功能要求

使用指紋采集器采集指紋信息，傳送至SDRAM存儲。在FPGA上對指紋進行處理和匹配，同時編寫程序使FPGA與計算機通信并且在計算機上建立數據庫，使得可以使用計算機的數據庫完成數據管理。

性能要求

實現以精準，快速，實用性強的指紋識別系統。同時實現良好的FPGA與計算機通信的功能。

系統要點

本系統主要難點在于指紋識別的算法以及XILINX 與PC機通信時所需要寫的驅動。

方案設計

系統功能實現原理

本系統采用FPGA作為核心控制芯片，通過FPC1011F傳感器采集指紋傳送至存儲器SDRAM存儲。在Spartan上運行的指紋處理程序對指紋信息進行處理獲得特征點，并存儲在SDRAM中或與SDRAM中的指紋信息進行匹配。最終，通過USB與計算機通信，使用計算機中的學生數據庫。

硬件平臺選用及資源配置

指紋傳感器FPC1011F該傳感器采用了多項專利，如獨立的晶圓體信號放大、傳感器表面的保護膜等。內部具有A/D轉換，高速的SPI接口，8PIN的軟排線可以方便的接入各種系統。

FPC1011F指紋傳感器具有以下特點：
        
(1)FPC1011F芯片產自瑞典，采用獨特的反射式測量法，抗靜電可達正負15 kV，耐磨100萬次，已被國內金融界公認為銀行指定零件。
(2)采用專業的指紋識別芯片PS1802DSP和最優化的指紋算法，指紋成像效果好。
(3)處理速度快，峰值能達到480MIPS，在1：1 000模式下，時間小于1 s。
(4)功耗較同類產品低，正常工作主頻120 MHz下，只有120 mW。
(5)模塊體積為35 mm×26 mm×1 mm，便于各種指紋產品的開發。
(6)對干濕手指有自動調節功能。

FPC1011F指紋傳感器含有小電容板，傳感器使用高靈敏度像素放大器，讓每個像素即使是非常微弱的信號FPC1011F都能探測到，以此提高圖像質量。用了交替命令的并排列和傳感器電板，交替板的形式是兩個電容板，以及指紋的山谷和山脊成為板之間的電介質。兩者之間的恒量電介質傳感器檢測變化生成指紋圖像。
[page]
SPI 通信接口

SPI接口主要應用在 EEPROM，FLASH，實時時鐘，AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現在越來越多的芯片集成了這種通信協議。

SPI總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。外圍設置FLASHRAM、網絡控制器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。SPI總線系統可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCK）、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS(有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT、有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數據線MOSI)。

SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以（用于單向傳輸時，也就是半雙工方式）。也是所有基于SPI的設備共有的，它們是SDI（數據輸入），SDO（數據輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。

SDO – 主設備數據輸出，從設備數據輸入 。
SDI – 主設備數據輸入，從設備數據輸出 。
SCLK – 時鐘信號，由主設備產生 。
CS – 從設備使能信號，由主設備控制 。

其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預先規定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個SPI設備成為可能。 接下來就負責通訊的3根線了。通訊是通過數據交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協議，也就是說數據是一位一位的傳輸的。這就是SCK時鐘線存在的原因，由SCK提供時鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過 SDO線，數據在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數據的傳輸。

要注意的是，SCK信號線只由主設備控制，從設備不能控制信號線。同樣，在一個基于SPI的設備中，至少有一個主控設備。這樣傳輸的特點：這樣的傳輸方式有一個優點，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續傳送至少8位數據，而SPI允許數據一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCK時鐘線由主控設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數據。也就是說，主設備通過對SCK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。SPI還是一個數據交換協議：因為SPI的數據輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數據的輸入和輸出。不同的SPI設備的實現方式不盡相同，主要是數據改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關器件的文檔。

在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。在多個從設備的系統中，每個從設備需要獨立的使能信號，硬件要稍微復雜一些。

SPI接口在內部硬件實際上是兩個簡單的移位寄存器,傳輸的數據為8位,在主器件產生的從器件使能信號和移位脈沖下,按位傳輸,高位在前,低位在后。如圖3.4所示,在SCLK的下降沿上數據改變,同時一位數據被存入移位寄存器。

FPC1011F口主要由4個引腳構成：SPI_CK、SPI_DO、SPI_DI、/SS，SPI_CK是整個SPI總線的公用時鐘，SPI_DO、SPI_DI作為主機，從機的輸入輸出的標志，SPI_DO是主機的輸出，從機的輸入，SPI_DI是主機的輸入，從機的輸出。/SS是從機的標志管腳，在互相通信的兩個SPI總線的器件，/SS管腳的電平低的是從機，相反/SS管腳的電平高的是主機。在一個SPI通信系統中，必須有主機。SPI總線可以配置成單主單從，單主多從，互為主從。

SPI的片選可以擴充選擇16個外設。

SPI接口的缺點：沒有指定的流控制，沒有應答機制確認是否接收到數據。

SDRAM

SDRAM：同步動態隨機存儲器，同步動態隨機存儲器，同步是指 Memory工作需要同步時鐘，內部的命令的發送與數據的傳輸都以它為基準；動態是指存儲陣列需要不斷的刷新來保證數據不丟失；隨機是指數據不是線性依次存儲，而是自由指定地址進行數據讀寫。

FIFO模塊

此模塊主要功能是對已經收到的指紋數據進行緩存，避免指紋數據的丟失，因此此系統SPI工作頻率為16MByte，而UART串口工作頻率為38MByte。所以需要設定FIFO來使得SPI和UART協調工作。

UART模塊

此模塊的主要功能是和計算機進行通信，把接受到的數據通過計算機數據庫顯示出來。

相關閱讀：

無線傳感器網絡射頻前端系統架構如何實現低功耗？
包裝領域竟也有如此多的傳感器，你知曉嗎？
皮膚要想仿真，大腦傳感器才是關鍵！