指纹传感器芯片FCD4B14的原理及应用
摘要:指纹传感器芯片FCD4B14具有8´280=2240象素,象素尺寸50 µm´50 µm=500dpi;象素时钟高达2MHz,1780frame/s。本文介绍了该芯片的结构、原理及应用特性。
关键词:指纹传感器;温度物理效应;集成电路;FCD4B14
Abstract: The fingerprint chip FCD4B14 is described in this paper. This chip has 8´280=2240 pixel with pixel size of 50µm´50 µm=500 dpi, pixel frequency of 2MHz and pixel speed of 1780frame/s. The structure, principle and performance of FCD4B14 are presented in detail in the paper.
Keywords: Fingerprint sensor; Temperature physical effect; IC; FCD4B14
一、概述
FCD4B14是ATMEL生产的FingerChipTM系列指纹传感器芯片中的一种,CMOS工艺制造,不需要棱镜、光源等光学部分。FCD4B14是一个基于温度物理效应的单片、高性能、低价格的指纹传感器芯片。芯片有一个线性的外形结构,为了捕捉到指纹,允许手指滑行越过敏感区域。当捕捉到几个指纹图像后,ATMEL公司提供的软件可以将这些图像重新构成完整的8Bit指纹图像。芯片每秒可获取交付的指纹图像是可编程的。A/D转换器提供的数字信号适合于EPP并行端口、USB微控制器接口或直接与微处理器接口,可以很容易地在不同识别系统应用中。
FCD4B14具有如下特征:敏感层位于0.8mm的COMS数组之上;图像区0.4´14mm=0.02"´ 0.55";图像数组8´280=2240象素;象素尺寸50µm´50µm=500 dpi;象素时钟高达2MHz,1780frame/s;工作电压3V~5.5V;功耗20mW;20脚DIP陶瓷或COB(Chip-on-Board)封装;耐磨损>1´106次滑动操作;ESD静电防护>16kV;工作温度范围0°C~+70°C。
FCD4B14可广泛应用于:PDA、手机通路、 访问、 入门控制、数据保护;附加在笔记本计算机、PC上、入门控制、数据保护、电子商务;PIN码交换;ATM、POS机指纹识别;建筑物出入口控制;汽车、家庭等电子锁等领域。
二、引脚功能
FCD4B14有20脚DIP陶瓷或COB(Chip-on-Board)两种封装形式,如图1和图2所示。引脚功能如表1所示。
三、内部结构
FCD4B14的内部结构如图3所示。从图3可见,芯片内部电路分为传感器和资料转换两个主要部分。在传感数组中,当 280行中的某一行被选中时,被选择行的每一个象素的电信号传送到放大器(一次一列)放大。在有两列被同时选中时(奇数的和偶数的),两个特定的象素信息被传送到两个4位A/D转换器,两个象素就可在同一个时钟脉冲时间内被读出。
传感器部分,每一个象素本身就是一个传感器。传感器可检测从启动数据采集到读取信息之间的温度变化。整个时间从象素复位到预定的初始状态开始为止(这是一个时间的积分过程)。速度取决于焦热电层(pyroelectric layer)的灵敏度,在复位到积分时间结束之间的温度变化,和在积分时间的持续时间内,象素上的电荷被产生。
A/D转换器将象素的模拟信号转换为可以被微处理器使用的数字信号,重构8位的指纹图像。并行端口和USB接口的数据传输率为1MB/s,重构指纹图像最低需要500frame/s速率。两个4位ADC输出两个象素的内容,一次一个字节。
四、芯片应用
启动时序如图4所示,由以下步骤组成:
(1)设置RST为高;
(2)设置RST为低;
(3)发送4个时钟脉冲;
(4)发送1124个时钟脉冲读第一帧。
应当注意的是,第一帧不包含有关的资料,因为积分时间是不正确的。在采集每一帧资料之间复位不是必须的。
读一帧数据时序如图5所示。读取帧数据,一帧包括280个真实的行和一个虚拟的行,每行8个象素。由于一次输出两个象素,因此系统必须发送281´4=1124个时钟才能读完一帧。当读帧数据时,RST必须为低电平。
读一个字节数据,数据在时钟脉冲上升沿输出。在启动时序之后,对于每个时钟脉冲,引脚Do0-3和De0-3上都将输出新的字节。字节内容包含两个象素:在Do0-3上的4位为奇象素;在De0-3上的4位为偶象素。
输出资料时,输出使能OE引脚必须为低电平。当输出使能OE引脚为高电平时, Do0-3和De0-3都处于高阻状态。输出使能OE引脚可与微处理器直接连接,不需要附加电路。应注意的是:FCD4BI4芯片只能发送资料,不支持读/写模式。
从引脚AVE和AVO也可得到模拟信号。应注意的是:视频信号输出比相应的数字信号输出早一个时钟(因为A/D转换有一个时钟的延迟)。
象素次序,对于每一行的8个象素,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。
附加在传感器的虚拟行作为一个特殊的模式用于检测第一个象素。所以,每一帧需要读出280个真实的行和一个虚拟的行数据。虚拟的行有4个字节,最初的两个字节具有固定的模式,后两个字节组包含温度信息。如表2所示。
序列111X0000 111X0000每一帧( 1124个时钟)出现一次,所以常用作同步。
虚拟行第三个字节DB3和第四个字节DB4包含传感器的温度信息。在DB3的偶数半位元组nnnn能被用来测量芯片温度的增加或减少,即用来表示在同一个器件两次测量之间的差异。对于代码1111~0001表示绝对温标11.2~-11.2(每个代码差1.4绝对温标),0000表示小于绝对温标-16.8。
在手指与传感器之间的温度差很低的时候,图像对比度也低。通常使用温度稳定电路去增加手指与传感器之间的温度差代码,最少增加1.4绝对温标,以获得足够的对比度,来保证指纹的正确识别。
时间积分和时钟抖动(变化),FCD4B14对时钟抖动(变化)不很敏感。最重要的要求是规则的积分时间,以保证帧读取速率的稳定,从而获得一致的指纹图像片段。如果积分时间是不规则的,则各个帧的对比度将会发生变化。
在每一串1124个时钟之间可以设置等待时间,但每一帧总的读取时间要保持是规则的。等待时间往往被微处理器用来执行某些计算工作(例如检测是否有手指头等)。
电源管理,一些措施被用来减少电源消耗。FCD4B14具有睡眠模式,用以下方法可启动睡眠模式:
(1)设置RST端为高,使器件内部的模拟部分为低功耗状态;
(2)设置时钟PCLK端为高(或低),关闭整个数字部分;
(3)设置TPE端为低或断开TPP端,关闭温度稳定电路;
(4)设置OE端为高,迫使输出端为高阻状态。
在睡眠模式所有芯片内部的晶体管为关闭模式,仅有漏电流流过。
静态电流消耗,当设置时钟为1和复位为0,如果芯片的输出是被连接到标准的CMOS输入,模拟部分将消耗一些电流,而数字部分不消耗电流。此时电流消耗为5mA(电源电压3V~5.5V)。
动态电流消耗,当时钟运行,数字部分也消耗电流。对于输出负载,推荐最大值为50pF。如果连接到USB芯片,运行速度为1MHz,FCD4B14在VCC端电流消耗小于7mA。
温度稳定电路电源消耗。当TPP端设置为1时,电流经TPP端流入。这个电流被内部的等效电阻和可能存在的外部电阻限制。在大多数时间内,TPP端为0,电流不流入TPP端。当图像对比度很低时(当在手指与传感器之间的温度差低于一个绝对温标时), TPP端设置为1,电流经TPP端流入,在芯片中消耗功率,温度被提升,使图像对比度恢复,以获得足够的对比度,来保证指纹的正确识别。对于增加一个绝对温标的芯片温度所必需的时间取决于消耗功率,以及在传感器和环境之间硅传感器和热敏电阻的热容量。一般在芯片中消耗功率300mW,提升一个绝对温标的温度需要1s。
ATMEL公司提供相应的软件为用户开发产品提供支持。
参考文献
[1]. ATMEL Inc.FCD4B14 FingerChip™[Z].
http://www.atmel.com,2002.1
第一作者简介
黄智伟:南华大学电气工程学院副研究员/副教授.地址:湖南省衡阳市学院路南华大学南校区,(421001) 电话:0734-8282125
E-mail: fuzhi619@163.net
本文转载中国传动网
关键词:指纹传感器;温度物理效应;集成电路;FCD4B14
Abstract: The fingerprint chip FCD4B14 is described in this paper. This chip has 8´280=2240 pixel with pixel size of 50µm´50 µm=500 dpi, pixel frequency of 2MHz and pixel speed of 1780frame/s. The structure, principle and performance of FCD4B14 are presented in detail in the paper.
Keywords: Fingerprint sensor; Temperature physical effect; IC; FCD4B14
一、概述
FCD4B14是ATMEL生产的FingerChipTM系列指纹传感器芯片中的一种,CMOS工艺制造,不需要棱镜、光源等光学部分。FCD4B14是一个基于温度物理效应的单片、高性能、低价格的指纹传感器芯片。芯片有一个线性的外形结构,为了捕捉到指纹,允许手指滑行越过敏感区域。当捕捉到几个指纹图像后,ATMEL公司提供的软件可以将这些图像重新构成完整的8Bit指纹图像。芯片每秒可获取交付的指纹图像是可编程的。A/D转换器提供的数字信号适合于EPP并行端口、USB微控制器接口或直接与微处理器接口,可以很容易地在不同识别系统应用中。
FCD4B14具有如下特征:敏感层位于0.8mm的COMS数组之上;图像区0.4´14mm=0.02"´ 0.55";图像数组8´280=2240象素;象素尺寸50µm´50µm=500 dpi;象素时钟高达2MHz,1780frame/s;工作电压3V~5.5V;功耗20mW;20脚DIP陶瓷或COB(Chip-on-Board)封装;耐磨损>1´106次滑动操作;ESD静电防护>16kV;工作温度范围0°C~+70°C。
FCD4B14可广泛应用于:PDA、手机通路、 访问、 入门控制、数据保护;附加在笔记本计算机、PC上、入门控制、数据保护、电子商务;PIN码交换;ATM、POS机指纹识别;建筑物出入口控制;汽车、家庭等电子锁等领域。
二、引脚功能
FCD4B14有20脚DIP陶瓷或COB(Chip-on-Board)两种封装形式,如图1和图2所示。引脚功能如表1所示。
FCD4B14的内部结构如图3所示。从图3可见,芯片内部电路分为传感器和资料转换两个主要部分。在传感数组中,当 280行中的某一行被选中时,被选择行的每一个象素的电信号传送到放大器(一次一列)放大。在有两列被同时选中时(奇数的和偶数的),两个特定的象素信息被传送到两个4位A/D转换器,两个象素就可在同一个时钟脉冲时间内被读出。
传感器部分,每一个象素本身就是一个传感器。传感器可检测从启动数据采集到读取信息之间的温度变化。整个时间从象素复位到预定的初始状态开始为止(这是一个时间的积分过程)。速度取决于焦热电层(pyroelectric layer)的灵敏度,在复位到积分时间结束之间的温度变化,和在积分时间的持续时间内,象素上的电荷被产生。
A/D转换器将象素的模拟信号转换为可以被微处理器使用的数字信号,重构8位的指纹图像。并行端口和USB接口的数据传输率为1MB/s,重构指纹图像最低需要500frame/s速率。两个4位ADC输出两个象素的内容,一次一个字节。
启动时序如图4所示,由以下步骤组成:
(1)设置RST为高;
(2)设置RST为低;
(3)发送4个时钟脉冲;
(4)发送1124个时钟脉冲读第一帧。
应当注意的是,第一帧不包含有关的资料,因为积分时间是不正确的。在采集每一帧资料之间复位不是必须的。
读一个字节数据,数据在时钟脉冲上升沿输出。在启动时序之后,对于每个时钟脉冲,引脚Do0-3和De0-3上都将输出新的字节。字节内容包含两个象素:在Do0-3上的4位为奇象素;在De0-3上的4位为偶象素。
输出资料时,输出使能OE引脚必须为低电平。当输出使能OE引脚为高电平时, Do0-3和De0-3都处于高阻状态。输出使能OE引脚可与微处理器直接连接,不需要附加电路。应注意的是:FCD4BI4芯片只能发送资料,不支持读/写模式。
从引脚AVE和AVO也可得到模拟信号。应注意的是:视频信号输出比相应的数字信号输出早一个时钟(因为A/D转换有一个时钟的延迟)。
象素次序,对于每一行的8个象素,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。
附加在传感器的虚拟行作为一个特殊的模式用于检测第一个象素。所以,每一帧需要读出280个真实的行和一个虚拟的行数据。虚拟的行有4个字节,最初的两个字节具有固定的模式,后两个字节组包含温度信息。如表2所示。
序列111X0000 111X0000每一帧( 1124个时钟)出现一次,所以常用作同步。
虚拟行第三个字节DB3和第四个字节DB4包含传感器的温度信息。在DB3的偶数半位元组nnnn能被用来测量芯片温度的增加或减少,即用来表示在同一个器件两次测量之间的差异。对于代码1111~0001表示绝对温标11.2~-11.2(每个代码差1.4绝对温标),0000表示小于绝对温标-16.8。
在手指与传感器之间的温度差很低的时候,图像对比度也低。通常使用温度稳定电路去增加手指与传感器之间的温度差代码,最少增加1.4绝对温标,以获得足够的对比度,来保证指纹的正确识别。
时间积分和时钟抖动(变化),FCD4B14对时钟抖动(变化)不很敏感。最重要的要求是规则的积分时间,以保证帧读取速率的稳定,从而获得一致的指纹图像片段。如果积分时间是不规则的,则各个帧的对比度将会发生变化。
在每一串1124个时钟之间可以设置等待时间,但每一帧总的读取时间要保持是规则的。等待时间往往被微处理器用来执行某些计算工作(例如检测是否有手指头等)。
电源管理,一些措施被用来减少电源消耗。FCD4B14具有睡眠模式,用以下方法可启动睡眠模式:
(1)设置RST端为高,使器件内部的模拟部分为低功耗状态;
(2)设置时钟PCLK端为高(或低),关闭整个数字部分;
(3)设置TPE端为低或断开TPP端,关闭温度稳定电路;
(4)设置OE端为高,迫使输出端为高阻状态。
在睡眠模式所有芯片内部的晶体管为关闭模式,仅有漏电流流过。
动态电流消耗,当时钟运行,数字部分也消耗电流。对于输出负载,推荐最大值为50pF。如果连接到USB芯片,运行速度为1MHz,FCD4B14在VCC端电流消耗小于7mA。
温度稳定电路电源消耗。当TPP端设置为1时,电流经TPP端流入。这个电流被内部的等效电阻和可能存在的外部电阻限制。在大多数时间内,TPP端为0,电流不流入TPP端。当图像对比度很低时(当在手指与传感器之间的温度差低于一个绝对温标时), TPP端设置为1,电流经TPP端流入,在芯片中消耗功率,温度被提升,使图像对比度恢复,以获得足够的对比度,来保证指纹的正确识别。对于增加一个绝对温标的芯片温度所必需的时间取决于消耗功率,以及在传感器和环境之间硅传感器和热敏电阻的热容量。一般在芯片中消耗功率300mW,提升一个绝对温标的温度需要1s。
ATMEL公司提供相应的软件为用户开发产品提供支持。
参考文献
[1]. ATMEL Inc.FCD4B14 FingerChip™[Z].
http://www.atmel.com,2002.1
第一作者简介
黄智伟:南华大学电气工程学院副研究员/副教授.地址:湖南省衡阳市学院路南华大学南校区,(421001) 电话:0734-8282125
E-mail: fuzhi619@163.net
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