261-Q1是基于ARM Cortex M3微控制器的通用串行总线到串行ATA(SATA)桥接器。它提供必要的硬件和固件,以实现符合USB连接SCSI协议(UASP)的大容量存储设备,适用于将SATA兼容硬盘驱动器(HDD)和固态磁盘驱动器(SSD)桥接到USB 3.0总线。固件还实现了大容量存储类仅批量传输(BOT),用于将光盘驱动器和其他兼容的SATA设备桥接到USB总线。除UASP和BOT支持外,还支持USB人机接口设备(HID)接口,用于控制通用输入/输出(GPIO)。 SATA接口支持gen1(1.5-Gbps)和gen2(3.0-Gbps),电缆长度可达2米。 该器件采用64引脚HTQFP封装,工作温度范围为40°C至85°C。 特性 符合汽车应用要求 AEC-Q100符合以下例外条件: 设备CDM ESD分类等级C3 理想的桥接串行ATA(SATA)设备,如硬盘驱动器(HDD),固态硬盘(SSD),或光驱(OD)到通用串行总线(USB) USB接口 集成收发器支持SS /HS /FS信令 同类最佳自适应均衡器

  允许接收器具有更高的抖动容限 USB类支持 用于HDD和SSD的USB连接SCS...

  TUSB1210-Q1是一款USB2.0收发器芯片,可通过ULPI接口连接USB控制器。支持所有USB2.0数据速率(高速480Mbps ,全速12Mbps以及低速1.5Mbps),兼容主机和外设模式。此外,该器件还支持UART模式及原有ULPI串行模式。 TUSB1210-Q1还支持USB2.0规范相关的OTG(1.3版)可选附件,包括主机协商协议(HNP)和会话请求协议(SRP)。 发送器中的DP /DM外部组件补偿可对对联联阻抗中的变化进行补偿,以匹配数据线路阻抗和接收器输入端阻抗,限制数据反射,从而改善眼图。 特性 具有符合AEC-Q100标准的以下结果: 温度等级3:-40°C至85°C

  人体模型(HBM)静电放电(ESD)分类等级1C 充电器件模型(CDM)ESD分类等级C4B USB2.0物理层(PHY)收发器芯片,可通过ULPI 12引脚接口连接USB控制器,其完全符合: 2.0版 1.3版 1.1版 DP /DM线路外部组件补偿(专利号US7965100 B1) 连接主机,外设和OTG器件内核的接口;针对便携式器件或具有内置USB OTG器件内核的系统ASIC进行了优化 完整的USB OTG物理前端支持主机协商协议(HNP)与会线

  TUSB9261是一款基于ARM ® Cortex ® M3微控制器的USB 3.0至串行ATA桥接器。该器件提供了实现兼容USB连接SCSI协议(UASP)的海量存储设备所需的硬件和固件,此类设备适用于将传输硬盘(HDD),固态硬盘(SSD),光盘驱动器以及其他兼容的SATA 1.5Gbps或SATA 3.0Gbps设备桥接至USB 3.0总线。其固件不仅支持UASP,还可以实现海量存储设备类BOT和USB HID接口。 特性 通用串行总线(USB) 符合超高速USB 3.0标准 - TID 340730020 集成收发器支持超高速(SS)/高速(HS)/快速(FS)信令 同类产品中最佳的自适应均衡器 可使接收器获得更高的抖动容差 USB类别支持 USB连接SCSI协议(UASP) USB海量存储设备类型批量传输(BOT) 支持13种错误情况(BOT规范中定义) USB引导支持 USB人机接口设备(HID) 支持使用TI提供的应用程序通过USB进行固件更新 串行高级技术附件(SATA)接口 串行ATA规范版本2.6 Gen1i,Gen1m,Gen2i和Gen2m 支持与ATA /ATAPI -8规范兼容的海量存储设备 集成ARM Cortex M3内核...

  TUSB1105 高级串行总线通用串行总线(USB)收发器符合通用串行总线版。这些器件可以全速(12 Mbit /s)和低速(1.5 Mbit /s)数据速率发送和接收串行数据。 TUSB1105和TUSB1106可用作USB设备收发器或USB主机收发器。 这些器件支持USB专用IC(ASIC)和可编程逻辑器件(PLD),电源电压为1.65 V到3.6 V,与通用串行总线的物理层(PHY)接口。它们具有集成的5 V至3.3 V稳压器,可通过USB电源VBUS直接供电。 TUSB1105允许通过模式(MODE)输入选择单端和差分输入模式,并且可用在RGT和RTZ包中。 TUSB1106仅允许差分输入模式,提供PW,RGT,RSV和RTZ封装。 TUSB1105和TUSB1106非常适用于便携式电子设备,如手机,个人数字助理,信息设备和数码相机。 特性 兼容通用串行总线 以全速传输和接收串行数据(12- Mbit /s)和低速(1.5 Mbit /s)数据速率 集成可旁路5 V至3.3 V稳压器,用于通过USB V BUS为电源供电 VBUS断开指示通过V P 和V M 用作USB设备收发器或USB主机收发器 SE0条件下稳定的RCV输出 两个带迟...

 
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