关键词：电容式 指纹 传感器 AFIS A/D转换 FPS110
1 引言
指纹由于具有唯一性（人各不同，指指相异）和稳定性（终生基本不变）而使其成为个人身份识别的一种有效手段。将某人的指纹采集下输入计算机是进行自动指纹识别（AFIS）的首要步骤。指纹图象的获取一般有两类方法：一是众所周知的使用墨水和纸的方法，这种方法费工费时且不可靠，不适合用于AFIS。另一类方法是利用设备取像，这种方法又分为光学设备取像、晶体传感器取像和超声波取像。
光学设备取像是利用光的全反射原理（FTIR），并使用CCD器件来获得指纹的图像，其优点是图像效果较好，器件本身耐磨损，但缺点是成本高和体积大；晶体指纹传感器分为电容式和压感式，用它获取的图像质量比较好，且可以采用自动获取控制（AGC）技术和软件调整的方法来改善增益的图像质量，晶体传感器的体积和功耗都比较小，成本也比光学设备低廉，只有耐磨损方面略逊；超声波取像是一种新兴的指纹提取手段，它直接扫描真皮组织，因此，积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波获得的图像的影响不大，但器件成本较高，目前还没有成熟的产品在市场上出现。本文主要介绍美国Veridicom公司推出的FPS110电容式指纹传感器，该传感器是由著名的贝尔验室联合Intel等公司，投资几十亿美金，历经数十载才开发出来的，目前在国际晶体指纹传感器市场上占主要份额。
2 FPS110传感器的总体特性
FPS110电容式指纹传感器表面集合了300×300个电容器，其外面是绝缘表面，当用户的手指放在上面时，由皮肤来组成电容阵列的另一面。电容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是脊（近的）和谷（远的）相对于另一极之间的距离。通过读取充、放电之后的电容差值，来获取指纹图像。该传感器的生产采用标准CMOS技术，大小为15×15mm2，获取的图像大小为300×300，分辨率为500DPI。FPS110提供有与8位微处理器相连的接口，并且内置有8位高速A/D转换器，可直接输出8位灰度图像。FPS110指纹传感器整个芯片的功耗很低（<200mw），价格也比较便宜（人民币600元以下）。图1所示为FPS110的钊观形状，图2为利用FPS110获取的指纹图象。
FPS110传感器的每一列都有两个采样一保持电路，一个用来存储放电前电容两端的电压，另一个用来存储放电后电容两端的电压。两个采样一保持电路的差值可以度量电容的变化。该传感器的灵敏度可以通过调整放电时间和放电电流来校正，而对放电时间和放电电流的修改又可以通过读写传感器内部的放电电流寄存器（DCR）和放电时间寄存器（DTR）来进行。传感器阵列数据读出是以行为单位的，一行300个图象数据被同时读出。可以通过编程来修改行高阶地址寄存器（RAH）和行低阶地址寄存器（RAL）中的数据以指定待读取的行。一行的数据采集完毕后，要对这些数据进行数/模转换，这就需要通过编程来改变列高阶地址寄存器（CAH）和列低阶地址寄存器（CAL）的值，以逐个读出每个单元的模拟量，并送到内置的8位A/D器件进行处理。图3所示为FPS110的功能结构框图。
3 FPS110传感器的引脚功能
FPS110共有80个引脚，其中只使用40个，各管脚的功能如表1所列。
表1 FPS110管脚功能分析
| 序 号 | 名 称 | 类 型 | 说 明 |
| 34～37 | A3～A0 | 输入 | 地址输入，根据不地址，读出不同寄存器 |
| 38 | CE1 | 输入 | 传感器使能，低电平有效 |
| 39 | CE2 | 输入 | 传感器使能，高电平有效 |
| 40 | RD | 输入 | 读信号使能，低电平有效，读取内部寄存器，必须RD为低，WR为高 |
| 14 | WR | 输入 | 写信号使能，低电平效，写入内部寄存器，必须WR为低 |
| 18～27 | D7D0 | 双向 | 数据读写通道 |
| 32 | CLKOUT | 输出 | 内部晶振时钟输出 |
| 31 | ENCLK | 输入 | 晶振时钟输出命名能，高电平有效 |
| 15～14 | LED1LED2 | 输出 | 驱动外部led设备 |
| 3 | SETCUR | 输入 | 设置放电电流，该管脚与地之间必须接入270kΩ～680kΩ的电阻 |
| 13 | TEST | 输入 | 保留，未使用 |
| 20，33 | VDD | 电源 | 提供模拟电源 |
| 1 | VDDA | 电源 | 提供模拟电源 |
| 16，23，28 | VSS | 接地 | 数字接地 |
| 4，5 | VSSA | 接地 | 模拟接地 |
| 29 | XTAL1 | 输入 | 使用外部晶振时，需要把其输出与该管脚相连 |
| 30 | XTAL2 | 输出 | 内部晶振的输出 |
4 结束语
FPS110指纹传感器芯片具有体积小、成本低、耗电小、安全性高等优点，可广泛应用于任何需要安全性认证的领域，如银行、计算机网络、指纹门禁、指纹考勤等许多方面，这无疑将取代原有的识别技术而成为二十一世纪识别技术应用的最新发展趋势，因而在各个领域具有广泛的应用前景和无比巨大的市场潜力。FPS110的使用开发也很便捷，笔者自行设计的自动指纹识别系统（AFIS）中使用了基于FPS110传感器的串行和并行图像采集设备，取得了良好的效果。
