生物识别技术之指纹传感器.docx

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生物识别技术之指纹传感器

生物识别技术之指纹传感器

生物识别技术之指纹传感器

【摘要】：

生物识别技术（BiometricIdentificationTechnology）是利用人体生物特征进行身份验证的技术，而指纹识别（FingerprintIdentification）是生物识别技术的一种重要手段。

指纹传感器FPS100就是实现这一技术的工具之一。

FPS100是一种低功耗、低价格、高性能的直接接触电容式指纹传感器。

文中介绍了这种传感器的内部结构、主要特点和工作原理以及传感器芯片的使用方法。

【关键词】：

生物识别技术；指纹；FPS100传感器；

【Abstract】：

Biometrics（BiometricIdentificationTechnology）istheuseofthebiologicalcharacteristicsoftheidentityauthenticationTechnology。

Fingerprint

身份鉴定提供了客观依据。

指纹还具有终生基本不变的相对稳定性。

指纹在胎儿六个月时已完全形成，随着年龄的增长，尽管人的指纹在外形大小、纹线粗细上会有变化，局部纹线之间也可能出现新的细线特征，但从总体上看，同一手指的指纹纹线类型、细节特征的总体布局等始终无明显变化。

即使手指皮肤受伤，只要不伤及真皮，伤愈后，纹线仍能恢复原状；即使伤及真皮，伤愈后形成的伤疤破坏了纹线，但伤疤本身又为指纹增添了新的稳定特征。

指纹识别过程分成4个步骤：

读取指纹图像、提取特征、保存数据和对比。

指纹图像获取设备主要有以下四种类型：

1.光学取像设备

它依据的是光的全反射原理（FTIR）。

当光线照射到印有指纹的玻璃表面上时，利用电荷耦合器（CCD）或CMOS相机接受反射光线，即可获取指纹图像。

2.压电式指纹传感器

工作原理是把手指放在压电材料上，由于指纹上的脊和谷所产生的压力不同，因此可转换成不同的电荷信号，对这些信号进行扫描后即可获取指纹图像。

3.半导体指纹传感器

1）温差感应式指纹传感器

它是基于温度感应的原理而制成的。

当手指放在指纹传感器上时，由于指纹传感器的温度被控制在+33℃以下，而指纹上脊点的温度就代表体温，指纹上谷点的温度就是周围的环境温度，因此脊点与传感器之间的温度差不等于谷点与传感器之间的温度差，通过扫描方式即可获取指纹图像。

2）电容感应式指纹传感器

它是由电容阵列构成的，内部大约包含1万只微型化的电容器。

当用户把手指放在正面时，皮肤就组成了电容阵列的一个极板，电容阵列的背面是绝缘极板。

由于不同区域指纹的脊和谷之间的距离也不想等，使每个单元的电容量随之而变，由此获得指纹图像。

其典型产品为FPS100。

4.超声波指纹扫描设备

利用超声波扫描指纹，再由接收设备接受其反射波，也是获取指纹图像的一种手段。

其优点是皮肤表面的脏东西和油脂对指纹图像的质量影响不大，缺点是设备昂贵。

FPS100型指纹传感器

概述及特点

美国Veridicom公司的FPS100固态指纹传感器是一种直接接触的指纹采集器件，它是一种低功耗、低价格、高性能的电容式指纹传感器。

芯片集成有二维金属电极阵列传感器，其中金属电极是电容的一个极，而接触的手指作为另一个极，表面钝化层是中间的电介质。

由于手指上纹路及深浅的存在，导致电容阵列的各个电容值的不同，通过测量并记录各点传感单元电容上的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图象。

FPS100的外形

FPS100采用标准CMOS工艺制造，具有80个引脚，采用VSPA80/1封装，是一个300×300的传感器阵列，具有1.5cm×1.5cm的传感面积，可分辨50μm间距，并可产生500dpi分辨率的图象。

FPS100带有8位微处理器接口，传感器的表面具有异常坚固的耐腐蚀保护涂层。

芯片具有低功耗，低价格的特点，是一种非光学的固态器件，可广泛应用于网络、工作站、数据库的安全登录及安全操作、便携式指纹采集、ATM交易身份认证、IC卡的强大安全补充、移动电话的安全保护和安全交易以及以防止受震动后松动，并以此代替齿尖获得转速标记信号。

指纹识别系统的输入设备

芯片结构与工作原理

FPS100的内部结构方框图如图所示。

它内部集成有8位快速AD转换器，因而可将传感器阵列的输出数字化，同时具有与大多数微机兼容的8位双向数据总线。

FPS100传感器阵列由300×300的电容器阵列组成，与每一列相连的是两个采样一保持电路。

一行的指纹图象可同时被捕获。

捕获过程分为二个阶段：

首先，被选择的行的所有电容被VDD充电。

在这个充电过程中，内部信号使第一级采样一保持电路使能，并记录该行各电容所充的电压值。

其次，该行的各电容对电流源放电，其放电速度与放电电流成正比。

这样，经过一段时间（“放电时间”），内部信号使第二级采样一保持电路使能，并记录各电容的最后电压值。

通过测量每个传感单元电容在每次充电后的电压值和放电后的电压值之差，即可获得每个传感单元的电容值。

每次捕捉每行图象后，在该行内的每个传感单元内就有待数字化的电容值。

通过改变放电电流大小和放电时间可以改变FPS100的灵敏度。

电流源的微小电流值是通过连接在SETCUR引脚与地之间的电阻来控制的。

电流源由“放电电流寄存器”（DCR）控制，而放电时间则由“放电时间寄存器”（DTR）所控制。

FPS100的内部框图

首先对传感器阵列进行逐行扫描，每次只能读出一行指纹图像。

在对RAH寄存器和RAL寄存器编程后，即可选择所要捕获的行。

在对RAL寄存器进行写操作时便开始捕获行。

捕获

时间由外部时钟和DTR寄存器来决定。

在放电过程结束后，该行各传感单元的输出就以模拟信号的形式保存在采样-保持电路中。

当行捕获结束后，再对CAH寄存器和CAL寄存器编程，并将已捕获各行中每个传感单元的输出进行数字化。

然后，又从低位到高位逐行扫描，同时启动A/D转换器将被选列输出的差值电压转换成数字量。

通过访问CAL寄存器可得到A/D转换的结果。

实际上，FPS100允许按任意顺序访问行，但被选行必须在读列单元之前被捕获。

同样，也可以按任意顺序访问列。

FPS100集成有温度和电阻传感器。

温度传感器用来测量指纹传感器的温度变化。

电阻传感器则用来测量相对于芯片外部的电阻值。

由电阻传感器寄存器（RSR）控制的电流源可用于驱动器件的RSENSE引脚。

FPS100有两个可编程的漏极开路输出可用于驱动LED。

它的时钟引脚能够输出与振荡频率相同的方波时钟脉冲，因此，可用来驱动外部电路。

当ENCLK为高电平时，时钟信号出现在CLK引脚。

当ENCLK为低电平或未连接时，CLK输出保持为低电平。

芯片的使用

内部寄存器控制

FPS100内含多个寄存器。

其中RAJJ行低有效位地址寄存器地址为（A3A2A1A0=0000），它是一个只写寄存器，可与RAH寄存器的Bit0位一起构成被选择捕获行的9位行地址寄存器。

选择的行地址可从0变化到299。

写RAJJ寄存器时便开始了一行的捕获。

RAH行高有效位地址寄存器的地址为（A3A2A1A0=0000）,该寄存器为只写寄存器，它的Bit0位与RAJJ寄存器可构成被选择捕获行的9位行地址寄存器，以选择所要捕获的行。

该寄存器的Bit7和Bit6位（即L1和L2位）可控制两个开漏输出，以用于驱动LED。

Bit5-Bitl为保留位，通常写0。

CAL列低有效位地址寄存器的地址为（A3A2A1A0=0010）。

该寄存器是一个可读写的寄存器。

它是9位列地址寄存器的低8位。

9位列地址寄存器的列地址可从0变化到299。

写CAL寄存器时即开始A/D转换。

若读该寄存器时，则选择返回A/D转换的输出。

CAll列高低有效位地址寄存器的地址为（A3A2A1A0=0011），它是一种只写寄存器，其Bit0位与CAL寄存器可构成9位列地址寄存器，以用来选择当前行的一个单元并将其输出数字化。

在写CAH寄存器之前，用户必须等待直到该行的捕获已完成。

Bit7和Bit6可用来选择A/D转换的输入：

当Bit[7:

6]=00时，选择行与列所选择的传感器单元；Bit[7:

6]=O1时，选择温度传感器的输出；Bit[7:

6]=10，则选择电阻传感器的输出，Bit[7:

6]=11为不允许。

DTR放电时间寄存器的地址为（A3A2A1A0=0100），为只写寄存器，其最高位Bit7位（即PD位）可用来控制芯片的工作模式：

PD=0为正常工作模式，PD=1时为低功耗模式。

低7位Bit6一BitO位（即T[6：

0]位）用来确定装入放电定时器的计数值。

放电时间则等于T[6．．0]的计数值与时钟周期的乘积，即：

放电时间=T[6：

0]×tosc。

DCR放电电流寄存器地址为（A3A2A1A0=0101），为只写寄存器。

该寄存器的Bit7和Bit6（即F2、F1位）可用来选择外部时钟或晶振的频率。

F2F1=00时，为1O一15MHz；F2F1=01为15—20MHz；F2F1=10为20—30MHz；F2F1=11为30—40MHz。

Bit5位即TRST位用来控制放电定时器的复位，若TRST=I将中止和复位放电定时器（但不清IYFR寄存器）。

TRST=0时放电定时器正常工作。

Bit4Bit0位（即DC[4：

0]）用来选择放电电流源的电流值。

RSR电阻传感检测寄存器地址为（A3A2A1A0=0110）。

它只可写。

RSR的Bit3一Bit0位（即R[3：

0]）用来控制电阻传感器的电流源输出电流。

这个输出电流可在SETUCR脚与地之间的外电阻上产生电压，该电压经内部A/D可转换成数字量。

A/D转换

表3（单位为时钟周期）给出了行捕获与A/D转换时间，其中n为DTR寄存器的T[6：

0]的数值。

FPS100内部集成的8位快速A/D转换器是一缓冲器件，每当写CAL寄存器时，将导致如下结果：

（1）锁存上一次的转换结果并使CAL可读；

（2）A/D转换开始，从而使当前的输人数字化。

因此，为了使每一行的300个传感单元数字化，需要写CAL寄存器301次。

而为了使温度或电阻传感器的输出数字化，CAL寄存器也必须写二次：

第一次是使输人数字化，第二次是使CAL寄存器可读。

读写周期

FPS100的读周期时间、读周期时序图、写周期时间和写周期时序图如下：

读周期时间写周期时间

读周期时序写周期时序

程序设计

FPSIO0的上电及初始化流程图以及图象捕获流程图如下所示。

参考文献：

沙占友.集成化智能传感器原理与运用.电子工业出版社，2004

沙占友.集成传感器应用.中国电力出版社，2005