基于FPGA的指纹识别模块设计
1.主要内容
本模块采用xilinx公司的Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作为核心控制芯片，通过富士通公司的MFS300滑动式电容指纹传感器对指纹图象进行提取，然后对提取的指纹图像进行灰度滤波、图像增强、二值化、二值去噪、细化等预处理，得到清晰的指纹图象，再从清晰的指纹图象中提取指纹特征点，存入外部FLASH作为建档模板。指纹比对时，采用同样的方法获得清晰的指纹图像，建立比对模板，然后将比对模板与建档模板利用点模式匹配算法进行比对，得出比对结果。该模块利用嵌入式软核实现系统的管理，利用硬件实现指纹识别，保证了系统功能的完整性与识别的正确性。该识别模块可用于门禁、考勤、安检、保险箱柜等很多方面，也可和计算机等设备联机使用，满足各个方面的不同需求，因此它的设计具有很广泛的应用前景和市场价值。
2.项目关键技术及创新点的论述
2.1.项目的关键技术
2.1.1 指纹图像的采集
本模块利用美国富士通公司的MFS300滑动式电容指纹传感器对指纹图像进行提取和保存。这款指纹传感器采用标准CMOS 技术，含有8 位A/D 变换器，能在2.8 V～5 V 的宽电压范围内工作，能自动检测到是否有指纹到达传感器，并实现在线采集。它能在保证指纹图像高分辨率(500dpi)的同时大大减小了传感器的尺寸(13.3×3.6mm2)。然后XC3S500E利用其SPI端口通过读写MFS300内部的寄存器，实现对它的控制，以完成指纹采集的任务。
2.1.2 指纹图像的预处理
图像预处理的主要步骤包括：方向图计算、图像增强、二值化、二值去噪、细化等。预处理的目的是改善输入指纹图像的质量，以提高特征提取的准确性。原始指纹图像一般存在噪声污染、脊线断裂或脊线模糊等问题，需要进行图像增强(使用滤波技术)以改善质量。由于指纹特征仅包含在脊线的形状结构中，所以，通过二值化和细化把深浅不一、宽度不同的脊线变成灰度相同、单像素宽的细脊线，以便于特征提取。
2.1.3 指纹图像的特征提取与比对
系统通过细节特征提取算法对预处理后的指纹图像进行全局特征和细节特征的提取，将获得指纹图像特征参数存入外设FLASH中，建立指纹数据库。在识别模式时，系统用同样的方式提取指纹图像特征参数，存入扩展SRAM中，然后将外设FLASH和扩展SRAM中的数据利用点模式匹配算法进行比对，最终将比对结果输出。
2.1.4 系统整体需要考虑的问题
有效的指纹辨识系统不仅仅依赖于辨识算法，还需要考虑很多其他方面的问题，它包括注册和辨识过程、排斥欺骗和安全考虑等。我们必须对这些问题提出应对办法，才能实现有效的辨识。
2.2 系统创新点
纵览全球诸多指纹识别事件：出入关按指纹、开门按指纹、领社保按指纹、上班考勤按指纹、幼儿园接送孩子按指纹、银行取款按指纹、超市购物按指纹付款、洗衣服按指纹进行分工、打手机按指纹、上电脑按指纹等等新现象层出不穷，指纹识别已经与人们的生活休戚相关。指纹化产品呈现出广阔的市场开发前景和巨大的利润空间。
由于此开发板具有VGA、RS232、键盘/鼠标等接口，可以很方便的在很多产品得到应用，使产品具有指纹识别的功能。例如，它可以与指纹保险箱(柜)、指纹门锁、IC卡系统、汽车启动系统连接使用，也可以统购RS232和计算机等设备联机使用。同时，目前的指纹识别认证系统大都采用DSP或者ARM来实现，这样的嵌入式系统很难实现小型化集成化，更无法SOC，使得指纹识别在小型化便携式产品中的应用得到局限，而本模块以FPGA作为核心控制系统，由于FPGA具有高度集成、低功耗、短开发周期等优点，所以如果本模块设计成功，可以实现指纹识别模块的小型化、集成化和SOC，使得指纹识别可以应用到更多的领域，为人们的生活带来更多的便利和安全，同时也具有更广阔的市场开发前景和更大的利润空间。
3. 技术成熟性和可靠性论述
本模块采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作为核心控制芯片，这款芯片采用90ns的先进工艺，最大容量50万门，足以满足设计的要求。美国富士通公司的MFS300滑动式电容指纹传感器采用标准CMOS 技术，含有8 位A/D 变换器，能在2.8 V～5 V 的宽电压范围内工作，能自动检测到是否有指纹到达传感器，并实现在线采集。它能在保证指纹图像高分辨率(500dpi)的同时大大减小了传感器的尺寸(13.3×3.6mm2)。系统利用XC3S500E的SPI端口和MPS300进行数据传输，使得传输更方便，传输速度更快、抗干扰能力更强。再加上该模块利用嵌入式软核实现系统的管理，利用硬件实现识别算法，保证了系统功能的完整性与识别的正确性。而识别算法我们采用美国FBI推荐的特征点匹配算法来实现指纹的识别，更保证了系统功能的实现。
4. 项目实施方案
4.1.方案基本功能框图及描述
用框图的方式并加以简单的描述简述实施本项目的技术方案。
图1 系统结构框图
系统采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作为核心控制芯片，通过MFS300滑动式电容指纹传感器进行指纹图象的采集，自动A/D转换，并将转换后的数字信号通过SPI端口传送给FPGA核心控制单元，以进行指纹登记或指纹对比。内扩展的SRAM和Flash 分别用作存储指纹程序运行时的临时数据和指纹数据信息。PROM在上电时对FPGA 进行程序配置。键盘用于实现模块模式的切换和模块密码设置等功能。RS23接口可以与计算机等设备进行联机操作，方便系统功能的扩展。该系统利用嵌入式软核实现系统的管理，利用硬件实现识别算法，保证了系统功能的完整性与识别的正确性。
4.2.需要的开发平台
需要的硬件开发平台是：初级板Spartan-3E
以partan 3E系列XC3S500E型FPGA作为核心控制系统，利用其SPI端口访问MFS300传感器的寄存器实现数据采集任务，在其内部嵌入DSP软核，实现对图像的预处理、特征参数的提取和匹配，利用其外设FLASH存储指纹数据信息，建立指纹数据库;通过LCD显示模块建立人机交互界面等。
需要的软件开发平台是：Xilinx ISE 9.1i、Matlab等;
利用Xilinx ISE 9.1i完成对FPGA的控制，利用Matlab实现滤波器的仿真，算法的研究，软核的制作等。
4.3.方案实施过程中需要开发的模块
需要具体开发的模块包括数据采集模块、原始图像的预处理模块、算法识别验证模块(通过Matlab实现Dsp算法，作为软核嵌入FPGA)、键盘操作模块、LCD显示模块等。
4.4.系统最终要达到的性能指标
能准确有效地完成指纹特征参数的提取和指纹的辨识验证。
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