CN205680104U - 一种指纹识别芯片及指纹识别设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种指纹识别芯片及指纹识别设备，该指纹识别芯片包括：用于连接预设图像传感器的第一接口模块；用于输出识别结果的第二接口模块；在所述第一接口模块与所述第二接口模块之间，设有一DSP芯片；所述DSP芯片包括：主控模块与图像处理模块，所述主控模块与所述图像处理模块通过数据总线相连接。本实用新型的指纹识别芯片从硬件上实现低功耗设计，且体积小，成本低，满足个人信息安全的需要。

Description

一种指纹识别芯片及指纹识别设备

技术领域

本实用新型属于芯片领域，更具体的，涉及一种指纹识别芯片及指纹识别设备。

背景技术

生物识别技术以其生物特征不易遗忘、防伪性能好、不易伪造或被盗、随身“携带”和随时随地可用等优点，是进行个人身份的鉴定的理想方法。而指纹识别在其中应用最为广泛，从它被发现时起，就被广泛地应用于契约等民用领域。

近年来，随着全球信息化浪潮的来临以及网络的发展，人们对于进行安全和便捷的信息交换的需求日趋强烈；另外，计算机图像处理和模式识别理论以及大规模集成电路技术的不断发展与成熟，指纹自动识别系统的体积不断缩小，价格不断降低，促进其在民用领域的应用也愈加广泛。从指纹考勤、指纹验证身份证、指纹识别笔记本、指纹网上银行，以及当下正时兴的指纹识别智能手机、指纹锁等应用中，不难看出，指纹识别技术正在信息化生活中扮演着重要的角色。

应用中对于指纹识别系统终端小体积的要求，使得开发一款用于指纹图像信息处理终端的专用芯片显得尤为重要，使用指纹系统时的实时性与便携易用的需要对芯片的处理能力以及功耗也提出了更高的指标。

虽然说指纹自动识别技术的发展已有若干年历史，其技术理论基础及基本的实现方法已经较为成熟，但是由于市场环境及社会环境的原因，直到近几年才在民用领域崭露头角。业界普遍的认为，2016年是指纹识别市场元年，因此，目前在市面上，专用的指纹处理芯片还鲜见其身影。目前，指纹终端设备中，指纹图像处理所采用的方式有以下几种：

1、软件实现

基本方式是由图像采集设备将指纹图像信息直接传送给PC或者工控机，由计算机执行建立在PC操作系统上的专业处理程序，对图像信息进行预处理、特征提取、特征比对等操作。

这种方案的优点是：依赖于通用计算机强大的运算能力，无需开发专门的硬件处理系统，系统实现快速灵活。

但是缺点也是显而易见的：便携性几乎为0，大多数的应用环境下，不能整天带着PC出行；可靠性不易保证，处理过程依赖于计算的软件执行，且运行在操作系统之上；安全性较差，没有硬件级的信息安全链；成本较高，难以满足大部分应用要求。

2、DSP芯片实现

处理过程采用通用DSP芯片，图像采集设备将指纹图像信息传送给通用的DSP芯片，由其进行图像处理及后续的运算过程。依赖于芯片级的硬件系统以及通用DSP强大的图像处理功能，此方案可以解决第一种方案的大部分问题。

但是仍然存在缺憾：仍然没有专业的硬件级信息安全保护；DSP芯片是针对所有的DSP算法实现，成本仍然偏高；功耗也不是特别理想。

值得一提的是，当前智能手机中利用手机系统中本已存在的DSP处理硬件，在无需增加专门处理硬件的情况下，实现了指纹信息的处理，是一种较好的解决方案。但是，安全性的问题仍然没有彻底解决。

3、指纹处理专用MCU

针对指纹图像处理的特点，设计专用于指纹处理领域的MCU，除图像采集部分外，指纹的预处理、特征提取、特征比对、特征保存等均在一块SOC中完成。该方案针对于指纹处理的应用量身打造，满足了设备对于硬件微型化、处理实时高效、成本可控制较低、便于加入硬件级的适于指纹应用的安全体系，是当前及今年指纹处理方面的发展趋势。

不过，此种方案属于定制化的集成电路设计，具有较高的技术门槛。

因此，现有技术中集成电路设计的指纹识别产品存在缺乏高效率，高能耗，集成度不够的问题。

实用新型内容

本实用新型公开一种指纹识别芯片及指纹识别设备，用于解决现有技术中集成电路设计的指纹识别产品存在缺乏高效率，高能耗，集成度不够的问题。

为实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供一种指纹识别芯片，并采用如下技术方案：

一种指纹识别芯片包括：用于连接预设图像传感器的第一接口模块；用于输出识别结果的第二接口模块；在所述第一接口模块与所述第二接口模块之间，设有一DSP芯片；所述DSP芯片包括：主控模块与图像处理模块，所述主控模块与所述图像处理模块通过数据总线相连接。

进一步地，所述主控模块包括：主控CPU；与所述主控CPU相连接的存储设备；以及与所述主控CPU相连接的电源供给控制器与计数器。

进一步地，所述图像处理模块包括：

用以实现图像识别及处理算法的多条数据总线，其中每条数据总线均连接DMA控制器，并行运算乘累加器及专用算法加速器；

其中，所述DMA控制器，所述并行运算乘累加器以及所述专用算法加速器均通过局部数据线连接对应的所述数据总线，所述数据总线通过局部总线连接所述主控CPU。

进一步地，所述第一接口模块包括：连接所述预设图像传感器的串行接口；与所述串行接口相连接的模拟输出端；与所述模拟输出端相连接的模拟信号输入端。

进一步地，所述第二接口模块为GPIO接口，至少包括如下之一：UART接口，SPI接口，7816接口以及I2C接口。

进一步地，所述主控CPU采用32位CPU内核。

根据本实用新型的另外一个方面，提供一种指纹识别设备，并采用如下技术方案：

一种指纹识别设备包括上述的指纹识别芯片。

本实用新型针对指纹处理中，大部分的运算均是相同指令，但是数据序列较长的特点，设计了多组数据总线，每组数据总线中有一个DMA控制器来进行管理，在完成配置后，DMA控制器可自动完成将数据从存储器中读出、送入运算器进行运算、再写回存储器的过程。多组数据总线可并行工作，当然，这是需要主控CPU进行协调，避免存储器冲突的情况下。这个方式大大提高了数据的吞吐量，配合后续介绍的多种硬件加速器，可极大的加快数据运算的速度。另外，多种专用的硬件加速器，大大提高计算速度且节省功耗，这样指令的取指译码转变为一次性的配置，极大提高了运算效率。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1表示本实用新型实施例一所述的一种指纹识别芯片的结构示意图；

图2表示本实用新型实施例二所述的一种指纹识别芯片的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一

图1表示本实用新型实施例一所述的一种指纹识别芯片的结构示意图。

参见图1所示，一种指纹识别芯片包括：用于连接预设图像采集模块的第一接口模块10；用于输出识别结果的第二接口模块20；在所述第一接口模块10与所述第二接口模块20之间，设有一DSP芯片30；所述DSP芯片30包括：主控模块31与图像处理模块32，所述主控模块31与所述图像处理模块32通过数据总线相连接。

在本实施例的技术方案中，第一接口模块10主要用于连接图像采集模块，用于指纹采集，例如指纹传感器。第二接口模块20主要用于输出识别的结果，例如相符或不相符，也可以直接进行执行环节，比如指纹相符的情况下，自动门打开。完成指纹识别的工作在DSP芯片30中完成，因此，DSP芯片30具有较强的数字信号处理能力，即将小规模的图像处理系统嵌入进DSP芯片30，以实现指纹识别的目的。

本实施例通过一芯片将第一接口模块10、第二接口模块20、DSP芯片30集成在一个芯片上，实现指纹识别，以达到高效能，低能耗，低成本的要求。

实施例二

图2表示本实用新型实施例二所述的一种指纹识别芯片的结构示意图。

优选地，所述主控模块31包括：主控CPU，图2中采用主控32为CPU，；与所述主控CPU相连接的存储设备，可以为ROM、程序缓存，Flash闪存等等；以及与所述主控CPU相连接的电源供给控制器与计数器，具体可以为电源与时钟管理模块，以及计数器。

优选地，所述图像处理模块32包括：用以实现图像识别及处理算法的多条数据总线，其中每条数据总线均连接DMA控制器，并行运算乘累加器及专用算法加速器，例如图2中的0#数据总线，1#数据总线，2#数据总线，3#数据总线，对应的设有DMA控制器，并与存储器管理单元相连接。

其中，所述DMA控制器，所述并行运算乘累加器以及所述专用算法加速器均通过局部数据线连接对应的所述数据总线，所述数据总线通过局部总线连接所述主控CPU。

优选地，所述第一接口模块10包括：连接所述预设图像采集模块的串行接口；与所述串行接口相连接的模拟输出端；与所述模拟输出端相连接的模拟信号输入端。

优选地，所述第二接口模块20为GPIO接口，至少包括如下之一：UART接口，SPI接口，7816接口以及I2C接口。

优选地，所述主控CPU采用32位CPU内核。

一种指纹识别设备包括上述的指纹识别芯片。

本实用新型的技术方案与现有技术相比具有如下优势：

优势一：对体系结构进行优化，提高数据吞吐量DSP算法具有运算指令重复、数据量大等特点。指纹图像处理同样具有这样的特点。要对其运算处理的过程进行深入优化，就必须要在SOC芯片的基本结构上进行改进。目前，已有同类产品多采用处理器设计厂商的CPU IP核(例如ARM)，这样的方式固然可以使设计难度降低，设计周期加快，但难以针对特定问题对体系结构进行深度的改进。本产品采用我们团队自主研发的专用32位CPU核，可以对SOC的体系结构进行改造，以适应指纹处理运算的特点。

针对指纹处理中，大部分的运算均是相同指令，但是数据序列较长的特点，我们设计了多组数据总线，每组数据总线中有一个DMA控制器来进行管理，在完成配置后，DMA控制器可自动完成将数据从存储器中读出、送入运算器进行运算、再写回存储器的过程。多组数据总线可并行工作，当然，这是需要主控CPU进行协调，避免存储器冲突的情况下。这个方式大大提高了数据的吞吐量，配合后续介绍的多种硬件加速器，可极大的加快数据运算的速度。

优势二：多种专用的硬件加速器，大大提高计算速度且节省功耗。CPU的处理是基于指令执行过程，避免不了取指、译码、执行的过程。而上一小结我们已经提到，DSP算法的特点是指令重复、数据量大，这样如果算法使用CPU进行运算，大部分情况下，取指、译码的过程是对运算速度的折扣和功耗的极大浪费。

本实用新型采取的策略是，加入多种专用的硬件加速器，这样指令的取指译码转变为一次性的配置，极大提高了运算效率。当然，这在一定程度上会增加硬件实现的成本，但是DSP的单个算子是相对简单的，所以由于这个方案导致的问题并不显著。典型的硬件加速器有：卷积加速器，主要用于数据序列的乘累加型运算，每个时钟并性实现最多达64个乘法和64个加法运算；序列运算ALU，主要用于数据序列的加、减、乘、移位、拷贝等运算,运算效率通常为每个时钟2-4个点；序列统计单元，在序列运算过程中自动统计运算结果的平均值、方差、最大值、最小值和过零数；中值滤波器，支持三点和五点的中值滤波运算,运算效率为每个时钟0.5个点；其他，另外还有保证信息安全的SM4密码算法加速器，保证指纹信息的安全。

优势三：丰富的功耗管理模式，降低芯片平均功耗，a>工作频率软件可调；

系统工作主频96MHZ、48MHZ、12MHZ、3MHZ和750KHZ五档可调；

CPU工作主频48Mips、24Mips、6Mips、1.5Mips和0.6Mips五档可调；

b>支持深度休眠模式；CPU停止工作，实时钟正常工作，中断响应或I/O唤醒CPU；待机电流<10μA；唤醒时间<20us。

优势四：全定制的设计方法，提高SOC芯片的集成度，进一步降低芯片功耗。一方面，全定制方法可以采用更加简化的逻辑设计来进行硬件模块的实现，此乃提高了芯片功能的集成度，减小芯片面积。另一方面，精耕细作的减小电路规模和连线寄生电容，使得电路运行过程中的功耗指标有明显改善。

优势五：丰富的接口使得整机集成者最大程度上实现单片解决方案，降低整机成本。

综上，本实用新型是针对指纹处理运算的特点，定制了一款高性能、低功耗、成本适中的创新型SOC芯片，能满足当前民用指纹识别终端设备中，对指纹处理部分实时性、省电易用、价格亲民的多种需求。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种指纹识别芯片，其特征在于，包括：

用于连接预设图像传感器的第一接口模块；

用于输出识别结果的第二接口模块；

在所述第一接口模块与所述第二接口模块之间，设有一DSP芯片；

所述DSP芯片包括：

主控模块与图像处理模块，所述主控模块与所述图像处理模块通过数据总线相连接；

所述图像处理模块包括：

用以实现图像识别及处理算法的多条数据总线，其中每条数据总线均连接DMA控制器，并行运算乘累加器及专用算法加速器；

其中，所述DMA控制器，所述并行运算乘累加器以及所述专用算法加速器均通过局部数据线连接对应的所述数据总线，所述数据总线通过局部总线连接所述主控CPU。

2.如权利要求1所述的指纹识别芯片，其特征在于，所述主控模块包括：

主控CPU；

与所述主控CPU相连接的存储设备；以及

与所述主控CPU相连接的电源供给控制器与计数器。

3.如权利要求1所述的指纹识别芯片，其特征在于，所述第一接口模块包括：

连接所述预设图像传感器的串行接口；

与所述串行接口相连接的模拟输出端；

与所述模拟输出端相连接的模拟信号输入端。

4.如权利要求1所述的指纹识别芯片，其特征在于，所述第二接口模块为GPIO接口，至少包括如下之一：

UART接口，SPI接口，7816接口以及I2C接口。

5.如权利要求1至4任一项所述的指纹识别芯片，其特征在于，所述主控CPU采用32位CPU内核。

6.一种指纹识别设备，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的 指纹识别芯片。