生物識別與安全
在當今世界，對有效安全實施和有效實施的需求日益明顯。必須確定個人身份以允許或禁止訪問安全區域，或使他們能夠使用計算機，個人數字助理（PDA）或移動電話。生物特徵簽名或生物特徵用於通過測量某些獨特的身體和行爲特徵來識別個人。實際上，所有生物識別技術都是使用傳感器來實現的，以從個人那裏獲取原始的生物識別數據。特徵提取，處理獲取的數據以開發代表生物特徵的特徵集；模式匹配，將提取的功能集與數據庫中存儲的模板進行比較；和決策，從而驗證或拒絕用戶聲明的身份。
指紋感應器
長期以來，指紋是最廣泛接受的生物特徵識別符之一，它是唯一且永久的。它們的圖像由多個曲線段組成，包括被稱爲山脊的高區域和被稱爲山谷的低區域。細節（脊流模式中的局部不連續性）用作區分特徵。指紋傳感器“讀取”手指表面，然後通過模數轉換器（ADC）將模擬讀數轉換爲數字形式。指紋傳感器可大致分爲光學，超聲或固態-包括電容，RF，熱和壓電設備。
由於手指最外面的乾燥，死皮細胞具有較低的電導率，因此RF傳感器會從皮膚的溼潤和導電的邊界區域獲取指紋數據，在該區域中，活細胞開始變成角質化皮膚。該活動的表面下層是指紋圖案的來源，很少受到手指表面的損壞或磨損的影響。
所述AuthenTec的®的TruePrint® ®傳感器採用埋在硅芯片和剛剛在皮膚表面下的導電層內的導電層之間的小的RF信號。RF場測量手指下面的活表皮層的脊和谷的電位輪廓。通過從皮膚上沒有受傷或污染的部位獲取數據，與僅讀取皮膚表面的光學或電容技術相比，該傳感器可產生更準確，可重複的指紋樣本。
熱電材料基於溫度差產生電壓。當手指與變暖的傳感器表面接觸時，距離傳感器表面較近的指紋凸脊所保持的溫度要高於距離傳感器表面較遠的凹谷。愛特梅爾® AT77C104B的FingerChip ®使用這種類型的熱成像的傳感器捕獲的指紋。線性傳感器，它在單個CMOS IC中結合了檢測和數據轉換電路。通過將手指掃過感應區域來捕獲指紋圖像。初次接觸時會產生圖像，但是由於達到熱平衡後很快消失，因此必須使用掃描方法來獲取穩定的指紋圖像。
如圖2所示，當手指垂直掃過傳感器窗口時，傳感器將捕獲指紋圖像，如圖2所示。手指掃動技術可確保傳感器表面保持清潔。與基於觸摸的傳感器不同，一旦移開手指，潛指紋就不會保留。該傳感器不需要外部熱，光或無線電源。片上溫度穩定功能可識別手指與傳感器之間的溫度差，並增加該差以實現更高的圖像對比度。這裏的討論將集中在基於這種熱傳感器的指紋識別系統上。
表徵指紋傳感器的主要參數包括分辨率，面積，動態範圍和像素數。分辨率以每英寸的點（或像素）（dpi）爲單位。更高的分辨率可以更好地定義峯谷之間的距離，並更好地隔離細節點，這在指紋匹配中起着主要作用，因爲大多數算法都依靠細節的重合來確定兩個指紋印記是否屬於同一手指。更大的感測範圍通常，指紋可以提供更獨特的指紋，但是將手指掃過較小的傳感器，並快速獲取和處理數據，可以使小型，低成本的傳感器獲得與較大，更昂貴的傳感器相當的清晰度。動態範圍或深度表示用於編碼每個像素強度的位數。的像素的數目在特定的幀指紋圖像中能夠從分辨率和區域導出。
AT77C104B傳感器在0.4 mm×11.6 mm的區域上具有500 dpi的分辨率，總共提供8像素×232像素，即每幀1856像素。每個像素用4位編碼，標識16個灰度等級。圖3顯示了傳感器的框圖，其中包括陣列，模數轉換器，片上振盪器，控制和狀態寄存器，導航和點擊單元，以及用於慢速和快速運行的單獨接口操作模式。慢速模式（最高可運行200 kHz）用於編程，控制和配置傳感器。快速模式可以在高達16 MHz的頻率下運行，用於數據採集。片上加熱器會增加手指與傳感器之間的溫差。爲了限制電流消耗，看門狗定時器會在指定的時間長度後停止加熱模塊。
操作方式
該傳感器實現六種操作模式：
- 睡眠模式：一種非常低功耗的模式，其中禁用內部時鐘並初始化寄存器。
- 待機模式：一種低功耗模式，等待主機採取措施。慢速串行端口接口（SSPI）和控制模塊被激活；振盪器保持活動狀態。
- 單擊模式：等待手指放在傳感器上。SSPI和控制模塊保持活動狀態。將激活本地振盪器，單擊陣列和單擊塊。
- 導航模式：計算手指越過傳感器時的x和y移動。SSPI和控制塊仍處於激活狀態；本地振盪器，導航陣列和導航塊也被激活。
- 採集模式：將切片發送到主機以進行指紋重建和識別。SSPI和控制塊仍處於激活狀態；快速串行端口接口模塊（FSPI）和採集陣列被激活。當需要看門狗定時器時，將激活本地振盪器。
- 測試模式：此模式保留用於工廠測試。
接口指紋感應到Blackfin ®處理器的串行外設接口
選擇Blackfin ADSP-BF533低成本，高性能處理器是因爲它結合了快速信號處理器和強大的微控制器的功能。它的4線全雙工同步串行外設接口（SPI）具有兩個數據引腳（MOSI和MISO），一個器件選擇引腳（/ SPISS）和一個選通時鐘引腳（SCK）。請參見圖4。SPI支持主模式，從模式和多主環境。SPI兼容外設還支持可編程的波特率和時鐘相位/極性。
該接口本質上是一個移位寄存器，可與其他SPI器件串行發送和接收數據位（以SCK速率一次發送一位）。移位寄存器可以同時發送和接收串行數據。SCK同步兩個串行數據引腳上的數據移位和採樣。
可以將SPI端口配置爲主機（生成SCK和/ SPISS信號）或從機（從外部接收SCK和從機選擇信號）。當SPI端口配置爲主設備時，它驅動MOSI引腳上的數據並接收MISO引腳上的數據。它驅動SPI從設備的從選擇信號，並提供串行位時鐘（SCK）。Blackfin處理器的SPI通過使用時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）位提供的組合來支持四種功能模式。有關Blackfin SPI端口的詳細信息，請參閱《ADSP-BF533 Blackfin處理器硬件參考手冊》。
硬體介面
ADSP-BF533處理器的SPI端口和AT77C104B之間的無縫硬件接口，如圖5所示，不需要任何外部膠合邏輯。傳感器的從選擇信號/ SSS和/ FSS通過可編程標誌引腳PF1和PF2驅動。一個標誌應配置爲輸出，並在另一個標誌配置爲輸出之前將其驅動爲高電平（這些標誌不應同時配置爲輸出，因爲Blackfin處理器默認將其驅動爲低電平會切換傳感器芯片以進行掃描測試模式）。通過/ IRQ引腳產生的傳感器中斷由輸入PF4讀取。復位RST由PF3驅動。復位是高電平有效信號，因此該線上使用了下拉電阻。
應用程序軟件
應用代碼使用VisualDSP ++ ®開發工具的Image Viewer插件執行諸如控制傳感器，獲取指紋數據以及重新排列數據以顯示接收到的指紋圖像之類的任務。
當傳感器檢測到咔嗒聲（即表示存在手指的信號）時，它將產生中斷。Blackfin處理器接收到該中斷，並在下降沿產生一箇中斷。STATUS寄存器指示引起中斷的事件。此過程用於導航，讀取錯誤和其他中斷。完整應用程序的簡化流程圖如圖6所示。
數據採集
在採集模式下啓用傳感器加熱。看門狗定時器也被啓用，以確保加熱保持受控。因此，當請求加熱時，傳感器被加熱“ n ”秒。
然後設置DMA參數以進行數據採集。可變大小的DMA彈性描述符被加載到DMA參數寄存器中。寄存器的順序基本上是固定的，但是描述符的長度是完全可編程的。2D陣列用於配置DMA參數。一維數組是單獨的描述符。由於描述符必須在第一個數據到達之前發送40個虛假時鐘週期以初始化芯片流水線，因此第一個描述符即虛擬對象用於接收前五個字節。因此，第一個同步序列在40個時鐘週期後出現。然後，數據在每個時鐘週期到達所有後續陣列讀數。
傳感器以幀的形式發送數據。每個幀的開始都由虛擬列標記，該列包含一個同步字。從左上角到右下角逐列讀取像素陣列。
數據重排
必須重新排列數據以顯示獲取的指紋圖像。重新排列的數據將被存儲，並可以使用VisualDSP ++ Image Viewer實用程序進行查看。所獲取的圖像和設置如圖7所示。執行以下功能：
- 半字節交換：傳感器以半字節交換格式發送數據。例程將整個幀交換爲奇偶像素。
- 4位到8位轉換：每個傳感器像素爲4位寬，但是Image Viewer會顯示最小寬度爲8像素的圖像。四位零填充將每個像素轉換爲8位。
- 電平調整：接收到的數據中的每個像素的強度爲0到15，但顯示範圍爲0到255。每個像素的電平轉換產生良好的顯示效果。
- 陣列轉置：來自傳感器的數據按列發送，但是二維DMA按行接收數據，因此必須進行轉置以便連續顯示幀。3維數組用於連續顯示幀。
指紋重建與識別
如果指尖以合理的速率掃過傳感器窗口，則連續幀之間的重疊使得可以使用Atmel提供的軟件來重建整個指紋的圖像。重建後的圖像通常爲25 mm×14 mm或500像素×280像素，由於分辨率提高，分辨率爲8位。因此，每個圖像需要140 kB的存儲空間。使用標準的圖像處理技術可以從中得出更大或更小的圖像。一旦將框架連接起來以獲得完整的指紋圖像，識別算法便可以將樣本與模板匹配。
信任但要驗證
指紋處理具有三個主要功能：註冊，搜索和驗證。登記從傳感器獲取指紋圖像並將其保存在SRAM中。圖像經過處理，增強和壓縮以創建指紋模板。各種過濾器會清理圖像並將其轉換爲數學表示，從而無法竊取模板並直接重新創建指紋圖像。
搜索將原始候選圖像與以前註冊的模板列表進行比較。通過一系列篩選過程，該算法將模板列表縮小到可管理的大小。將那些倖存下來的模板與候選對象進行比較，並提供驗證分數。超過預設閾值的分數表示肯定識別。
驗證通過實時的閉環模式匹配算法將原始候選圖像與先前註冊的模板進行比較，從而驗證用戶的身份。返回分數，指示候選者和模板的相似性以生成是/否匹配決定。
結論
Blackfin處理器和AT77C104B FingerChip傳感器相結合，可提供簡單而強大的指紋識別，通過允許或禁止訪問建築物中的敏感區域或便攜式計算機中的敏感數據來增強安全性。
參考文獻
- Blackfin處理器
- VisualDSP ++
- ADSP-BF53x / ADSP-BF56x Blackfin處理器硬件編程參考。模擬設備。2007年。
- ADSP-BF531 / ADSP-BF532 / ADSP-BF533 Blackfin嵌入式處理器數據表
- AT77C104B數據表，“ FingerChip熱指紋掃描傳感器”。愛特梅爾公司。
- “ AuthenTec加快了與Blackfin指紋匹配的速度。” Blackfin客戶案例研究。2004年12月。
- Atmel指紋傳感器AT77C104B與Blackfin處理器的接口。工程師對工程師說明EE-325。2007年8月。
- Kreitzer，Kelvin和Alan Kasten。“新的指紋子系統將生物識別技術推向大衆市場。” 嵌入式計算設計。2007年。
- Maltoni，David，Dario Maio，Anil K.Jain和Salil Prabhakar。指紋識別手冊。2003年6月。