摘 要：针对掌纹识别系统中的图像采集问题，提出了一种基于DSP和CPLD的掌纹图像采集系统的设计方法。将DSP的特殊设计结构作为算法处理核心，对掌纹图像进行采集、存储和处理。采用OV7620作为掌纹传感器,并利用CPLD完成DSP与OV7620之间的逻辑信号转换，设计出了一套实时、高性能的掌纹采集系统。实践证明，该图像采集系统运行稳定、可靠，具有一定的应用推广性和参考价值。
关键词：掌纹；图像采集; DSP; CPLD
随着计算机及嵌入式系统技术的发展，生物特征识别系统被应用于各个领域中。掌纹识别系统作为生物特征识别系统的一个重要方面，被广泛关注[1]。掌纹图像采集问题是掌纹识别系统中的一个难题。传统的掌纹图像采集系统大都基于计算机系统为处理核心，配合摄像头和图像采集卡来实现图像采集，通过算法处理软件完成掌纹图像的后期加工与处理。这种工作方式中，计算机扮演了主要角色。然而，这种计算机参与的系统应用场合受到很大限制，难以在工业或军事等复杂环境下灵活运用[2]。因此，设计出一套无计算机参与的图像采集系统具有非常大的必要性[3]。DSP作为数字信号处理器，凭借其特殊的设计结构成为了大多数专业图像处理系统的首选核心设备，可用来完成图像的采集、存储和处理。OV7620是一款CMOS型图像采集集成芯片，作为图像采集传感器被广泛应用。CPLD设备可对不同的电子器件的逻辑信号进行转换。结合目前的现状，本文将对基于DSP 和CPLD的掌纹图像采集系统设计进行介绍。
1 DSP TMS320VC5509简介
与采用冯诺依曼结构的计算机不同，DSP采用的是哈佛结构设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令并进行译码，这大大提高了微处理器的速度[4]。TMS320VC5509是一款速度高、低功耗的定点DSP，工作主频达144 MHz，每时钟周期执行1~2条指令，两个乘法器、两个加法器、3套内部读总线和两套内部写总线,广泛应用于嵌入式、通信、工业控制、数字音频、生物识别等技术领域中[5]。
2 系统设计整体架构
本系统由算法处理核心DSP芯片TMS320VC5509、掌纹采集传感器OV7620、逻辑转换芯片CPLD EPM7032和图像存储器Micron公司的SDRAM MT48LC4M16A2TG组成。系统整体框图如图1所示。当进行掌纹图像采集时，算法处理核心DSP利用I2C总线对OV7620进行初始化设置，CMOS传感器芯片OV7620完成掌纹图像的摄取和A/D变换并按照设置的格式输出图像数据信号。DSP读取经过CPLD进行逻辑变换的掌纹图像数据信号，并将它们存储到SDRAM中。
3.2 CPLD逻辑转换电路
在基于DSP的掌纹图像采集系统中，一个非常关键的问题就是DSP如何读取并存储OV7620采集输出的掌纹图像数据。从OV7620的工作原理介绍中知道，无论是PCLK像素时钟、VSYNC为场同步信号、HREF行同步信号还是FODD为奇偶场信号，都是上升沿触发有效信号。由OV7620的工作时序可知，PCLK像素时钟与HREF行同步信号、HREF行同步信号与VSYNC为场同步信号之间存在着一定的内在关系[7]。只有在行同步信号HREF有效的情况下，PCLK的图像数据才有效。类似地，只有在VSYNC场同步信号有效的情况下，HREF的信号才有意义。因此，采集一幅掌纹图像数据需要设计一个合理的逻辑变换系统来实现。
Altera公司的CPLD EPM7032在这个系统设计中完成的就是掌纹图像采集芯片与算法处理核心DSP之间的逻辑变换功能[8]。它将OV7620采集输出的控制信号进行适当的逻辑变换，很好地解决了信号逻辑不兼容的问题，从而使得DSP可以直接读取并存储采集传感器采集到的掌纹图像数据。OV7620与DSP之间的控制信号的CPLD逻辑变换设计图如图3所示。
从表1可以看出，DSP的外部中断INT1的逻辑时序一样，而状态正好与场同步信号VSYNC相反。由前面的介绍知道，DSP的INT1是下降沿触发信号，而VSYNC是上升沿触发信号,这种设计正好满足信号变换需求[9]。而且每个VSYNC时钟周期进行一场图像数据信号的采集存储，因此，INT1外部中断可以用来编写采集每场图像数据信号的程序。
表2反映了INT2与PCLK、HREF的逻辑关系，INT2只有在时钟像素PCLK和行同步信号HREF同时为高电平时才为低。这就保证了只有在HREF在高电平期间才有可能产生INT2中断信号，而且是每个PCLK时钟周期产生一次下降沿中断信号。同样地，这也为DSP设计INT2中断为采集一幅掌纹图像数据的每行数据信号提供了物理层上的基础[10]。
结合以上两点，OV7620输出的图像数据控制信号PCLK、HREF和VSYNC经过CPLD的逻辑变换后，产生了符合触发DSP外部中断功能的逻辑信号。这样，CPLD EPM7032就完成了DSP与OV7620之间控制信号的逻辑变换功能。在此基础上，通过设计两个DSP外部中断函数就可以完成DSP对掌纹图像数据的读取与存储。实践证明，基于DSP和CPLD的掌纹图像采集系统运行稳定、可靠。
本文提出了一套基于TMS320VC5509的掌纹图像采集系统的设计方法。利用DSP TMS320VC5509作为算法处理核心，CPLD将OV7620采集到的图像数据进行逻辑变换，提供给DSP进行处理和存储。该设计方法解决了DSP与采集传感器时序信号不匹配的问题，实现了图像的有效采集，解决了掌纹图像采集系统中最为关键的难题。本文提出的掌纹图像采集系统的设计与实现具有一定的实际应用价值，为实现一个高集成度、高性能的实时高速图像处理系统提供了基础。
参考文献
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