CN101246542A - 一种基于fpga的嵌入式身份识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的嵌入式身份识别装置及方法。该装置由生物特征采集模块、可编程片上系统(SOPC)处理模块、远程生物特征图像库、结果显示模块、电源模块组成；通过采用SOPC技术将Nios II处理器、DSP处理器、片内存储器、I/O接口集成到一块FPGA中，并与外围设备50M有源晶振、EPCS配置存储器、FLASH存储器、SDRAM存储器、配置接口、通信接口构成了可编程片上系统(SOPC)处理模块。其识别方法依次是：装置初始化，图像采集，图像匹配实现一次识别过程。本发明具有设计灵活，功能强大，系统可裁减，能满足未来对各种新增功能的需求等优点，可应用于各种场合。

Description

一种基于FPGA的嵌入式身份识别装置及方法

技术领域

本发明涉及一种嵌入式的身份识别装置及方法，更具体是涉及一种基于FPGA(现场可编程门阵列)的嵌入式身份识别装置及方法，属于电子信息检测仪器技术领域。

背景技术

在信息化时代，信息安全的重要性已经引起了人们广泛关注，需要通过输入个人信息来进行身份鉴别的情况已深入到人们生活的方方面面。目前常用的身份认证方法主要有密码口令、钥匙、各种身份卡等，但是这些方法的安全性和可靠性无法得到保证，如密码口令很容易忘记或被人窃取，各种身份卡、银行卡也很容易被伪造等，而指纹、人脸、虹膜等作为人所具有重要的生理特征，具有唯一性、不可复制性、可识别性等重要特性，因此生物特征识别方法将能够取代传统认证方法，成为最好的身份认证技术。如指纹识别是近年来发展较快的一种新兴生物特征识别技术，目前在公安的刑事侦查和军事鉴定方面得到了应用。如今，随着计算机技术的发展，指纹识别技术及其相关产品也进入了民用市场，如一些单位使用的考勤系统和门禁系统等。专家估计，生物特征身份识别技术将更广泛地应用于银行ATM取款机、个人通信工具或各种计算机设备上。这些应用场合除了要求设备的性能外，更关注设备的小型化、可移动化和可升级功能，因此嵌入式生物特征识别系统更加具有实用价值，而嵌入式系统的核心部件就是微处理器，嵌入式处理器又有硬核处理器(处理器结构和功能固定)和软核处理器(处理器结构和功能不固定)之分。现有一些生物特征识别装置都采用了数字信号处理(DSP，Digital Signal Processor)处理器，单片机等硬核处理器来实现，从中国国家知识产权局网公布的专利情况查询得知，如专利号为“03111558.6”嵌入式指纹识别模块、“200520010273.0”一种双处理器的嵌入式指纹识别器的专利采用DSP处理器实现嵌入式指纹识别器，专利号为“01133782.6”基于DSP的嵌入式人脸自动检测装置和方法的发明采用DSP处理器实现嵌入式人脸自动检测。硬核处理器具有功能简单、无法随时更新换代等不足，目前还没有采用软核处理器的生物特征身份识别系统专利公布或产品问世。我们所发明的基于软核处理器设计的嵌入式身份识别器尚属首创。FPGA作为一种超大规模的集成电路，由于其具有的强大的并行计算能力和信号处理能力成为嵌入式开发的趋势。NiosII是ALTERA公司推出的一款采用流水线技术、单指令流的32位RISC(精简指令集)软核处理器。可编程片上系统(SOPC，System on a Programmable Chip)是一种特殊的嵌入式系统，能将多个嵌入式Nios II处理器、DSP处理器、存储器和其它控制功能组成的系统都集成到一块FPGA芯片中，使得嵌入式系统的体积更小，功能更强大。SOPC被称为“半导体产业的未来”。

发明内容

技术问题：为克服上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种基于FPGA的嵌入式的身份识别装置及方法，它采用了FPGA以及基于Nios II软核处理器的可编程片上系统(SOPC)设计的嵌入式装置，实现对人身份的识别和鉴定功能。

技术方案：为达到上述目的，本发明的一种基于FPGA嵌入式身份识别装置及方法，其身份识别装置由生物特征采集模块1、可编程片上系统(SOPC)处理模块2、远程生物特征图像库模块3、结果显示模块4和电源模块5组成。

其中，所述的可编程片上系统(SOPC)处理模块2由FPGA芯片6、Avalon bus7、50M有源晶振8、EPCS配置存储器9、FLASH存储器10、SDRAM存储器11、配置接口12、通信接口13等组成；可编程片上系统(SOPC)处理模块2通过USB接口分别与生物特征采集模块1和结果显示模块4连接，还通过以太网接口或无线网络与远程生物特征图像库3连接；电源模块5通过电源接口给可编程片上系统(SOPC)处理模块2供电；在可编程片上系统(SOPC)处理模块2中，FPGA芯片6通过Avalon bus7分别与LCD显示屏4、生物特征采集摄像头1、50M有源晶振8、EPCS配置存储器9、FLASH存储器10、SDRAM存储器11、配置接口12、通信接口13相连接。

其中，生物特征采集模块1，采用现有高分辨率的摄像头实现，具有完成图像的扫描、录入功能，实现生物特征图像采集并传输到处理器系统的功能。

可编程片上系统(SOPC)处理模块2，既要完成图像识别算法的运算，又要对其它模块进行控制和检测，如处理图像采集器完成采集后向处理器发出的中断请求等等，Nios II处理器转入对生物特征图像的处理。我们将SOPC系统集成到一块FPGA芯片中，FPGA采用了ALTERA公司的CycloneII EP2C5，通过创建NiosII处理器和DSP处理器实现生物特征图像的预处理和识别匹配。通过ALTERA公司提供的免费IP(Intellectual Property)核，在FPGA中可以创建UART、SRAM、SDRAM等接口功能。

远程生物特征图像库模块3，由于装置内部的FLASH存储器容量较小，FLSAH中存储有部分常用的生物特征图像样本，可以通过远程生物特征图像库来扩展使用。

结果显示模块4，提供一块128*64的汉字液晶显示屏用于识别结果和系统调试信息的显示。

电源模块5，由于FPGA芯片需要+5v直流电源，电源模块通过电源接入接口给图像处理系统模块供电，因此通过稳压后即可接入市电。

在本发明的一种基于FPGA的嵌入式身份识别装置中，使用到的外部静态存储器有EPCS配置存储器9、FLASH存储器10，静态存储器具有数据保存的功能，因此EPCS配置存储器9、FLASH存储器10中存储有SOPC系统的配制信息和装置运行的数据信息，每次当装置通电后，配置信息会初始化FPGA，在FPGA中分别实现Nios II处理器和DSP处理器，在Nios II处理器植入了微操作系统及各种控制程序，在DSP处理器植入了图像预处理算法和图像匹配算法等程序，并将FLASH中的程序调入到动态存储器SDRAM11中执行。

本发明的一种基于FPGA的嵌入式身份识别方法为：步骤一，装置接通电源，存储在EPCS存储器、FLASH中的配置信息加载到FPGA芯片中，进行FPGA的初始化，完成装置的启动功能。步骤二，把手指或脸靠近生物特征采集摄像头时装置能够检测到生物特征，进行图像采集。步骤三，将图像传给可编程片上系统(SOPC)处理模块进行处理，当与装置内样本存储器中的生物特征图像匹配时，给出识别结果，当不匹配时，可继续通过IP有线网络或GPRS无线网络连接到远程图像样本数据库服务器中进行比较，给出识别结果，进行下一步的操作。

有益效果：本发明主要提供一种嵌入式装置，使得该装置具有了部分计算机的功能，脱离了传统识别设备需要PC机的控制，采用了Nios II软核技术开发的嵌入式系统可根据用户的需求随时进行调整，避免了处理器更新换代带来的损失，同时处理器成本更低，对大多数用户而言，Nios II所占逻辑资源的成本大约在15元人民币左右，FPGA芯片的高集成度使该装置更加小巧，便于携带。该装置可广泛应用于需要进行个人信息认证的场合，如家庭用的指纹锁、商场用的指纹存物柜，银行用的指纹ATM取款机等等，同时本装置不仅仅局限于指纹的识别，对于其它图像特征只要改变相应的处理程序。该装置也能使得以FPGA为代表的嵌入式系统在计算机安全领域发挥更大作用，为计算机安全的进一步发展奠定基础。

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明生物特征识别装置的系统结构框图；

图2为本发明生物特征识别装置的可编程片上系统(SOPC)处理模块2的系统结构图；

图3为本发明生物特征识别装置的使用方法流程图；

图中：1.生物特征采集模块，2.可编程片上系统(SOPC)处理模块，3.远程生物特征图像库模块，4.结果显示模块，5.电源模块，6.FPGA芯片，7.Avalonbus，8.50M有源晶振，9.EPCS配置存储器，10.FLASH存储器，11.SDRAM存储器，12.配置接口，13.通信接口。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种基于FPGA嵌入式身份识别装置由生物特征采集模块1、可编程片上系统(SOPC)处理模块2、远程生物特征图像库模块3、结果显示模块4和电源模块5组成。其中，所述的可编程片上系统(SOPC)处理模块2由FPGA芯片6、Avalon bus7、50M有源晶振8、EPCS配置存储器9、FLASH存储器10、SDRAM存储器11、配置接口12、通信接口13等组成；可编程片上系统(SOPC)处理模块2通过USB接口分别与生物特征采集模块1和结果显示模块4连接，还通过以太网接口或无线网络与远程生物特征图像库3连接；电源模块5通过电源接口给可编程片上系统(SOPC)处理模块2供电；在可编程片上系统(SOPC)处理模块2中，FPGA芯片6通过Avalon bus7分别与LCD显示屏4、生物特征采集摄像头1、50M有源晶振8、EPCS配置存储器9、FLASH存储器10、SDRAM存储器11、配置接口12、通信接口13相连接。

其中，生物特征采集模块1，采用现有高分辨率的摄像头实现，负责生物特征图像的采集，并传输到图像处理系统。

可编程片上系统(SOPC)处理模块2，负责进行生物特征图像的预处理、识别功能，实现身份识别。具体实施见下面图2内容。

远程生物特征图像库模块3，可以由一台远程数据库服务器实现，可通过以太网或无线网络与装置相连接。

结果显示模块4，提供一块128*64的汉字液晶显示屏用于识别结果和系统调试信息的显示。

电源模块5，通过稳压电源接口将220V交流电转换成+5V直流电提供给装置，由装置提供3.3V或1.5V给各个工作单元供电。

如图2所示为生物特征识别装置的可编程片上系统(SOPC)处理模块及FPGA芯片的系统结构图。

FPGA芯片6，型号为CycloneII EP2C5Q208，采用Q208脚封装，有4608个Les(逻辑单元)，可实现多个Nios II处理器，有13个内嵌乘法器，可实现硬件DSP处理器，进行高速图像处理，其中Nios II处理器可以采用SOPC Builder来定制实现，DSP处理器可以采用DSP Builder来定制实现。

Avalon总线7，由数据、地址和控制信号以及仲裁逻辑组成，使用它可以将系统模块的外设连接起来。

LCD显示屏4，即为结果显示模块的实现，128*64的字符型液晶显示屏，用于身份识别结果的显示，系统调试时显示调试信息。

生物特征采集摄像头1，即为生物特征采集模块的实现，可以采用现有的高分辨率数码摄像头。用来监听外部输入，通过USB线缆连接到SOPC系统USB接口进行图像的传输。

50MHz有源晶振8，通过有源晶振给Nios II提供一个外部时钟输入，连接到FPGA专用时钟引脚clkin端。

EPCS配置存储器9，1Mbit容量，用于SOPC系统配置信息的存储。由于FPGA芯片基于SRAM技术，每次掉电后配置信息就会丢失，因此需要提供片外配置存储器。EPCS本质上是一块专用FLASH存储器，用于保存FPGA的配置信息，它在掉电后，不会丢失内容。

FLASH存储器(快速擦写闪存)10，8Mbit容量，如果EPCS容不下配置信息，则程序和数据可以放在外部FLASH中。同时FLASH也被用来存储装置内的部分生物特征样本。

SDRAM存储器(随机动态存储器)11，8Mbit容量，如果用户程序太大，超过了FPGA内部定制的最大内部RAM容量，则可以放在SDRAM中执行。

配置接口12，包括JTAG配置接口，AS串型模式接口各一个，用于EPCS、FLASH的读写，每当系统功能发生改变时，可通过该接口把修改的程序和数据在线烧录到存储器中，不影响装置的正常使用。

通信接口13，包括USB接口、GPRS/3G无线通信接口及Ethernet口，可直接与电脑进行连接，或通过USB蓝牙适配器与其它设备通信，同时也能与其它公共网络进行通信，连接到远程服务器上去。

如图3所示是本发明的一种基于FPGA嵌入式身份识别方法流程图，具体流程如下：

系统初始化：将装置接通电源通电后，装置首先要进行系统初始化，由基于FPGA实现的SOPC系统会从外部配置存储器把配置信息写入FPGA，做好初始化，并初始化生物特征采集器的功能，等待生物特征的输入。

图像采集：一旦图像处理系统处理器接受到有生物特征图像输入的中断请求时，生物特征采集摄像头完成图像采集的功能，并将采集到的图像送到可编程片上系统(SOPC)中的图像处理系统。

特征提取：可编程片上系统(SOPC)图像处理模块就对图像进行预处理，进行特征提取。

与FLASH内图像比对：可编程片上系统(SOPC)图像处理模块将图像特征与FLASH存储器内存储的图像样本特征进行比较，判断用户身份是否与现有的特征相符，当与装置内样本存储器中的生物特征图像匹配时，给出识别结果。

与远程图像库比对：当与装置内样本存储器中的生物特征图像不匹配时，可继续通过IP有线网络或GPRS无线网络连接到远程图像样本数据库服务器中进行比较，如果能够找到匹配的图像，则给出识别结果，进行下一步的操作。

保存图像：如果仍然没有找到匹配的图像，则可以根据需要将新的图像保存在远程图像样本数据库服务器中。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的嵌入式身份识别装置，其特征在于：该装置由生物特征采集模块(1)、可编程片上系统(SOPC)处理模块(2)、远程生物特征图像库(3)、结果显示模块(4)、电源模块(5)组成；其中，所述的可编程片上系统(SOPC)处理模块(2)由FPGA芯片(6)、Avalon bus(7)、50M有源晶振(8)、EPCS配置存储器(9)、FLASH存储器(10)、SDRAM存储器(11)、配置接口(12)、通信接口(13)等组成；可编程片上系统(SOPC)处理模块(2)通过USB接口与生物特征采集模块(1)和结果显示模块(4)连接，通过以太网接口或无线网络与远程生物特征图像库(3)连接，电源模块(5)通过电源接口给可编程片上系统(SOPC)处理模块(2)供电；在可编程片上系统(SOPC)处理模块(2)中，FPGA芯片(6)通过Avalon bus(7)分别与LCD显示屏(4)、生物特征采集摄像头(1)、50M有源晶振(8)、EPCS配置存储器(9)、FLASH存储器(10)、SDRAM存储器(11)、配置接口(12)、通信接口(13)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的嵌入式身份识别装置，其特征在于：所述的可编程片上系统(SOPC)处理模块(2)由FPGA芯片(6)和外围接口电路组成，通过SOPC技术将多个Nios II处理器、DSP处理器及内部存储器等全部集成在一块FPGA芯片(6)中，实现了基于FPGA的嵌入式系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的嵌入式身份识别装置，其特征在于：所述的EPCS配置存储器(9)、FLASH存储器(10)中存储有SOPC系统的配制信息和装置运行的数据信息，每次当装置通电后，配置信息会初始化FPGA，在FPGA中分别实现Nios II处理器和DSP处理器，在Nios II处理器植入了微操作系统及各种控制程序，在DSP处理器植入了图像预处理算法和图像匹配算法等程序，并将FLASH中的程序调入到SDRAM中执行。

4.一种基于FPGA的嵌入式身份识别方法，其特征在于：该识别方法包括：步骤1.装置接通电源，存储在EPCS存储器、FLASH中的配置信息加载到FPGA芯片中，进行FPGA的初始化，完成装置的启动功能；步骤2.把手指或脸靠近生物特征采集摄像头时装置能够检测到生物特征，进行图像采集；步骤3.将图像传给可编程片上系统(SOPC)处理模块进行处理，当与装置内样本存储器中的生物特征图像匹配时，给出识别结果，当不匹配时，可继续通过IP有线网络或GPRS无线网络连接到远程图像样本数据库服务器中进行比较，给出识别结果，进行下一步的操作。

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