功能要求

使用指纹采集器采集指纹信息，传送至SDRAM存储。在FPGA上对指纹进行处理和匹配，同时编写程序使FPGA与计算机通信并且在计算机上建立数据库，使得可以使用计算机的数据库完成数据管理。

性能要求

实现以精准，快速，实用性强的指纹识别系统。同时实现良好的FPGA与计算机通信的功能。

系统要点

本系统主要难点在于指纹识别的算法以及XILINX 与PC机通信时所需要写的驱动。

方案设计

系统功能实现原理

本系统采用FPGA作为核心控制芯片，通过FPC1011F传感器采集指纹传送至存储器SDRAM存储。在Spartan上运行的指纹处理程序对指纹信息进行处理获得特征点，并存储在SDRAM中或与SDRAM中的指纹信息进行匹配。最终，通过USB与计算机通信，使用计算机中的学生数据库。

硬件平台选用及资源配置

指纹传感器FPC1011F该传感器采用了多项专利，如独立的晶圆体信号放大、传感器表面的保护膜等。内部具有A/D转换，高速的SPI接口，8PIN的软排线可以方便的接入各种系统。

FPC1011F指纹传感器具有以下特点：
        
(1)FPC1011F芯片产自瑞典，采用独特的反射式测量法，抗静电可达正负15 kV，耐磨100万次，已被国内金融界公认为银行指定零件。
(2)采用专业的指纹识别芯片PS1802DSP和最优化的指纹算法，指纹成像效果好。
(3)处理速度快，峰值能达到480MIPS，在1：1 000模式下，时间小于1 s。
(4)功耗较同类产品低，正常工作主频120 MHz下，只有120 mW。
(5)模块体积为35 mm×26 mm×1 mm，便于各种指纹产品的开发。
(6)对干湿手指有自动调节功能。

FPC1011F指纹传感器含有小电容板，传感器使用高灵敏度像素放大器，让每个像素即使是非常微弱的信号FPC1011F都能探测到，以此提高图像质量。用了交替命令的并排列和传感器电板，交替板的形式是两个电容板，以及指纹的山谷和山脊成为板之间的电介质。两者之间的恒量电介质传感器检测变化生成指纹图像。
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SPI 通信接口

SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。

SDO – 主设备数据输出，从设备数据输入 。
SDI – 主设备数据输入，从设备数据输出 。
SCLK – 时钟信号，由主设备产生 。
CS – 从设备使能信号，由主设备控制 。

其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。 接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。

在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件要稍微复杂一些。

SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为8位,在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。如图3.4所示,在SCLK的下降沿上数据改变,同时一位数据被存入移位寄存器。

FPC1011F口主要由4个引脚构成：SPI_CK、SPI_DO、SPI_DI、/SS，SPI_CK是整个SPI总线的公用时钟，SPI_DO、SPI_DI作为主机，从机的输入输出的标志，SPI_DO是主机的输出，从机的输入，SPI_DI是主机的输入，从机的输出。/SS是从机的标志管脚，在互相通信的两个SPI总线的器件，/SS管脚的电平低的是从机，相反/SS管脚的电平高的是主机。在一个SPI通信系统中，必须有主机。SPI总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从。

SPI的片选可以扩充选择16个外设。

SPI接口的缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

SDRAM

SDRAM：同步动态随机存储器，同步动态随机存储器，同步是指 Memory工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。

FIFO模块

此模块主要功能是对已经收到的指纹数据进行缓存，避免指纹数据的丢失，因此此系统SPI工作频率为16MByte，而UART串口工作频率为38MByte。所以需要设定FIFO来使得SPI和UART协调工作。

UART模块

此模块的主要功能是和计算机进行通信，把接受到的数据通过计算机数据库显示出来。

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