一种指纹识别模块及指纹识别方法与流程

本发明涉及指纹识别领域，尤其是一种电荷转移型指纹识别模块，以及基于该指纹识别模块的指纹识别方法。

背景技术：

指纹，由于其具有终身不变性、唯一性和方便性，已几乎成为生物特征识别的代名词。指纹识别即指通过比较不同指纹的细节特征点来进行鉴别。指纹识别技术涉及图像处理、模式识别、计算机视觉、数学形态学、小波分析等众多学科。由于每个人的指纹不同，就是同一人的十指之间，指纹也有明显区别，因此指纹可用于身份鉴定。由于每次捺印的方位不完全一样，着力点不同会带来不同程度的变形，又存在大量模糊指纹，如何正确提取特征和实现正确匹配，是指纹识别技术的关键。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种电荷转移型指纹识别模块，通过补偿电路放大指纹谷信号和指纹脊信号的信号差，还可通过噪声抑制电路消除电路中的指纹噪声，以实现更为准确地识别指纹。本发明还提出了一种指纹识别方法。

本发明采用的技术方案如下：一种指纹识别模块，包括指纹采集电路、补偿电路、噪声抑制电路、积分运算电路、数模转换电路和控制器；所述指纹采集电路的输出端为节点A，并与积分运算电路的输入端连接，积分运算电路的输出端通过数模转换电路与控制器的指纹输入端连接，所述补偿电路的输出端与指纹采集电路的补偿端连接，其补偿控制端与控制器的补偿电路控制端连接，所述噪声抑制电路的测试信号输出端与节点A连接，其测试控制端与控制器的噪声测试控制端连接。

基于上述实施例，进一步的，本发明所述指纹采集电路包括第一信号源、外部电极、检测传感器和隔离电极，所述外部电极的电源端与第一信号源连接，其输出端与检测传感器的第一输入端连接，所述检测传感器的第二输入端与隔离电极的输出端连接，所述隔离电极的输入端与指纹采集电路的补偿端连接，所述检测传感器的输出端与节点A连接。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明所述补偿电路包括电压缓冲器和补偿信号源，所述电压缓冲器的输入端与补偿信号源的输出端连接，其输出端与补偿电路的输出端连接，所述补偿信号源的控制端与控制器的补偿电路控制端连接。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明所述电压缓冲器包括缓冲放大器、电压控制器、电平位移器、失真反馈电路和恒流电流源。

所述电压控制器的第一端与工作电源端VDD连接，其第二端与缓冲放大器的第一端连接，其第三端通过电平位移器与缓冲放大器的第二端连接。

所述缓冲放大器的第二端还与电压缓冲器的输入端Vin连接，其第三端与电压缓冲器的输出端Vout连接。

所述恒流电流源的第一端与缓冲放大器的第三端连接，其第二端通过失真反馈电路与电压缓冲器的输入端Vin连接，其第三端与模拟地对接，其偏置端接入偏置电压Vb。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明所述电压缓冲器包括PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、电容C1和电容C2。

所述PMOS管M1的漏极与工作电源端连接，其源极与PMOS管M2的漏极连接，其栅极通过电容C1与电压缓冲器的输入端连接。

所述PMOS管M2的栅极与电压缓冲器的输入端连接，其源极与电压缓冲器的输出端连接。

所述PMOS管M3的漏极与电压缓冲器的输出端连接，其源极与PMOS管M4的漏极连接，其栅极与偏置电压端Vb3连接。

所述PMOS管M4的漏极与PMOS管M3的源极之间还通过电容C2与电压缓冲器的输入端连接，其源极与模拟地对接，其栅极与偏置电压端Vb4连接。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明所述噪声抑制电路包括第二信号源和噪声抑制电容器，所述噪声抑制电容器的第一端与节点A连接，其第二端与第二信号源连接，其容值设置端与控制器的噪声测试控制端连接。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明所述积分运算电路包括运算放大器、反馈电容器、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、调零电位器Rw、第四开关S4、第五开关S5和基准信号源。

所述运算放大器的反向输入端通过电阻R1与第四开关S4的常闭端连接，所述第四开关S4的第一常开端与积分运算电路的输入端连接，所述第四开关S4的第二常开端与地对接；所述电容C3并联在运算放大器的反向输入端和输出端之间，所述运算放大器的输出端还通过电阻R3和第五开关S5与运算放大器的反向输入端连接。

所述运算放大器的正向输入端通过电阻R2与基准信号源连接；所述运算放大器的输出端与积分运算电路的输出端连接；所述运算放大器的调零端的正负极之间并联调零电位器Rw；所述运算放大器的工作电压正极与工作电压端+Vc连接，其工作电压负极与工作电压端-Vc连接；所述调零电位器Rw的控制端与运算放大器的工作电压端-Vc连接。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明还包括第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3，所述第一开关连接在指纹采集电路与补偿电路之间，所述第二开关连接在节点A与指纹采集电路之间，所述第三开关连接在节点A与噪声抑制电路之间，所述第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3的控制端分别与控制器的开关控制端连接，接收相应的开关控制信号。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明还包括均与控制器连接的存储器和通信接口，所述存储器用于存储指纹数据、控制参数和/或控制指令，所述控制器通过通信接口与上位机进行数据交互。

本发明还提出了一种指纹识别方法，该方法基于权利要求1-9任一项所述的一种指纹识别模块，所述方法包括以下步骤：

S1，电荷清零步骤：在手指未接触外部电极之前，闭合第一开关和第二开关，断开第三开关，进一步的，对于积分运算电路，还需闭合第五开关，将第四开关闭合至第一常开端，将指纹采集电路、补偿电路和积分运算电路中的电荷清零；

S2，噪声检测步骤：断开第二开关，闭合第三开关，控制器通过噪声测试控制端给噪声抑制电容器设置初始电容值，第二信号源输出方波信号或正弦波信号，使噪声抑制电容器上产生预定的电荷量，输出噪声检测信号，并通过积分运算电路和数模转换电路将噪声检测信号传送至控制器，由控制器判断该噪声检测信号是否为数模转换器的最大量程的一半，若不是，则调整噪声抑制电容器的电容值，直到满足该条件为止；

S3，指纹信号采集步骤：手指接触外部电极时，闭合第一开关、第二开关、第三开关，第一信号源发出方波信号，经过外部电极后变化为待测指纹信号V1，再经外部电极与检测传感器之间的寄生电容Cp1耦合到检测传感器，检测传感器输出外部电极和隔离电极之间的电荷差信号；

S4，信号补偿步骤：控制器控制补偿电路输出补偿信号V2，改变待测指纹信号V1中的正半周信号与负半周信号，其中，补偿信号V2的值为负半周信号的值的平均值；

S5，噪声抑制步骤：第二信号源输出方波信号或正弦波信号，噪声抑制电容器上产生预定的电荷量，输出噪声抑制信号，抑制指纹信号中的共模噪声；

S6，积分运算步骤：积分运算电路接收到补偿后的待测指纹信号V1和噪声抑制信号的叠加信号，经过预设的积分周期长度，输出指纹积分信号；

S7，数模转换器将指纹积分信号进行数模转换，并转发给控制器，控制器根据电压值计算得到对应的像素图像，再根据每个外部电极的像素图像生成所采集的指纹图像。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提出的一种电荷转移型指纹识别模块及指纹识别方法，可通过补偿电路放大指纹谷信号和指纹脊信号的信号差，还可通过噪声抑制电路消除电路中的指纹噪声，以实现更为准确地识别指纹。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明指纹识别模块的结构框图。

图2为本发明中电压缓冲器的电路框图。

图3是本发明中电压缓冲器的电路原理图。

图4是本发明中积分运算电路的电路原理图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，图1描述了一种指纹识别模块，主要包括指纹采集电路、补偿电路、噪声抑制电路、积分运算电路、数模转换电路和控制器。在采集指纹信号时，本发明通过补偿电路提供补偿信号，放大指纹采集电路所采集的指纹谷信号和指纹脊信号的信号差，进行电荷补偿，提高指纹识别的准确性，以及提高指纹图像的成像质量。本发明还可通过噪声抑制电路消除电路中的指纹噪声，以便于过滤所采集的指纹信号中的指纹噪声，进一步提高指纹识别的准确性和成像质量。

其中，所述指纹采集电路的输出端为节点A，并与积分运算电路的输入端连接，积分运算电路的输出端通过数模转换电路与控制器的指纹输入端连接，所述补偿电路的输出端与指纹采集电路的补偿端连接，其补偿控制端与控制器的补偿电路控制端连接，所述噪声抑制电路的测试信号输出端与节点A连接，其测试控制端与控制器的噪声测试控制端连接。

基于上述实施例，进一步的，本发明所述指纹采集电路包括第一信号源、外部电极、检测传感器和隔离电极，所述外部电极的电源端与第一信号源连接，其输出端与检测传感器的第一输入端连接，所述检测传感器的第二输入端与隔离电极的输出端连接，所述隔离电极的输入端与指纹采集电路的补偿端连接，所述检测传感器的输出端与节点A连接。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明所述补偿电路包括电压缓冲器和补偿信号源，所述电压缓冲器的输入端与补偿信号源的输出端连接，其输出端与补偿电路的输出端连接，所述补偿信号源的控制端与控制器的补偿电路控制端连接。

基于上述任一实施例，进一步的，如图2所示，图2描述了本发明中电压缓冲器的结构框图，所述电压缓冲器主要包括缓冲放大器、电压控制器、电平位移器、失真反馈电路和恒流电流源。

其中，所述电压控制器的第一端与工作电源端VDD连接，其第二端与缓冲放大器的第一端连接，其第三端通过电平位移器与缓冲放大器的第二端连接。

所述缓冲放大器的第二端还与电压缓冲器的输入端Vin连接，其第三端与电压缓冲器的输出端Vout连接。

所述恒流电流源的第一端与缓冲放大器的第三端连接，其第二端通过失真反馈电路与电压缓冲器的输入端Vin连接，其第三端与模拟地对接，其偏置端接入偏置电压Vb。

基于上述任一实施例，进一步的，如图3所示，图3描述了本发明中电压缓冲器的一种电路原理图，所述电压缓冲器可包括PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、电容C1和电容C2。其中，PMOS管M1相当于电压控制器，PMOS管M2相当于缓冲放大器，PMOS管M3和PMOS管M4相当于一个共源共删的恒流电流源，电容C1相当于电平位移器，电容C2相当于失真反馈电路。

所述PMOS管M1的漏极与工作电源端连接，其源极与PMOS管M2的漏极连接，其栅极通过电容C1与电压缓冲器的输入端连接。

所述PMOS管M2的栅极与电压缓冲器的输入端连接，其源极与电压缓冲器的输出端连接。

所述PMOS管M3的漏极与电压缓冲器的输出端连接，其源极与PMOS管M4的漏极连接，其栅极与偏置电压端Vb3连接。

所述PMOS管M4的漏极与PMOS管M3的源极之间还通过电容C2与电压缓冲器的输入端连接，其源极与模拟地对接，其栅极与偏置电压端Vb4连接。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明所述噪声抑制电路包括第二信号源和噪声抑制电容器，所述噪声抑制电容器的第一端与节点A连接，其第二端与第二信号源连接，其容值设置端与控制器的噪声测试控制端连接。

基于上述任一实施例，进一步的，如图4所示，本发明所述积分运算电路包括运算放大器、反馈电容器、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、调零电位器Rw、第四开关S4、第五开关S5和基准信号源。

所述运算放大器的反向输入端通过电阻R1与第四开关S4的常闭端连接，所述第四开关S4的第一常开端与积分运算电路的输入端连接，所述第四开关S4的第二常开端与地对接；所述电容C3并联在运算放大器的反向输入端和输出端之间，所述运算放大器的输出端还通过电阻R3和第五开关S5与运算放大器的反向输入端连接。

所述运算放大器的正向输入端通过电阻R2与基准信号源连接；所述运算放大器的输出端与积分运算电路的输出端连接；所述运算放大器的调零端的正负极之间并联调零电位器Rw；所述运算放大器的工作电压正极与工作电压端+Vc连接，其工作电压负极与工作电压端-Vc连接；所述调零电位器Rw的控制端与运算放大器的工作电压端-Vc连接。

闭合第四开关S4至第二常开端，闭合第五开关S5，对积分运算电路进行消振和调零，然后断开第五开关S5，调整调零电位器Rw，控制运算放大器的输出时间，一般的，降低运算放大器的输出时间，使运算放大器的输出随时间的变化尽量慢。再讲第四开关S4与第一常开端连接，控制器采集运算放大器的输出电压Vo1，经一定时间后，再将第四开关S4与第二常开端闭合，采集运算放大器的输出电压Vo2，根据输出电压Vo1和输出电压Vo2，判断积分运算电路的电压保持能力，若保持时间小于预设阈值，则继续调整调零电位器Rw，知道保持时间大于或等于预设阈值为止，以此使积分运算电路的保持一个高线性度、低漂移的状态。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明还包括第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3，所述第一开关连接在指纹采集电路与补偿电路之间，所述第二开关连接在节点A与指纹采集电路之间，所述第三开关连接在节点A与噪声抑制电路之间，所述第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3的控制端分别与控制器的开关控制端连接，接收相应的开关控制信号。

基于上述任一实施例，进一步的，本发明还包括均与控制器连接的存储器和通信接口，所述存储器用于存储指纹数据、控制参数和/或控制指令，所述控制器通过通信接口与上位机进行数据交互。

本发明的工作原理：指纹识别模块的手指接触面上排列多个外部电极，组成一个电极阵列，当手指接触指纹识别模块时，外部电极采集手指的指纹信号，包括指纹谷信号和指纹脊信号，且由于指纹谷与指纹脊的高度不同，导致指纹谷信号和指纹脊信号不同，指纹谷信号和指纹脊信号的差值也不同。

本发明具体包括以下多个步骤：

S1，电荷清零步骤：在手指未接触外部电极之前，闭合第一开关和第二开关，断开第三开关，进一步的，对于积分运算电路，还需闭合第五开关，将第四开关闭合至第一常开端，将指纹采集电路、补偿电路和积分运算电路中的电荷清零。

S2，噪声检测步骤：断开第二开关，闭合第三开关，控制器通过噪声测试控制端给噪声抑制电容器设置初始电容值，第二信号源输出方波信号或正弦波信号，使噪声抑制电容器上产生预定的电荷量，输出噪声检测信号，并通过积分运算电路和数模转换电路将噪声检测信号传送至控制器，由控制器判断该噪声检测信号是否为数模转换器的最大量程的一半，若不是，则调整噪声抑制电容器的电容值，直到满足该条件为止。

S3，指纹信号采集步骤：手指接触外部电极时，闭合第一开关、第二开关、第三开关，第一信号源发出方波信号，经过外部电极后变化为待测指纹信号V1，再经外部电极与检测传感器之间的寄生电容Cp1耦合到检测传感器，检测传感器输出外部电极和隔离电极之间的电荷差信号。

S4，信号补偿步骤：控制器控制补偿电路输出补偿信号V2，改变待测指纹信号V1中的正半周信号与负半周信号，其中，补偿信号V2的值为负半周信号的值的平均值，从而使得在补偿信号V2耦合到隔离电极时，检测传感器所输出的待测指纹信号V1中，负半周信号的值约等于零。

由于手指在接触外部电极时，不仅使外部电极与检测传感器的之间的寄生电容Cp1发生变化，手指还相当于一个噪声源将噪声引入后续电路，从而对指纹的识别产生影响，无法识别出正确的指纹图像，因此，在处理指纹信号时，需消除指纹信号所引入的指纹噪声。

S5，噪声抑制步骤：第二信号源输出方波信号或正弦波信号，噪声抑制电容器上产生预定的电荷量，输出噪声抑制信号，抑制指纹信号中的共模噪声。

S6，积分运算步骤：积分运算电路接收到补偿后的待测指纹信号V1和噪声抑制信号的叠加信号，经过预设的积分周期长度，输出指纹积分信号。

S7，数模转换器将指纹积分信号进行数模转换，并转发给控制器，控制器根据电压值计算得到对应的像素图像，再根据每个外部电极的像素图像生成所采集的指纹图像。

本发明可直接通过通信接口输出指纹图像数据，还可将采集的指纹图像与存储器中的预设指纹图像进行比较，通过通信接口输出相应的身份验证指令。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。