新型指紋傳感器MBF200的特性及應(yīng)用

新型指紋傳感器MBF200的特性及應(yīng)用

摘要：MBF200是富士通公司推出的一款先進(jìn)的固態(tài)指紋傳感器芯片，它除可自動(dòng)檢測(cè)指紋外，還帶有多種接口模式。文中介紹了MBF200指紋傳感器芯片的主要特性和功能，給出了其在USB總線接口形式下的電路實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)給出了讀取指紋數(shù)據(jù)的軟件控制流程。

關(guān)鍵詞：MBF200指紋傳感器自動(dòng)檢測(cè)接口

1引言

指紋識(shí)別技術(shù)是新近發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。指紋識(shí)別是利用人體指紋的唯一性與不變性生理特征，將指紋作為人的一種“活的身份證”或一個(gè)隨身攜帶的特殊印章來進(jìn)行身份識(shí)別的一種技術(shù)。MBF200是富士通公司推出的一款固態(tài)指紋傳感器芯片，該芯片具有自動(dòng)指紋檢測(cè)功能，可支持多種接口模式，設(shè)計(jì)方便。本文詳細(xì)介紹了MBF200的特性，給出了其在USB總線接口模式下的電路實(shí)現(xiàn)方法，以及讀取所采集數(shù)據(jù)的軟件流程。該設(shè)計(jì)可用于便攜式指紋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能卡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)的安全進(jìn)入系統(tǒng)，以及其它安全訪問控制系統(tǒng)。

2MBF200的主要特點(diǎn)

MBF200具有高性能、低功耗和低成本等特點(diǎn)，屬于電容性傳感器。其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當(dāng)一個(gè)電容板，接觸的手指充當(dāng)?shù)诙€(gè)電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當(dāng)手指觸摸傳感器表面時(shí)，指紋的高低不平就會(huì)在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。其主要特點(diǎn)有

●是采用標(biāo)準(zhǔn)COMS技術(shù)的電容性固態(tài)器件；

●具有500dpi的分辨率；

●傳感器面積為×；

●傳感器陣列為256×300點(diǎn)；

●具有自動(dòng)指紋檢測(cè)能力；

●內(nèi)含8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

●可提供三種總線接口形式；

●帶有8位微處理器總線接口；

●帶有全速USB接口和SPI接口；

●可提供～5V的工作電壓；

●5V工作電壓下的功耗小于70mW。

MBF200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中256×300點(diǎn)傳感陣列用于產(chǎn)生感應(yīng)電壓；功能寄存器用于對(duì)芯片進(jìn)行操作控制；控制電路用于傳感器與外部接口電路的控制，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀出與寫入；地址索引寄存器與數(shù)據(jù)寄存器分別用于對(duì)功能寄存器的地址選擇及數(shù)據(jù)的讀寫；采樣保持及AD轉(zhuǎn)換電路用于對(duì)傳感陣列所產(chǎn)生的電壓進(jìn)行采樣。另外，多頻振蕩電路用于為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。

3器件功能

功能寄存器

MBF200是可編程的傳感器芯片，它所具有的強(qiáng)大功能是通過內(nèi)部寄存器設(shè)置完成的。表1所列是這些功能寄存器的地址和功能。在對(duì)這些寄存器進(jìn)行操作時(shí)，先向地址寄存器內(nèi)寫入所要訪問寄存器的地址，然后讀寫數(shù)據(jù)寄存器即可。

表1MBF200中的功能寄存器地址標(biāo)識(shí)功能0x00RAH行地址高位0x01RAL行地址低位0x02CAL列地址低位0x03REH行末地址低位0x04REL行末地址低位0x05CEL列末地址低位0x06DTR放電時(shí)間寄存器0x07DCR放電電流寄存器0x08CTRLA控制寄存器A0x09LTRLB控制寄存器B0x0ACTRLC控制寄存器C0x0BSRA狀態(tài)寄存器0x0CPGC可編程增益控制寄存器0x0DICR中斷控制寄存器0x0EISR中斷狀態(tài)寄存器0x0FTHR門限寄存器0x10CIDH芯片標(biāo)識(shí)高0x11CIDL芯片標(biāo)識(shí)低0x12TST測(cè)試模式寄存器

由于列地址最大為256，所以，MBF200只有一個(gè)列開始寄存器CAL和一個(gè)列結(jié)束寄存器CEL。另外，THR用于在自動(dòng)檢測(cè)指紋時(shí)設(shè)置門限電壓。PGC用于在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)設(shè)置放大器的增益。

MBF200的工作過程

MBF200的傳感器陣列由256列300行的傳感器單元組成。每一列有兩個(gè)采樣保持電路，每次捕獲一行指紋圖像數(shù)據(jù)。行捕獲分為兩個(gè)階段，第一階段，將電容板的被選行充電到或5V，在充電的同時(shí)，一個(gè)內(nèi)部信號(hào)使能一個(gè)采樣保持電路以采樣被選行的電容單元電壓；第二階段是傳感器板放電階段，放電快慢由放電電流寄存器決定。放電階段結(jié)束后，可由一個(gè)內(nèi)部信號(hào)使能另一個(gè)采樣保持電路去采樣電容單元的最后電壓，充電電壓與放電電壓之差就是所要測(cè)量的有用傳感信號(hào)電壓。行捕獲結(jié)束之后，接著對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，從而完成一次采樣。實(shí)際上，該芯片的靈敏度是由放電電流和放電時(shí)間寄存器來調(diào)節(jié)的。

MBF200的接口模式

MBF200支持三種接口形式和四種操作模式，這四種操作模式相互獨(dú)立，不能同時(shí)工作。其功能如表2所列。

表2MBF200的操作模式MODE[1，0]描述00微處理器接口模式01SPI接口模式10USB模式，用內(nèi)部ROM11USB模式，用外部ROM

在微處理器接口模式中，可將MFB200與

51系列8位單片機(jī)相連，且其接口形式非常簡(jiǎn)單。需要說明的是，在該芯片中，地址選擇與數(shù)據(jù)寫入是分兩步完成的，先通過A0置0來寫地址索引寄存器，然后再對(duì)A0置1來讀寫對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)寄存器。其操作真值表如表3所列。SPI是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行接口，它允許8位數(shù)據(jù)同時(shí)、同步地被發(fā)送和接收，而且只用到如下信號(hào)：SCLK、SCS、MOSI、MISO、EXINT?？蓪⑾到y(tǒng)配置為SPI主操作與從操作，其接口形式與一般的串行外圍接口方式一致，故此不再贅述。

表3微處理器接口讀寫真值表CS0CS1A0RDWR方式數(shù)據(jù)線HXXXX無效高阻XLXXX無效高阻LHXHH任意高阻LHLLH讀地址寄存器輸出LHLHL寫地址寄存器輸入LHHLH讀數(shù)據(jù)寄存器輸出LHHHL寫數(shù)據(jù)寄存器輸入

USB接口有兩種模式：一種是用芯片內(nèi)部的ROM來存儲(chǔ)設(shè)備信息，一種是用外部串行ROM來存儲(chǔ)設(shè)備信息。

4MBF200的應(yīng)用

MBF200與USB的接口

由于USB總線接口具有即插即用特性，而且目前應(yīng)用比較廣泛，所以本文設(shè)計(jì)了MBF200在USB模式下的接口電路。其中MODE分別置為1、0，采用12MHz晶振，AIN用于模擬信號(hào)輸入方式選擇，ISET用于設(shè)置內(nèi)部參考電流，F(xiàn)SET用于設(shè)置內(nèi)部多頻振蕩器及自動(dòng)指紋檢測(cè)速率。需要注意的是，在USB模式中，為芯片提供的電壓必需在～之間，由于該芯片的低功耗特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)中可以使用USB總線電源來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

USB接口使用三個(gè)端點(diǎn)：其中端點(diǎn)0是控制端點(diǎn)，用來控制對(duì)功能寄存器的讀寫；端點(diǎn)1是讀端點(diǎn)，用來讀取經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的指紋圖像數(shù)據(jù)，它是以塊方式進(jìn)行讀取的，每次64個(gè)字節(jié)；端點(diǎn)是2是中斷端點(diǎn)，當(dāng)ISR(InterruptStatusRegister)被置位時(shí)，由它向端點(diǎn)2發(fā)送中斷信號(hào)。

軟件控制流程

該傳感器有多種接口方式及多種圖像獲取形式，這些都是通過內(nèi)部功能寄存器的設(shè)置來完成的。

首先要對(duì)傳感器進(jìn)行初始化：主要是啟動(dòng)內(nèi)部ADC并對(duì)特殊功能寄存器CTRLB的第2位置位，以確定ADC后的地址是否自動(dòng)增加，同時(shí)設(shè)置芯片時(shí)鐘源并使能傳感器。其流程如圖3所示。

其次是調(diào)整參數(shù)，其流程如圖4所示，其中DTR是放電時(shí)間寄存器，DCR則是用來設(shè)置放電電流速率的寄存器，PGC是可編程增益控制寄存器，主要用來設(shè)置放大器的增益。

最后就是獲取指紋圖像數(shù)據(jù)，在該傳感器芯片中，共有三種指紋圖像數(shù)據(jù)獲取方式，分別為

獲取子圖方式。在CPU和SPI接口模式中，子圖的大小可以從任意位置開始設(shè)置，甚至可以從一個(gè)像素點(diǎn)到整幅圖像；在USB接口模式中，子圖列的開始必須是64的倍數(shù)。

獲取整幅圖像方式是把數(shù)據(jù)采集方式初始化為從行0列0到行299列255，以獲取整幅圖像數(shù)據(jù)。

獲取行數(shù)據(jù)方式主要捕獲特定的幾行數(shù)據(jù)。

MBF200芯片內(nèi)部提供有6個(gè)寄存器，可用來設(shè)置圖像數(shù)據(jù)捕獲的位置。其中RAL是行地址低位，RAH是行地址高位，CAL是列地址，REL是行末地址低位，REH是行末地址高位，CEL是列末地址。

在USB接口方式下獲取整幅指紋圖像數(shù)據(jù)的流程如圖5所示。在USB模式中，數(shù)據(jù)是以塊為單位進(jìn)行傳輸?shù)模繅K數(shù)據(jù)大小必須為64字節(jié)。

其它兩種接口方式的指紋圖像數(shù)據(jù)獲取流程基本相似，只是沒有