通过指纹传感器和Blackfin处理器增强设备识别与数据的安全性

生物识别与安全

在当今世界，对高效实施的有效安全性的需求显而易见。必须识别个人以允许或禁止访问安全区域 - 或使他们能够使用计算机，个人数字助理（PDA）或移动电话。生物特征签名或生物特征识别用于通过测量某些独特的物理和行为特征来识别个体。实际上，所有生物识别技术都是使用传感器实现的，以从个人获取原始生物识别数据; 特征提取，用于处理获取的数据以开发代表生物特征的特征集; 模式匹配，将提取的特征集与驻留在数据库中的存储模板进行比较;

指纹传感器

指纹，长期以来被广泛接受的生物识别标识符之一，是独一无二的。它们的图像由多个曲线段组成，包括称为脊的高区域和称为 valleys 的低区域。 Minutiae ，脊流模式中的局部不连续性被用作区别特征。指纹传感器“读取”手指表面并通过模数转换器（ADC）将模拟读数转换为数字形式。指纹传感器可大致分为光学，超声波或固态 - 包括电容，射频，热和压电器件。

因为手指的最外层干燥，死皮细胞电导率低， em> RF传感器从皮肤的潮湿和导电边界区域获取指纹数据，活细胞开始变成角质化皮肤。这个活的地下层是指纹图案的来源，它很少受到手指表面损伤或磨损的影响。

AuthenTec ® TruePrint ®传感器在埋在硅芯片内部的导电层和皮肤表面正下方的导电层之间使用小的RF信号。 RF场测量手指下面的活表皮层的脊和谷的电势轮廓。通过从受损或受污染的部分皮肤获取数据，传感器产生比仅读取皮肤表面的替代光学或电容技术更准确和可重复的指纹样本。

热电材料基于温差产生电压。当手指与温暖的传感器表面接触时，更靠近传感器表面的指纹脊保持比离传感器表面更远的谷更高的温度。 Atmel ® AT77C104B FingerChip ®传感器使用此类热成像捕获指纹。它是一种线性传感器，它将检测和数据转换电路集成在一个CMOS IC中。通过将手指扫过感测区域来捕获指纹图像。当接触首次出现时会产生图像，但由于它会在达到热平衡时很快消失，因此需要采用扫描方法来获取稳定的指纹图像。

传感器（如图1所示）捕获图像如图2所示，当手指垂直扫过传感器窗口时，指纹就会被指纹扫描。手指扫描技术可确保传感器表面保持清洁。与基于触摸的传感器不同，一旦手指被移除，潜在的指纹就不会保留。传感器不需要外部热量，光线或无线电源。片上温度稳定可识别手指和传感器之间的温差，并增加差异以获得更高的图像对比度。这里的讨论将集中在基于这种类型的热传感器的指纹识别系统上。

表征指纹传感器的主要参数包括分辨率，区域，动态范围和像素数。 分辨率以每英寸点（或像素）（dpi）为单位进行测量。较高的分辨率允许在脊和谷之间更好地定义，以及更精细地隔离细节点 - 这在指纹匹配中起主要作用，因为大多数算法依赖于细节的重合来确定两个指纹印象是否是相同的手指。较大的感应区域通常提供更独特的指纹，但是将手指扫过较小的传感器，并快速获取和处理数据，允许小型，低成本的传感器实现可比较的定义，更大，更多昂贵的传感器动态范围或深度表示用于编码每个像素强度的位数。特定帧中指纹图像中的像素数可以从分辨率和面积中导出。

AT77C104B传感器在0.4 mm×11.6 mm范围内具有500 dpi分辨率区域，提供总共8像素×232像素，或每帧1856像素。每个像素用四位编码，识别16个灰度级。图3显示了传感器的框图，其中包括阵列，模数转换器，片上振荡器，控制和状态寄存器，导航和单击单元，以及 slow 和的单独接口快速操作模式。慢速模式可以高达200 kHz运行，用于编程，控制和配置传感器。快速模式可以在高达16 MHz的频率下运行，用于数据采集。片上加热器会增加手指和传感器之间的温差。为了限制电流消耗，看门狗定时器在指定的时间长度后停止加热模块。

操作模式

传感器实现六种操作模式：

睡眠模式：一种功耗极低的模式，禁止内部时钟并初始化寄存器。

待机< / em> mode：低功耗模式，等待来自主机的操作。慢速串行端口接口（SSPI）和控制块被激活;振荡器保持活动状态。

单击模式：在传感器上等待手指。 SSPI和控制块保持活动状态;

导航模式：当手指穿过传感器时计算x和y运动。 SSPI和控制块仍然被激活;本地振荡器，导航阵列和导航块也被激活。

采集模式：将切片发送到主机进行指纹重建和识别。 SSPI和控制块仍然被激活;快速串行端口接口块（FSPI）和采集阵列被激活。当需要看门狗定时器时，本地振荡器被激活。

测试模式：此模式保留用于工厂测试。

接口Blackfin ®处理器串行外设接口的指纹传感器

Blackfin ADSP-BF533低成本，高性能处理器被选用于此应用，因为它结合了快速的功能信号处理器和强大的微控制器。其4线全双工同步串行外设接口（SPI）具有两个数据引脚（MOSI和MISO），一个器件选择引脚（/ SPISS）和一个门控时钟引脚（SCK）。请参见图4. SPI支持主模式，从模式和多主机环境。 SPI兼容的外设实现还支持可编程波特率和时钟相位/极性。

该接口本质上是一个移位寄存器，可以一次一位地串行发送和接收数据位， SCK速率与其他SPI设备之间的速率。移位寄存器可以同时发送和接收串行数据。 SCK同步两个串行数据引脚上数据的移位和采样。

SPI端口可配置为主机（生成SCK和/ SPISS信号）或 slave （从外部接收SCK和从机选择信号）。当SPI端口配置为主机时，它会驱动MOSI引脚上的数据并接收MISO引脚上的数据。它驱动SPI从器件的从器件选择信号，并提供串行位时钟（SCK）。 Blackfin处理器的SPI通过使用时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）位提供的组合支持四种功能模式。有关Blackfin SPI端口的详细信息，请参阅“ADSP-BF533 Blackfin处理器硬件参考手册”。

硬件接口

ADSP-BF533处理器的SPI端口和AT77C104B之间的无缝硬件接口（如图5所示）不需要任何外部胶合逻辑。传感器/ SSS和/ FSS的从机选择信号通过可编程标志引脚PF1和PF2驱动。在将另一个标志配置为输出之前，应将一个标志配置为输出并驱动为高电平（这些标志不应同时配置为输出，因为Blackfin处理器默认将它们驱动为低电平，会将传感器芯片切换为扫描测试模式）。通过/ IRQ引脚产生的传感器中断由输入PF4读取。复位RST由PF3驱动。复位是高电平有效信号，因此在该线路上使用下拉电阻。

应用软件

应用程序代码执行控制传感器等任务，使用VisualDSP ++ ®开发工具的Image Viewer插件获取指纹数据并重新排列数据以显示接收的指纹图像。

当传感器检测到点击时（即指示手指存在的信号），它会产生中断。 Blackfin处理器接收此中断，并在下降沿产生中断。 STATUS寄存器指示导致中断的事件。此过程用于导航，读取错误和其他中断。完整应用程序的简化流程图如图6所示。

数据采集

在采集模式下启用传感器加热。看门狗定时器也启用，确保加热保持受控。因此，当要求加热时，传感器被加热“ n ”秒。

然后设置DMA参数用于数据采集。可变大小的DMA flex描述符被加载到DMA参数寄存器中。寄存器序列基本上是固定的，但描述符的长度是完全可编程的。 2D阵列用于配置DMA参数。 1D数组是各个描述符。第一个描述符，一个伪，用于接收前五个字节，因为传感器必须在第一个数据到达之前发送40个虚拟时钟周期，以便初始化芯片流水线。因此，第一同步序列出现在40个时钟周期之后。然后，数据随后到达所有后续阵列读数的每个时钟周期。

传感器以帧的形式发送数据。每个帧的开始由虚拟列标记，其中包含同步字。像素阵列从左上角到右下角逐列从上到下读取。

数据重新排列

必须重新排列数据以显示获取的指纹图像。存储重新排列的数据，可以使用VisualDSP ++ Image Viewer实用程序查看。获取的图像和设置如图7所示。执行以下功能：

Nibble-swapping ：传感器以半字节交换格式发送数据。例程将整个帧的奇偶像素交换。

4位到8位转换：每个传感器像素为4位宽，但图像查看器显示图像最小宽度为8像素。四位零填充将每个像素转换为8位。

电平调整：接收数据中的每个像素的强度为0到15，但显示范围为0每个像素的电平转换产生良好的显示效果。

数组转置：来自传感器的数据按列发送，但二维DMA接收数据行因此必须进行转置以便连续显示帧。三维数组用于连续显示帧。

指纹重建和识别

如果指尖扫过传感器窗口以合理的速率，连续帧之间的重叠使得能够使用由Atmel提供的软件重建整个指纹的图像。由于分辨率增强，重建图像通常为25mm×14mm或500像素×280像素，具有8位分辨率。因此，每个图像需要140 kB的存储空间。使用标准图像处理技术可以从中导出更大或更小的图像。一旦帧被连接以获得完整的指纹图像，识别算法就可以将样本与模板匹配。

信任但验证

指纹处理有三个主要功能： 注册，搜索，验证。 注册从传感器获取指纹图像并将其保存在SRAM中。处理，增强和压缩图像以创建指纹模板。各种过滤器清理图像并将其转换为数学表示，从而无法窃取模板并直接重新创建指纹图像。

搜索将原始候选图像与先前注册的模板列表进行比较。通过一系列筛选过程，该算法将模板列表缩小到可管理的大小。将筛选后存活的模板与候选模板进行比较，并提供验证分数。分数超过预设阈值表示肯定识别。

验证通过实时闭环模式比较原始候选图像与先前登记的模板来验证用户的身份匹配算法。返回分数，指示候选者和模板的相似性，以生成是/否匹配决策。

结论

Blackfin处理器和AT77C104B FingerChip传感器相结合，提供简单而强大的功能，指纹识别，通过允许或禁止访问建筑物中的敏感区域或笔记本电脑中的敏感数据来增强安全性。