基于USB和CMOS图像传感器的指纹识别仪设计

　　USB快速批量传输的实现

　　USB控制接口芯片AN2131QC特性简介

　　AN2131QC是基于USB1.1协议设计的，支持高速12Mb/s的传输速率，内嵌有增强型8051微控制器、8kB的RAM和一个智能USB内核的收发器，它包含一个I2C总线控制器和3个8位多功能I/O口，有8位数据总线和16位地址总线用于外部RAM扩展。其结构如图5所示。

　　图5　AN2131QC结构简图

　　AN2131QC内部的USB差分收发器连接到USB总线的D+和D-上。串行接口引擎(SIE)对USB总线上串行数据进行编码和译码(即实现USB协议的打包和解包工作)，同时执行错误纠正、位填充及其它USB需要的信号标准，这种机制大大减轻了8051的工作，简化了固件的编程。内核微处理器是一个增强型8051，其指令周期为4 个时钟周期并具有双DPTR指针，同时指令与标准8051兼容。它使用内部RAM存储固件程序和数据，上电后，主机通过USB总线将固件程序和外设特性描述符下载到内部RAM(也可以直接从板上E2PROM上读取)，然后重连接，按照下载的特性描速符进行重枚举，这种设计可以实现软件USB快速批量传输的实现。

　　当采集的指纹数据导入了由SRAM和CPLD构成的高速数据缓冲缓冲区后，要通过USB接口将数据发送到上位PC机，AN2131QC必须先将数据读入到内部USB缓冲区，因此，AN2131QC将数据传到内部USB缓冲的速度将是整个USB数据传输速度快慢的关键。为了使USB数据传输(从外部读入数据并将之传到PC机)达到最快，需要采用很多措施，下面就设计指纹识别仪固件(AN2131QC程序)中采用的USB批量传输进行探讨。

　　正常情况下，AN2131QC内核结构从外部读入数据到USB的端点缓冲区，要使用的汇编程序为：

　　movx a，@dptr;读外部数据到acc寄存器incdptr;外部地址加1

　　incdps;切换DPTR指针(内核有双DPTR指针，用dps进行切换)

　　movx @dptr，a;将acc内容放入USB缓冲区

　　incdptr;USB缓冲区地址加1

　　incdps;切换DPTR指针

　　由上述程序可知，数据在寄存器中完成操作后，都必须有一个“incdptr”和“incdps”指令来完成16位地址的增加和缓冲区指针切换。为了消除这种内部消耗，使用AN2131QC提供的一种特殊的硬件指针即自动指针(只用于内部缓冲区)，8051装载USB缓冲区地址到两个AUTOPTRH (高字节地址)和AUTOPTRL(低字节地址)寄存器中，向AUTODATA写入的数据就直接存入由AUTOPTR/H2L指向的地址缓冲区中，并且内核自动增加AUTOPTR/H2L中16位地址的值。这样USB缓冲区可以像FIFO一样来顺序写入数据，节省了每次写内部USB缓冲区时的“incdptr”指令。同时内核还提供一种快速模式(只用于对外部数据操作)，此模式从外部读数据“movx a，@dptr”时，直接将外部数据总线和内部缓冲区连在一起，由于使用CPLD和SRAM构成的指纹高速缓冲区具有FIFO的性质，所以使用快速模式读外部指纹数据时也节省了“incdptr”指令。将上述两种方式结合起来，读外部数据到内部缓冲区程序就只需要一条指令：movx @dptr，A(dptR存放AUTODATA寄存器地址)，此指令需要两个8051机器周期(8个24MHz时钟周期)。这样，一个字节可以在333ns内读入到USB端点缓冲区。

　　在USB接口数据传输一侧，当PC机要对一特定端点进行读数据并发送IN令牌，如果一个IN令牌到达时8051还没有完成向USB端点缓冲区的数据装载(读外部数据)，AN2131QC就发送一个NAK握手信号来响应IN令牌，表明PC机应该在稍后再发送一个IN令牌。为了解决这种等待从而达到最快的传输速度，可以使用双缓冲技术(端点配对)，使8051在前一个数据包在USB总线上传输的时候，装载块数据的下一个数据包。

　　结　论

　　利用CMOS数字图像传感器OV762M和USB控制器AN2131QC实现的指纹仪结构简单，体积小，使用方便。指纹识别系统中使用CPLD技术实现了高速缓冲，解决了速度时序匹配问题;使用了快速批量USB传输技术实现了数据的快速传输，使指纹数据的传输达到最高速(每帧传输只用80Ms)。使用现论述的方法实现的指纹仪采集的指纹数据经PC机重现后效果如图6所示(左图是未经任何处理的重现，右图是经过平滑、细化等算法处理后的重现)。

　　图6　采集指纹重现效果(处理前后)