光学指纹识别系统，用ARM来实现

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高速光电二极管信号调理 图1所示电路是一个高速光电二极管信号调理电路，具有暗电流补偿功能。系统转换来自高速硅PIN光电二极管的电流，并驱动20 MSPS模数转换器(ADC)的输入。该器件组合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。信号调理电路采用±5 V电源供电，功耗仅为40 mA,适合便携式高速、高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。

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0 f: F, ~) B0 L5 i: x2 k* b图1. 具有暗电流补偿功能的光电二极管前置放大器系统(原理示意图：未显示所有连接和去耦)$ Z9 H. h, v7 i. @
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  h7 @0 G3 a5 Z9 ^6 y( C& Z  I本电路还适合其它应用，如模拟光隔离器。它还能满足需要更高带宽和更低分辨率的应用，如自适应速度控制系统。8 }  }, O7 l) H* K  n9 C0 P
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本电路笔记讨论图1中所示电路的优化设计步骤，以满足特定带宽应用的要求，这些步骤包括：稳定性计算、噪声分析和器件选择考虑因素。8 \4 D" q# I7 @+ {4 c
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* L1 l4 g& l1 y9 \; a) H7 `3 ]光电二极管属于高阻抗传感器，用于检测光的强度。它没有内部增益，但相比其它光检测器，可在更高的光级度下工作。2 g0 C0 D- ^/ _: ?6 v

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; X$ F9 X8 G5 b6 C, |( ?( q光电二极管工作时采用零偏置(光伏)模式或反向偏置(光导)模式。光伏模式可获得最精确的线性运算，而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度，但代价是降低线性度。在反向偏置条件下，存在少量的电流(称为暗电流)，它们甚至在没有光照度的情况下也会流动。可在运算放大器的同相输入端使用第二个同类光电二极管消除暗电流误差，如图1所示。$ ~; K1 A2 ^+ ~0 `
! |% o3 U. u" `# L. X7 q# Q" ?* a# `0 z' D& x

! [& h8 Z( ?% {7 Q' m6 k有三个因素影响光电二极管的响应时间：
处于光电二极管耗尽区域内载波的充电采集时间处于光电二极管未耗尽区域内载波的充电采集时间二极管电路组合的RC时间常数
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由于结电容取决于光电二极管的扩散区以及施加的反向偏置，采用扩散区较小的光电二极管并施加较大的反向偏置即可获得更快的上升时间。在 CN-0272电路笔记中，采用 SFH 2701 PIN光电二极管，其结电容典型值为3 pF,0 V偏置下的最大值为5 pF.1 V反向偏置时的典型电容为2 pF,5 V 反向偏置时为1.7 pF.本电路的测量均在5 V反向偏置下进行。0 r# L3 ~# o3 ~
9 J$ T; ~6 q  I; u1 e' `, pARM光学指纹识别系统 本系统采用光学指纹传感器与ARM Cortex M3 内核意法半导体公司的32 位高性能单片机STM32F205RE 组成功能主体，采用Sobel 边缘检测算子、Gabor 滤波、图像二值化等图像采集与处理算法对指纹图像进行识别，构建了小体积的嵌入式指纹识别模块，具有积木式嵌入、微功耗、程序接口简单易用、便于二次开发、识别准确度高、高性价比等特点。3 _' s, n! O) k- l2 E  u" E4 X

6 F* q2 z/ }; L& e! H3 Y) Q系统硬件电路设计+ s- d4 l$ P" g, R. W( N

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0 t! W. ~' q- W整个系统设计构成了一体化光学指纹识别模块。模块设计采用光学暗背景成像原理，加入特有活体检测芯片，在解决干手指效应的同时解决残留指纹误识别、橡胶假指纹等问题。
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图所示为光学GC0307 CMOS 图像采集芯片应用电路原理图。该款CMOS 图像采集芯片是高精度、低功耗、微体积的高性能相机的内置式组件，它把实现优质VGA 影像的CMOS 影像传感器与高度集成的影像处理器、嵌入式电源和高质量的透镜组结合在一起，输出JPEG 图像或图像视频流，支持8/10 位数字传输JPEG 图像和YCbCr 接口，提供了完整的影像解决方案。
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CMOS 图像采集芯功能输出串行数据引脚、时钟信号引脚、复位引脚、串行总线引脚等都接入到STM32F205RE的GPIO 口， 通过GPIO 口模拟时序读取CMOS 芯片采集到的图像信息。由于STM32F205RE 的GPIO 口工作频率可达120 MHz，因而可以非常准确高效地模拟时序，实测640×480 的原始图像能以10 帧/s 的速度采集到主处理器STM32F205RE 中进行图像处理。