指纹传感器FingerChipTM FCD4A14

suncon · 发表于 2003-4-19 08:57:00

指纹传感器FingerChipTM FCD4A14

产品描述：

FCD4A14是FingerChipTM TCS单色指纹传感器家族的一员，
FCD4A14为基于温度物理效应、应用于指纹检测的单一敏感芯片，高性能，低成本。
FCD4A14具有线性的形状，在指头滑过敏感区域时也可以捕捉到指纹。之后，TCS专有的软件可以将这些图象重构为8位的指纹图象。
FCD4A14采用了COMS工艺，外形小；封装形式为陶瓷DIL或COB，价格低。
通过编程，FCD4A14可以在一秒内获取不同数量的图象。同时，集成的A/D转换器可以帮助FCD4A14建立与EPP、USB或MCU的数字接口，使得此器件可以很容易地被集成到任何识别应用当中去。

主要特点：

敏感层位于0.8μm的COMS阵列之上
图象区：0.4 * 14mm = 0.02 * 0.55
图象阵列：8 * 280 = 2240像素
像素尺寸：50μm * 50μm = 500 dpi
像素时钟：高达2MHz，1780帧/秒
DIE的尺寸：1.7 * 17.3mm
工作电压：3 ~ 5.5V
功耗：20mW@3.3V, 1MHz, 25℃
封装：20脚DIL陶瓷，或COB，带保护层
工作温度范围：0℃ ~ +70℃ （-40℃ ~ +85℃正在定义当中）
ESD  16kV l 可经受1百万次的指头滑动动作
　应用：

终端访问（PC，网络。。。）
与付费卡（ATM，POS等）相结合，实现电子付费
建筑物出入控制
电子锁（汽车，家庭。。。）
手机（保证只有注册用户才能够使用）
法律执行过程中的工具--可携带的指纹图象
电视使用控制
武器使用控制（保证只有注册用户才能够使用）
　功能描述：

　电路分为两个部分：传感器和转换器。在传感阵列中，280+1列之中的某一列被选中（1），此列的每　一个像素将自己的电信号送到放大器（一列一个）进行放大（2），然后两列被同时选中（奇和偶），　两个特定的像素将其信息送到两个4位的A/D转换器（3），这两个像素就可以在一个时钟脉冲之内读　出来了（4）。

　传感器：

　每一个像素就是一个传感器。传感器敏感从启动数据采集到读取信息之间的温度变化：这是时间的积　分过程。时间积分从复位像素到某一个预定义的状态开始。此过程与数字部分的复位没有关系。然后　，像素开始电荷充电，影响此过程的因素有：
　 1、热电层（pyroelectric layer）的敏感度
　 2、从复位到时间积分结束之间的温度变化
　 3、时间的长短

　 AD转换器/重构8位的指纹图象：

　 AD转换器用于将像素的模拟信号转换为可以被MCU处理的数字信号。
　美国联邦调查局需要256级灰度的图象，也就是说，需要8位的像素分辨率。
　由于并口和USB的数据传输率为1M字节/秒，我们需要在一秒内至少重构500帧的图象，这样的速度对　应于中等的指头滑动速度。两个4位的ADC用来一次输出两个像素的内容（一个字节）。
　帧恢复之后，重构例程计算每一个像素的8位数值。

　起始序列：

　虽然上电后复位只需执行一次，但是在采集指纹数据之前复位FingerChip可以取得更好的结果。
　在采集帧数据之间复位FingerChip不是必须要做的工作！
　起始序列必需包括：
　 1、将RST拉高
　 2、拉低RST
　 3、发送4个时钟脉冲
　 4、发送时钟脉冲以跳过第一帧
　注意：第一帧不会包含任何数据，因为积分时间是错误的。

　读取帧数据：

　　一帧包括280有效列和一无效列，每列有8个像素。由于一次输出两个像素，因此必须发送281 * 4 = 　　1124个时钟来读完一帧。
　　读帧数据时RST必需为低。

　　读一个字节/输出使能：

　　时钟在下降沿有效，数据在上升沿输出。
　　的数据出现于引脚Do0-3和De0-3。其内容包含两个像素：Do0-3--奇像素；De0-3--偶像素。
　　为了输出数据，OE脚必须拉低。如果OE为高，则Do0-3和De0-3处于高阻态。因此，FCD4A14与MCU的　　接口非常容易，MCU只需一个片选信号就可以控制数据的输出了。要注意的是，芯片只支持读操作。

　　视频输出：

　　用户可以从引脚AVE  AVO得到模拟信号。视频信号的输出要比相应的数字信号早一个时钟（AD转换　　有一个时钟的延迟）。

　　像素次序：

　　复位后，像素1位于左上角。对于每一列的8个像素，1、3、5、7由Do0-3输出；2、4、6、8由De0-　　3输出。最高位为3，最低位为0。

　　同步：哑列

　　哑列用于检测第一个像素。因此，一帧要读出280真列和１个哑列。
　　哑列输出为４个字节。头两个字节具有固定的模式，后两个字节包含温度信息：

　　

偶
奇

Dummy Byte 1 DB1
0000
1111

Dummy Byte 2 DB2
0000
1111

Dummy Byte 3 DB3
nnnn
rrrr

Dummy Byte 4 DB4
pppp
tttt

　　序列00001111 00001111在实际的指纹图象中很少出现。此数据意味着桥/谷/桥/谷，200μm。此外　　，此序列每隔一帧（1124个时钟）出现一次，很容易辨认，适合用作同步。

　　时间积分  时钟变化

　　FCD4A14对时钟变化不太敏感。最重要的要求是稳定的积分时间，以保证帧读取速率的恒定，从而获　　得一致的指纹图象。
　　如果积分时间不稳定，则各个帧的对比度亦会发生变化。
　　在每一串1124个时钟之间可以有等待时间，但每一帧总的读取时间要保持恒定。等待时间往往被　　　MCU用来执行某些计算工作（如检测是否有手指头）。

　　温度管理

　　FingerChip的每个像素都是一个温度传感器，用于检测温度的变化。这种变化是由手指与芯片之间　　的温差产生的。当芯片的温度很低或很高时，温差就变得很大，这是最好的情形。反之，当手指的温　　度与芯片的温度几乎接近时，情况最差。
　　为了获得有较强对比度的图象，传感器与手指之间至少要有1度的温差。临界的温度是在33度（手指　　会在35±5度上下变化）。FCD4A14具有温度稳定补偿电路，他会在必要的时候稳定传感器的影象质　　量。
　　可以根据外部的制约条件采用如下一些方法：

首先读取传感器的温度。多数情况温度均不处于临界区（33度），因此不需要补偿
当传感器的温度接近临界区时，如果电源不是问题，用户通常可以将温度稳定在高于手指的温度（37度）。值得注意的是，稳定的过程会长至1分钟，具体取决于环境，热电阻及芯片初始温度。
如果电源是有限资源，最佳的方案是先不用稳定补偿对手指进行一次实验，多数情况下温差会足够大。假如鉴别失败，且检测到芯片温度处于临界区时，使能稳定补偿再试。这一过程需要几秒钟，因为要稳定的温度比检测到的温度要高几度。
　 FCD4A14的两个特点：
　　1. 一个绝对温度传感器。此数据存放在哑字节DB3和DB4中。
　　2. 温度稳定电路。引脚为TPP，TPE

　　温度稳定反馈由外部管理：外部的处理器或算法决定了是否使能温度稳定功能。在这个方法下，用　　户可以完全控制功耗。
　　TPP管脚传递功率，要通过一个电阻将其连接到电源以限制电流，避免达到极限温度。电阻值取决于　　外部条件，如电压，环境，散热…
　　TPE控制流入的电流：当温度低于所需温度时，TEP端必须设置为高；当温度到达要求时，TEP必须设　　置为低。这是一个数字输入端，无须驱动，任何处理器或总线输出都可以驱动它。
　　温度信息由DB3，DB4提供。芯片定义完成后将给出数据格式，值，以及管理温度稳定电路的程序。

　　电源管理

　　睡眠方式
　　为了减小功耗可以使用如下一些方法。
　　最简单和有效的是切断电源。
　　FCD4A14实现了睡眠方式。用以下方法启动睡眠方式：
　　1. 设置RST为高。这时，器件中的模拟部分将掉电。
　　2. 设置PCLK为高（或低），数字部分关闭。
　　3. 设置TPE为低，或断开TPP，停止温度稳定特性。
　　4. 设置OE为高。

　　应用说明

　　手指速度与采集速度的比较
　　手指速度：

极慢速，低于1cm/s l 慢速，几厘米/s
正常，10cm/s l 较快，20cm/s
最大范围，100cm/s
　　由于一个完整的指纹影象由许多小图重构，因此恢复每个小图就极为重要。严格来讲需要每行都复原　　，但是两行复原也不错，所以，手指在两帧之间的移动不能超过6个像素。
　　手指速度与获取速度的比较见下表：

采集速度
最大手指速度

Kbyte/s
帧/秒
cm/s
注释

100
89
2.7
慢速

250
222
6.7
正常 / 双向并口

700
623
18.7
中速 / EPP

1000
890
26.7
快速 / USB

1500
1335
40.0
很快 / 高速USB

2000
1779
53.4
极快

　　并口

　　并口要满足EPP的指标。标准的双向并口每秒获取200kbyte（由使用的PC决定），这个速度只有　　　　EPP的1/3。所以手指速度也要减小3倍。
　　FCD4A14可以直接连接到并口。
　　电源要通过PS/2供给，因为并口不能永久提供电源。
　　从软件的观点出发，系统必须在获取信息期间具有高的优先权，因为如果PC做其他事（如访问硬盘）　　，会造成帧的丢失，使得指纹图象产生空洞。

　　USB/MCU

　　FCD4A14可以容易地连接到具有USB接口的微处理器/DSP。
　　USB微处理器将读到的数据直接发送到USB电缆。
　　传输时必须要有足够的带宽，以避免跳过任何帧。

　　软件：

　　TCS不提供认证软件，但随演示工具提供图象软件。客户可以对传感器的性能进行评估（指纹的　　　　BITMAP图象可以保存）。但是没有软件以来执行细节的提取和比较。
　　FingerChip兼容为光学传感器而定制的软件。然而，如果能够利用器件的特性，效果会更好，尤其　　是考虑到可以获取更大的图象，得到更多的信息，从而减少FAR  FRR。
　　许多FingerChip合作伙伴已经调整了他们的算法以适应FingerChip的硬件。

　　减少面积：手指头在FingerChip上滑过

　　降低传感器的成本是指纹采集的重要话题。尤其是硅传感器，面积越小，器件越便宜。　　　　　　　FingerChip技术通过在阵列里只使用少量的列的方法实现了缩小尺寸的目的。用户手指头滑过传感　　器，FingerChip则得到图象的突发序列。
　　此时，有两种可能的后续操作：

重构完整的指纹图象并执行认证
对图象进行分析，如果有足够的图象匹配，则确定此用户为合法用户
　　对用户而言，第二种方法显得更好一些。因为此时认证完成得更快。
　　时钟的速率要仔细调整，以便当用户的手指头快速滑过传感器时仍然可以产生足够的重叠图象。在　　　FingerChip的帮助下就可以重构完整的指纹图象而无需知道实际的移动速度。
　　关联两幅图象以找出两者之间的距离似乎是很耗时的工作。对于头两幅图象，这也许是对的。但是对　　于后续的图象就很容易猜出位置来了，因为手指头的移动速度基本上是恒定的。

　　软件库

　　TCS提供一个动态链接库（FC_GetImage.dll）。这个链接库只有一个例程，用来调用一幅图象。　　此链接库调用底层例程来访问硬件。不同的硬件（EPP/USB/etc.）有不同的库，但调用是不变的。　　所以即使硬件发生了变化，开发者也无需改变其软件。
　　EPP版本的动态链接库只与并口开发工具一起提供。

　　启动及停止采集

　　当要求用户滑动手指头时，系统开始分析采集到的图象以检测手指头，并避免存储没有内容的帧（如　　果采用重构则需要存储）。
　　采集结束后这个问题同样存在。动态链接库提供一些基本的例程来处理这些操作。
　　要注意的是：在存储数据时不能发生处理器中断。如果数据丢失，要想完整地重构指纹图象就不太可　　能了。开发者必须为采集过程赋予高的优先级，从而不被其他任务所中断。

　　人体工程学：

　　为使传感器易于使用，必须特别注意二次封装（包含FingerChip和其它一些电子器件的盒子）。二　　次封装的装置必须允许手指接触器件且不间断地扫过，不应该在手指经过的地方放任何东西。
　　为了确保手指良好地接触到器件，应该让用户的手指沿着二次封装滑过。这也取决于你是站还是座在　　设备前。例如，你会非常难地将你的手指平坦地放在你面前的墙上。

macg · 发表于 2003-4-19 19:47:00

有人开发成功过吗？我知道有人在开发，但还没有成功

suncon · 发表于 2003-4-21 00:39:00

SONY的MemoryStick记忆棒多种多样，有MP3的白卡、蓝牙的灰卡、新型的PRO大容量MS、带摄像头的MS……索尼用MS衍生出的产品多得眼花缭乱。
　　最近，SONY指纹识别MemoryStick开卖了！型号是FIK-900-N04，属于PUPPY产品线，通过这根指纹识别棒，你可以登入登出Windows时锁定电脑、可以加密文件等，又多了一款指纹识别工具了，大家拭目以待吧！

指纹传感器FingerChipTM FCD4A14

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