В. Чернов

Микросхема для считывания отпечатков пальцев FDC4A14 фирмы Atmel

В настоящее время, в связи с развитием всевозможных электронных систем контроля, вс╦ большее распространение получают различные системы идентификации. Принцип действия таких систем основан на определении наличия у идентифицируемого объекта идентифицирующих устройств, признаков или информации, таких как, например, радиочастотные или контактные пластиковые карты, пароли и так далее. Одним из признаков распознавания личности человека является отпечаток его пальца.

Существует ряд способов считывания рисунка отпечатка пальца. Первым из них является оптический. Принцип его работы следующий (рис. 1):

• свет от источника попадает на грань треугольной призмы, к другой грани прикладывается палец, отраж╦нный свет от которого, проходя через призму, попадает на фотодатчик, преобразующий световую информацию в видеоизображение, которое далее оцифровывается и попадает в компьютер, где и сравнивается с имеющейся базой данных.

Вторым способом считывания отпечатка пальца является электронный, к нему относятся всевозможные датчики, считывающие изображение с емкостных, резистивных и других матриц. Изображение складывается из разностей емкостей и сопротивлений, появляющихся вследствие неровности поверхности пальца.

Фирма Atmel Grenoble выпустила на рынок новую микросхему считывания отпечатков пальцев FDC4A14. Принцип е╦ действия основан на определении рисунка температур. Для работы микросхемы не требуется ни источника света, ни призмы, ни видеосистемы. FDC4A14 имеет правильную линейную форму, что позволяет легко встраивать эту схему во всевозможные миниатюрные считывающие системы. Микросхема выпускается в двух типах корпусов DIP и COB - Chip-on-Board Package (рис. 2).

FDC4A14 имеет малый размер считывающей поверхности - 0,4x14 мм, что объясняет достаточно низкую цену микросхемы. Стоимость е╦ составляет от 10√30$, в зависимости от количества поставляемых изделий. Считывание рисунка происходит во время движения пальца по поверхности сенсора. Максимальная скорость движения пальца не должна превышать 53,4 см/с (~2 км/ч!). Разрешающая способность схемы - 500 dpi.

FDC4A14 получает некоторое, задаваемое программно число изображений в секунду, аналого-цифровой преобразователь посылает цифровой кадр, адаптированный для EPP - параллельного порта, USB-контроллера, либо непосредственно микропроцессора. Не требуется ни схем захвата кадров, ни схем логического сопряжения. Этот факт делает FDC4A14 легко встраиваемой в любые системы идентификации и верификации.

Функциональная схема FDC4A14 показана на рис. 3. Схема разделена на две части: сенсор и преобразователь данных. Столбцы сенсорных датчиков объединены в массивы размерностью 280+1, где каждый элемент посылает электрический сигнал на один из двух усилителей (по одному на линейку), одновременно производится выборка по двум линиям (ч╦тной и неч╦тной), далее сигнал поступает в АЦП и регистр, выходы которого выведены на внешние выводы. Таким образом, за один такт может быть прочитано 2 точки.

После включения питания схемы пода╦тся сигнал Reset. Для более устойчивой работы его можно подавать перед каждым считыванием кадра, однако это не является необходимым условием.

Начальная последовательность операций может быть следующей (рис. 4):

• установка на выводе RST состояния высокого уровня;
• установка RST в состояние низкого уровня;
• посылка 4-тактовых импульсов (связано с конвейеризацией);
• посылка импульсов для пропуска первого кадра, так как он никогда не бывает корректным.

Кадр состоит из 280 действительных + 1 фиктивной точек. Так как две точки выводятся одновременно, система должна посылать 281x4 = 1124 импульса для чтения одного кадра. Reset в это время должен быть установлен в состояние логического нуля.

Входные импульсы считываются во время спада, данные поступают на выход во время переднего фронта. После стартовой последовательности, по каждому импульсу на выходах Do0-3, De0-3 появляется новый байт изображения. Этот байт содержит две точки: 4 бита на Do0-3 (неч╦тный пиксел) и 4 бита на De0-3 (ч╦тный пиксел). Для вывода данных необходимо установить вход OE в состояние низкого уровня. Когда на OE "1", выходы Do0-3, De0-3 находятся в состоянии высокого импеданса, что позволяет подключать микросхему непосредственно на шину микропроцессора без использования внешней логики, подключая OE через селектор адресов. FDC4A14 лишь переда╦т данные, то есть процессор должен работать с данной схемой только в режиме чтения, так как нет необходимости в каких-либо управляющих командах.

В схеме также предусмотрены видеовыходы AVE и AVO. Их особенностью является то, что видеоданные, вследствие конвейеризации, появляются на выходе на один такт раньше цифровых. Первым пикселом последовательности является пиксел, расположенный в левом верхнем углу сенсорной матрицы. Для каждого столбца из 8 точек: 1-, 3-, 5-, 7-я выводятся через неч╦тные выходы данных, выводы Do0-3; 2-, 4-, 6-, 8-я - через ч╦тные выходы, выводы De0-3; при этом старшим разрядом является бит 3, младшим - 0.

Фиктивный пиксел в строке необходим для синхронизации начала строки. В двух ч╦тных строках (байты 1, 2 или DB1, DB2) пикселы всегда имеют нулевое значение, в двух неч╦тных - 0хF. В реальном изображении такого быть не может, а поскольку данная последовательность присутствует в каждом кадре, она является хорошим признаком распознавания границ строки.

Каждый пиксел является температурным датчиком, определяющим разницу температур поверхности микросхемы и пальца. В лучшем случае, температура пальца значительно отличается от температуры поверхности сенсора, в худшем - они примерно равны. Для получения контрастного изображения минимальная необходимая разница температур - 1º. Критическое значение температуры находится в районе 33º (± 5º ввиду различия температуры пальцев), в этом диапозоне температура поверхности сенсора может совпасть с температурой идентифицируемой поверхности. FDC4A14 содержит схему стабилизации температуры для обеспечения необходимого качества изображения.

Возможно несколько стратегий стабилизации температуры, зависящих от внешних условий:

• в первую очередь считываем температуру. Если она находится вне критического диапазона (вблизи 33º), нет необходимости в температурной стабилизации;
• если потребляемая мощность не является критическим ресурсом, а температура сенсора обычно находится в критической области, то можно стабилизировать температуру схемы заведомо выше температуры пальца (>37º). Процесс стабилизации может занять достаточно длительный промежуток времени, порядка минуты или более, в зависимости от окружающей среды, начальной температуры схемы и конструктивных особенностей устройства;
• если потребляемая мощность является критическим ресурсом, лучшим решением будет в начале выполнить пробное считывание. Если после этого распознавание провести не уда╦тся, и температура датчиков будет находится в критической зоне, необходимо в течение нескольких секунд провести температурную стабилизацию, после чего вновь произвести считывание и распознавание.

Для управления температурным режимом в FDC4A14 предусмотрены следующие возможности:

• информация об абсолютной температуре считывателя находится в фиктивных байтах кадра 3 и 4 (DB3 и DB4);
• температурная стабилизация осуществляется посредством входов TPP и TPE.

Стабилизационная обратная связь управляется полностью извне: внешний микропроцессор или алгоритм определяет, нужна ли температурная стабилизация или нет. Эта особенность да╦т пользователю полный контроль над потребляемой мощностью.

TPP - вывод питания нагревателя. К нему через внешний ограничительный резистор подводится питание. Резистор необходим для ограничения тока в целях исключения перегрева, его значение зависит от напряжения питания, а также от конструктивных параметров и параметров внешней среды.

TPE - цифровой вход, устанавливается в "0" в случае необходимости температурной стабилизация. После достижения сенсором рабочей температуры необходимо снять управляющий сигнал с этого входа (перевести в "1").

Для уменьшения потребляемой энергии в схеме предусмотрен так называемый "nap" режим - режим "засыпания". Для его активации необходимо выполнить следующие установки (рис. 5):

• установить RST в "1", при этом все внутренние аналоговые части схемы отключаются от цепей питания;
• установить PCLK в "1" или "0" - отключаются цифровые схемы;
• установить TPE в "0" или отключить TPP;
• установить OE в "1", так как ток может также протекать через выходные элементы.

На рис. 6. показан пример подключения микросхемы к порту принтера компьютера и USB-контроллеру.

При подключении к порту принтера, последний должен быть совместим со стандартом EPP в целях организации высокой скорости передачи данных. Стандартный двунаправленный порт принтера компьютера способен принимать около 200 Кбайт данных в секунду (зависит от конкретного компьютера) - это в три раза меньше, чем в EPP. FDC4A14 может подключаться прямо к порту без внешней связующей логики. К источнику питания схему можно подключить, например, через порт PS/2 (параллельный порт не содержит выводов питания).

Программа, выполняющая сбор данных из устройства, должна иметь наивысший приоритет, так как если во время сбора данных произойд╦т, например, считывание данных с винчестера, сбор данных прерв╦тся, и часть кадров будет потеряна.

Также FDC4A14 можно легко подключить к USB-контроллеру, выполняющему функции обслуживания USB-протокола. Схема подключения полностью идентична в случаях применения микропроцессоров, микроконтроллеров и DSP.

USB-контроллер под управлением встроенных программ посылает данные с шины данных непосредственно в USB-кабель, а со стороны PC посредством драйвера осуществляется при╦м данных. Обмен данными должен происходить с постоянным и достаточным трафиком для обеспечения равномерности считывания и отсутствия пропуска кадров.

Как было показано выше, FCD4A14 прост в использовании, не требует дополнительной связующей логики для подключения к стандартным интерфейсам. При этом цена на данную микросхему достаточна низкая, что в результате обеспечивает малую стоимость конечного устройства. Вс╦ это расширяет диапазон е╦ использования в над╦жнейших системах идентификации. Всю информацию, касающуюся данной схемы, можно найти на сайте фирмы Atmel.