来源：电子设计应用 作者：北京交通大学 信息科学研究所 沈阳 冯良 洪诚

    摘 要：在现今的电子产品开发领域中，基于fpga的sopc占有极其重要的地位。本文介绍了基于sopc、嵌入生物特征的个人证件识读器设计。其中，生物特征主要以声纹特征为目标，将其嵌入到二维条形码中，再打印条码到个人证件上，用于个人证件的防伪验证。本设计采用altera公司的fpga软核处理器以及通用ip核实现系统的集成化，并且用c2h工具对软件算法的瓶颈进行硬件加速处理，系统性能得到了明显提高。

    关键词： sopc；ip核；二维条形码；c2h

    引言

    sopc可编程片上系统是一种独特的嵌入式微处理系统。首先，它是soc，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，以fpga为硬件基础，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件系统在线可编程的能力。

    本系统采用了altera公司的cyclone ii fpga开发平台和相应的开发工具quartus ii进行系统硬件部分的开发；利用nios ii ide实现了语音识别算法的编译、链接、调试和运行；同时还应用了altera公司独具特色的c2h加速工具，实现了语音算法程序的硬件加速，使系统性能得到了明显的提升。

    此次设计采用了二维条形码进行语音特征的存储，一方面是考虑到二维条形码的成本很低，市场应用潜力巨大；另一方面，正因为在个人证件上拥有了二维条形码，系统可以脱离数据库的支持，变得更加灵活实用。

    系统结构

    本设计采用sopc的可编程设计思想，以cyclone ii中实现的nios ii处理器为核心，系统架构如图1所示。

    中心处理模块可以接收其他模块的数据，并进行处理，再将处理结果送到外部设备进行显示和报告。语音采集模块在用户注册和认证时采集用户口令(即语音)，其中包含a/d采样、量化、编码等，并会将数字形式的数据送到中心处理模块等待处理。系统以串口扫描枪做为条码扫描设备，用于读取个人证件上嵌入声纹特征的二维条形码中的数据，这些数据是在用户注册时生成的。

    图1 系统结构框图

    本设计将sopc设计与二维条形码数据存储相结合，不仅发挥了各自的特点，而且扩宽了应用领域。

    系统工作流程分为注册和验证两个阶段。注册过程需要采集同一用户的多个语音，通过注册算法生成个人的生物特征，将其嵌入到二维条码中，再打印条码到此用户的个人证件上。这样的证件具备了唯一、不易复制等特点，从而提高了证件的安全性能。对证件进行验证时，先用条码扫描设备读取条码中的特征数据，然后现场采集证件持有人的语音，进行比对，给出验证结果。

    硬件的具体实现

    本设计以32位nios ii软核处理器为系统的核心部分，负责执行指令和数据运算。各种ip都可以通过sopc builder连接到avalon总线上，其中包含用户自定义的外设。用户外设的编写需要符合avalon总线的规范。

    系统硬件结构如图2所示，包括cpu、uart、lcd、三态桥、片外存储器控制，以及各种输入/输出控制，这些ip都可以直接复用。这样的系统设计方法不仅模块化，而且大大缩短了系统设计周期。fft运算模块不仅可以直接使用ip，还可以用c2h加速工具来提高系统性能。在此次设计中，fft、dct以及数据量较大的循环运算都采用c2h完成了硬件加速，效果较为明显。

    nios ii软核处理器

     nios ii是32位软核处理器，具有较高的性能。本设计在altera的cyclone ii上实现了处理器的配置，可以通过添加用户自定义指令来增强系统设计性能，同时可以添加多个片内存储器来提高数据的处理能力。

    串口通信

    本设计用到的扫描枪通过串口(uart)连接到开发平台上，目的是对二维条形码中