新型指紋傳感器MBF200的特性及應(yīng)用
關(guān)鍵詞：MBF200 指紋傳感器 自動(dòng)檢測 接口
1 引言
指紋識(shí)別技術(shù)是新近發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。指紋識(shí)別是利用人體指紋的唯一性與不變性生理特征，將指紋作為人的一種“活的身份證”或一個(gè)隨身攜帶的特殊印章來進(jìn)行身份識(shí)別的一種技術(shù)。MBF200是富士通公司推出的一款固態(tài)指紋傳感器芯片，該芯片具有自動(dòng)指紋檢測功能，可支持多種接口模式，設(shè)計(jì)方便。本文詳細(xì)介紹了MBF200的特性，給出了其在USB總線接口模式下的電路實(shí)現(xiàn)方法，以及讀取所采集數(shù)據(jù)的軟件流程。該設(shè)計(jì)可用于便攜式指紋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能卡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)的安全進(jìn)入系統(tǒng)，以及其它安全訪問控制系統(tǒng)。
2 MBF200的主要特點(diǎn)
MBF200具有高性能、低功耗和低成本等特點(diǎn)，屬于電容性傳感器。其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當(dāng)一個(gè)電容板，接觸的手指充當(dāng)?shù)诙€(gè)電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當(dāng)手指觸摸傳感器表面時(shí)，指紋的高低不平就會(huì)在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。其主要特點(diǎn)有：
●是采用標(biāo)準(zhǔn)COMS技術(shù)的電容性固態(tài)器件；
●具有500dpi的分辨率；
●傳感器面積為1.28cm×1.50cm；
●傳感器陣列為256×300點(diǎn)；
●具有自動(dòng)指紋檢測能力；
●內(nèi)含8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
●可提供三種總線接口形式；
●帶有8位微處理器總線接口；
●帶有全速USB接口和SPI接口；
●可提供3.3V～5V的工作電壓；
●5V工作電壓下的功耗小于70mW。
MBF200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中256×300點(diǎn)傳感陣列用于產(chǎn)生感應(yīng)電壓；功能寄存器用于對(duì)芯片進(jìn)行操作控制；控制電路用于傳感器與外部接口電路的控制，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀出與寫入；地址索引寄存器與數(shù)據(jù)寄存器分別用于對(duì)功能寄存器的地址選擇及數(shù)據(jù)的讀寫；采樣保持及AD轉(zhuǎn)換電路用于對(duì)傳感陣列所產(chǎn)生的電壓進(jìn)行采樣。另外，多頻振蕩電路用于為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。
3 器件功能
3.1 功能寄存器
MBF200是可編程的傳感器芯片，它所具有的強(qiáng)大功能是通過內(nèi)部寄存器設(shè)置完成的。表1所列是這些功能寄存器的地址和功能。在對(duì)這些寄存器進(jìn)行操作時(shí)，先向地址寄存器內(nèi)寫入所要訪問寄存器的地址，然后讀寫數(shù)據(jù)寄存器即可。
表1 MBF200中的功能寄存器
| 地 址 | 標(biāo) 識(shí) | 功 能 |
| 0x00 | RAH | 行地址高位 |
| 0x01 | RAL | 行地址低位 |
| 0x02 | CAL | 列地址低位 |
| 0x03 | REH | 行末地址低位 |
| 0x04 | REL | 行末地址低位 |
| 0x05 | CEL | 列末地址低位 |
| 0x06 | DTR | 放電時(shí)間寄存器 |
| 0x07 | DCR | 放電電流寄存器 |
| 0x08 | CTRLA | 控制寄存器A |
| 0x09 | LTRLB | 控制寄存器B |
| 0x0A | CTRLC | 控制寄存器C |
| 0x0B | SRA | 狀態(tài)寄存器 |
| 0x0C | PGC | 可編程增益控制寄存器 |
| 0x0D | ICR | 中斷控制寄存器 |
| 0x0E | ISR | 中斷狀態(tài)寄存器 |
| 0x0F | THR | 門限寄存器 |
| 0x10 | CIDH | 芯片標(biāo)識(shí)高 |
| 0x11 | CIDL | 芯片標(biāo)識(shí)低 |
| 0x12 | TST | 測試模式寄存器 |
由于列地址最大為256，所以，MBF200只有一個(gè)列開始寄存器CAL和一個(gè)列結(jié)束寄存器CEL。另外，THR用于在自動(dòng)檢測指紋時(shí)設(shè)置門限電壓。PGC用于在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)設(shè)置放大器的增益。
3.2 MBF200的工作過程
MBF200的傳感器陣列由256列300行的傳感器單元組成。每一列有兩個(gè)采樣保持電路，每次捕獲一行指紋圖像數(shù)據(jù)。行捕獲分為兩個(gè)階段，第一階段，將電容板的被選行充電到3.3V或5V，在充電的同時(shí)，一個(gè)內(nèi)部信號(hào)使能一個(gè)采樣保持電路以采樣被選行的電容單元電壓；第二階段是傳感器板放電階段，放電快慢由放電電流寄存器決定。放電階段結(jié)束后，可由一個(gè)內(nèi)部信號(hào)使能另一個(gè)采樣保持電路去采樣電容單元的最后電壓，充電電壓與放電電壓之差就是所要測量的有用傳感信號(hào)電壓。行捕獲結(jié)束之后，接著對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，從而完成一次采樣。實(shí)際上，該芯片的靈敏度是由放電電流和放電時(shí)間寄存器來調(diào)節(jié)的。
3.3 MBF200的接口模式
MBF200支持三種接口形式和四種操作模式，這四種操作模式相互獨(dú)立，不能同時(shí)工作。其功能如表2所列。
表2 MBF200的操作模式
| MODE[1，0] | 描 述 |
| 00 | 微處理器接口模式 |
| 01 | SPI接口模式 |
| 10 | USB模式，用內(nèi)部ROM |
| 11 | USB模式，用外部ROM |
在微處理器接口模式中，可將MFB200與51系列8位單片機(jī)相連，且其接口形式非常簡單。需要說明的是，在該芯片中，地址選擇與數(shù)據(jù)寫入是分兩步完成的，先通過A0置0來寫地址索引寄存器，然后再對(duì)A0置1來讀寫對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)寄存器。其操作真值表如表3所列。SPI是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行接口，它允許8位數(shù)據(jù)同時(shí)、同步地被發(fā)送和接收，而且只用到如下信號(hào)：SCLK、SCS、MOSI、MISO、EXINT?？蓪⑾到y(tǒng)配置為SPI主操作（Master）與從操作（Slave），其接口形式與一般的串行外圍接口方式一致，故此不再贅述。
表3 微處理器接口讀寫真值表
| CS0 | CS1 | A0 | RD | WR | 方 式 | 數(shù)據(jù)線 |
| H | X | X | X | X | 無效 | 高阻 |
| X | L | X | X | X | 無效 | 高阻 |
| L | H | X | H | H | 任意 | 高阻 |
| L | H | L | L | H | 讀地址寄存器 | 輸出 |
| L | H | L | H | L | 寫地址寄存器 | 輸入 |
| L | H | H | L | H | 讀數(shù)據(jù)寄存器 | 輸出 |
| L | H | H | H | L | 寫數(shù)據(jù)寄存器 | 輸入 |
USB接口有兩種模式：一種是用芯片內(nèi)部的ROM來存儲(chǔ)設(shè)備信息，一種是用外部串行ROM來存儲(chǔ)設(shè)備信息。
4 MBF200的應(yīng)用
4.1 MBF200與USB的接口
由于USB總線接口具有即插即用特性，而且目前應(yīng)用比較廣泛，所以本文設(shè)計(jì)了MBF200在USB模式下的接口電路（如圖2所示）。其中MODE分別置為1、0，采用12MHz晶振，AIN用于模擬信號(hào)輸入方式選擇，ISET用于設(shè)置內(nèi)部參考電流，F(xiàn)SET用于設(shè)置內(nèi)部多頻振蕩器及自動(dòng)指紋檢測速率。需要注意的是，在USB模式中，為芯片提供的電壓必需在3.3V～3.6V之間，由于該芯片的低功耗特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)中可以使用USB總線電源來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
USB接口使用三個(gè)端點(diǎn)：其中端點(diǎn)0是控制端點(diǎn)，用來控制對(duì)功能寄存器的讀寫；端點(diǎn)1是讀端點(diǎn)，用來讀取經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的指紋圖像數(shù)據(jù)，它是以塊方式進(jìn)行讀取的，每次64個(gè)字節(jié)；端點(diǎn)是2是中斷端點(diǎn)，當(dāng)ISR(Interrupt Status Register)被置位時(shí)，由它向端點(diǎn)2發(fā)送中斷信號(hào)。
4.2 軟件控制流程
該傳感器有多種接口方式及多種圖像獲取形式，這些都是通過內(nèi)部功能寄存器的設(shè)置來完成的。
首先要對(duì)傳感器進(jìn)行初始化：主要是啟動(dòng)內(nèi)部ADC并對(duì)特殊功能寄存器CTRLB的第2位置位，以確定ADC后的地址是否自動(dòng)增加，同時(shí)設(shè)置芯片時(shí)鐘源并使能傳感器。其流程如圖3所示。
其次是調(diào)整參數(shù)，其流程如圖4所示，其中DTR是放電時(shí)間寄存器，DCR則是用來設(shè)置放電電流速率的寄存器，PGC是可編程增益控制寄存器，主要用來設(shè)置放大器的增益。
最后就是獲取指紋圖像數(shù)據(jù)，在該傳感器芯片中，共有三種指紋圖像數(shù)據(jù)獲取方式，分別為：
（1）獲取子圖（GETSUB）方式。在CPU和SPI接口模式中，子圖的大小可以從任意位置開始設(shè)置，甚至可以從一個(gè)像素點(diǎn)到整幅圖像；在USB接口模式中，子圖列的開始必須是64的倍數(shù)。
（2）獲取整幅圖像（GETIMG）方式是把數(shù)據(jù)采集方式初始化為從行0列0到行299列255，以獲取整幅圖像數(shù)據(jù)。
（3）獲取行數(shù)據(jù)（GETROW）方式主要捕獲特定的幾行數(shù)據(jù)。
MBF200芯片內(nèi)部提供有6個(gè)寄存器，可用來設(shè)置圖像數(shù)據(jù)捕獲的位置。其中RAL是行地址低位，RAH是行地址高位，CAL是列地址，REL是行末地址低位，REH是行末地址高位，CEL是列末地址。
在USB接口方式下獲取整幅指紋圖像數(shù)據(jù)的流程如圖5所示。在USB模式中，數(shù)據(jù)是以塊為單位進(jìn)行傳輸?shù)模繅K數(shù)據(jù)大小必須為64字節(jié)。
其它兩種接口方式的指紋圖像數(shù)據(jù)獲取流程基本相似，只是沒有數(shù)據(jù)塊的限制，它們可以讀取任意字節(jié)的指紋數(shù)據(jù)。
5 小結(jié)
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)安全技術(shù)和身份認(rèn)證技術(shù)對(duì)于人們的工作與生活來說越來越重要。生物特征識(shí)別技術(shù)為信息社會(huì)日益迫切的安全需求提供了一個(gè)較好的解決方案。文中基于MBF200的指紋傳感器具有自動(dòng)指紋檢測功能，可支持多種接口模式，而且設(shè)計(jì)方便，故將得到廣泛的應(yīng)用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
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