摘要：介紹基于nios ii處理器的嵌入式自動指紋識別系統(tǒng)的實現方法；具體說明自動指紋識別系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)總體結構、硬件結構設計、用戶自定義指令的設計，以及指紋識別算法的處理流程和實現方法。

    關鍵詞：嵌入式 指紋識別 nios ii 定制指令

    引 言

    指紋識別作為生物特征識別的一種，在身份識別上有著其他手段不可比擬的優(yōu)越性：人的指紋具有唯一性和穩(wěn)定性的特點；隨著指紋傳感器性能的提高和價格的降低，指紋的采集相對容易；指紋的識別算法已經較為成熟。由于指紋識別的諸多優(yōu)點，指紋識別技術已經逐漸走入民用市場，并應用到許多嵌入式設備中。

    目前的嵌入式處理器種類繁多。altera公司的nios ii處理器是用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器，與altera的低成本的cyclone fpga組合，具有很高的性能價格比。本系統(tǒng)采用nios ii和cyclone ep1c20嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板，以及veridicom公司的fps200指紋傳感器芯片，實現了一個嵌入式自動指紋識別系統(tǒng)。

    1 總體設計及系統(tǒng)架構

    本系統(tǒng)有兩大功能：指紋登記和指紋比對。指紋登記主要包括指紋采集、指紋圖像預處理、特征點提取、特征模板存儲和輸出顯示；指紋比對的前三步與指紋登記相同，但在特征點提取后，是將生成的特征模板與存儲在指紋特征模板庫中的特征模板進行特征匹配，最后輸出顯示匹配結果。自動指紋識別系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示。

    本系統(tǒng)在結構上分為三層：系統(tǒng)硬件平臺、操作系統(tǒng)和指紋識別算法。系統(tǒng)層次結構如圖2所示。

    圖1自動指紋識別的基本原理框圖

    圖2系統(tǒng)層次

    最底層——系統(tǒng)硬件平臺，是系統(tǒng)的物理基礎，提供軟件的運行平臺和通信接口。系統(tǒng)的硬件平臺在altera的nios ii cyclone嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板上實現，指紋傳感器采用美國veridicom公司的fps200。fps200可輸出大小為256×300像素、分辨率為500 dpi的灰度圖像。

    第二層是操作系統(tǒng)，采用μc/osii。μc/osii是一個基于搶占式的實時多任務內核，可固化、可剪裁、具有高穩(wěn)定性和可靠性。這一層提供任務調度以及接口驅動，同時，通過硬件中斷來實現系統(tǒng)對外界的通信請求的實時響應，如對指紋采集的控制、對串口通信的控制等。這種方式可以提高系統(tǒng)的運行效率。

    最上層是指紋識別核心算法的實現。該算法高效地對采集到的指紋進行處理和匹配。采用c語言在nios ii的集成開發(fā)環(huán)境（ide）中實現。

    2 系統(tǒng)硬件的設計與實現

    2.1 nios ii嵌入式軟核處理器簡介

    nios ii嵌入式處理器是altera公司于2004年6月推出的第二代用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器，性能超過200 dmips。nios ii是基于哈佛結構的risc通用嵌入式處理器軟核，能與用戶邏輯相結合，編程至altera的fpga中。處理器具有32位指令集，32位數據通道和可配置的指令以及數據緩沖。它特別為可編程邏輯進行了優(yōu)化設計，也為可編程單芯片系統(tǒng)（sopc）設計了一套綜合解決方案。nios ii處理器系列包括三種內核：一種是高性能的內核（nios ii/f）；一種是低成本內核（nios ii/e）；一種是性能/成本折中的標準內核（nios ii/s），是前兩種的平衡。本系統(tǒng)采用標準內核。

    nios ii 處理器支持256 個具有固定或可變時鐘周期操作的定制指令；允許nios ii設計人員利用擴展cpu指令集，通過提升那些對時間敏感的應用軟件的運行速度，來提高系統(tǒng)性能。

    2.2 硬件平臺結構

    系統(tǒng)的硬件平臺結構如圖3所示。