基于嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名： 邢 蓉 學(xué) 號(hào)： 12020043 班 級(jí)： 12 電氣 1 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 所在系： 自動(dòng)化工程系 指導(dǎo)老師： 胡雙喜 基于嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著科技的蓬勃發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視自己的個(gè)人隱私，由此個(gè)人身份識(shí)別的需求日益增加。由于指紋擁有獨(dú)特的不變性，使得指紋識(shí)別技術(shù)與傳統(tǒng)的身份識(shí)別方法相比起來(lái)，更加的安全和可操作，所以基于傳統(tǒng)的身份識(shí)別技術(shù)的不足可以被克服，指紋識(shí)別日益被認(rèn)可?；谥讣y認(rèn)證技術(shù)，指紋識(shí)別是一個(gè)重要手段，其歷來(lái)通常在 PC 平臺(tái)上運(yùn)行，但隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，指紋識(shí)別系統(tǒng)的需

2、求不斷提升，同時(shí)市場(chǎng)對(duì)便攜性和易用性的要求更加走高，指紋產(chǎn)品正在朝著嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向。本文首先介紹了指紋識(shí)別技術(shù)的研究目的與意義和市場(chǎng)需求，并且給出了嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的原理，在通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)身份認(rèn)證技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)分析后，進(jìn)而提出了利用生物特征識(shí)別的身份認(rèn)證方式，在它的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)。同時(shí)提出了嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的體系架構(gòu)，主要包括基于指紋模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和 MSP430F2370主控芯片的硬件電路、固件端 UART 驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。在嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，硬件方面采用具有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)的 MSP430F2370芯片作為主控芯片和TA0701的指紋芯片，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了

3、相應(yīng)的電源和 UART 接口電路，實(shí)現(xiàn)了嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計(jì)。在軟件方面，根據(jù)基于嵌入式的指紋識(shí)別系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的功能模塊包括初始化、注冊(cè)、指紋處理、登錄、刪除和出錯(cuò)報(bào)警。使用 IAR EMBEDDED WORKBENCH 軟件進(jìn)行軟件部分的調(diào)試。并將程序燒寫(xiě)到芯片中，使用串口調(diào)試軟件 SSCOM32_E666對(duì)軟件運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)視，配合編譯軟件進(jìn)行命令的修改。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式的高安全性、高性價(jià)比的指紋識(shí)別系統(tǒng)。關(guān)鍵字：指紋識(shí)別；嵌入式系統(tǒng)；UART；MSP430；TA0701 Based on the Embedded Fingerprint System

4、 DesignABSTRACTWith the rapid development of technology, more and more people pay attention to their personal privacy, personal identification thereby increasing demand. Since the fingerprint has a unique invariant, so that fingerprint identification technology compared to traditional identification

5、 methods together, more secure and operational, so based on the shortcomings of traditional identification technologies can be overcome, fingerprint identification is increasingly being recognized. Based on fingerprint authentication technology, fingerprint recognition is an important tool, it has a

6、lways been generally run on PC platforms, but with the rapid development of modern society, the demand for fingerprint identification system on the rise, while the market for portability and ease of use requirements more higher, fingerprint products are moving in the direction of the development of

7、embedded technology. This paper introduces the purpose and significance and market needs fingerprint recognition technology, and gives the principle of embedded fingerprint identification system, after the adoption of the advantages and disadvantages of traditional authentication techniques proper a

8、nalysis, and further proposed the use of biometrics authentication mode, in which, based on the design and implementation of embedded fingerprint identification system. Also proposed architecture embedded fingerprint identification system, including fingerprint module based design of hardware circui

9、t, firmware side implementation and MSP430F2370 master chip UART driver implementations. In the design of embedded fingerprint identification system, the hardware used has a cost advantage of MSP430F2370 chip as the main chip and fingerprint TA0701 chip and system design of the appropriate power and

10、 UART interface circuit, embedded fingerprint identification system hardware module design. In terms of software, based on based on the characteristics of embedded fingerprint identification system, this paper designed function modules, including initialization, registration, fingerprint processing,

11、 log in, delete, and error alarm. Use IAR EMBEDDED WORKBENCH software debugging software section. And programmed into the chip using serial debugging software SSCOM32_E666 the software running the problems of monitor, modify, compile with software commands. We designed and implemented based on the e

12、mbedded high security, cost-effective fingerprint recognition system.Key Words: Fingerprint Identification;Embedded System; UART; MSP430;TA0701.目目錄錄第一章緒論.11.1 課題的研究目的與意義 .11.2 機(jī)器人的市場(chǎng)需求 .11.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .21.4 論文研究?jī)?nèi)容及基本結(jié)構(gòu) .3第二章課題設(shè)計(jì)方案的選型.52.1 生物特征識(shí)別技術(shù)概述 .52.2 指紋識(shí)別技術(shù)介紹 .62.3 指紋采集傳感器技術(shù) .82.4 關(guān)于 MSP430 單片機(jī)的概

13、述 .92.5 UART 串口通信.92.6 小節(jié) .11第三章嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì).123.1 嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) .123.1.1 嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 .123.1.2 硬件框圖 .123.2 主控芯片選型 .133.2.1 選擇具體的主控芯片類(lèi)型 .133.2.2 指令系統(tǒng) .153.2.3 寄存器描述 .153.3 指紋模塊選型 .173.3.1 指紋模塊組 .173.3.2 管腳分配 .173.3.3 指紋處理芯片 .183.4 電路原理圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .193.4.1 指紋模塊電路 .203.4.2 FLASH 電路.203.4.3 電壓調(diào)整電路 .213.

14、4.4U 轉(zhuǎn)串電路.213.4.5 燒寫(xiě)電路 .223.4.6 電源電路 .233.4.7 顯示電路 .233.4.8 按鍵電路 .243.5 硬件實(shí)物 .243.6 硬件調(diào)試 .243.7 小節(jié) .25第四章嵌入式指紋系統(tǒng)軟件部分與實(shí)現(xiàn).264.1 整體結(jié)構(gòu) .264.2 軟件的總框圖 .264.3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .274.3.1 軟件主工作流程 .274.3.2 初始化模塊實(shí)現(xiàn) .284.3.3 用戶注冊(cè)模塊實(shí)現(xiàn) .294.3.4 指紋處理模塊實(shí)現(xiàn) .334.3.5 登錄 .354.3.6 刪除 .374.4 軟件調(diào)試 .384.4.1 程序的編譯 .394.4.2 程序的燒寫(xiě) .

15、404.5 小結(jié) .42第五章總結(jié)與展望.43參考文獻(xiàn).44致謝.45天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）0第一章緒論1.1 課題的研究目的與意義本課題的主要來(lái)源是人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中對(duì)指紋識(shí)別系統(tǒng)的需求，隨著社會(huì)日新月異的變化，個(gè)人身份識(shí)別在各種行業(yè)中的應(yīng)用無(wú)處不在，同時(shí)也因?yàn)橹悄芗夹g(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展個(gè)人身份識(shí)別的應(yīng)用變得日益增長(zhǎng)。出于這個(gè)原因，傳統(tǒng)身份識(shí)別方法在與其相比較下的局限性和缺陷體現(xiàn)的也日益突出。當(dāng)前基于傳統(tǒng)識(shí)別方法的機(jī)械鑰匙，用戶賬號(hào)與密碼相結(jié)合以及智能 IC 卡等都存在著會(huì)丟失，被他人輕易復(fù)制和被盜用的極大隱患，由于這些弊端用戶的滿意程度變低以及體驗(yàn)感覺(jué)變

16、差，使得傳統(tǒng)產(chǎn)品的推廣普及便受到了很大的局限，而這些正是由于傳統(tǒng)身份認(rèn)證操作對(duì)象并不是被識(shí)別人本身，存在很大的缺陷而導(dǎo)致的。因此想要解決目前出現(xiàn)的這些問(wèn)題，我們要必須加強(qiáng)對(duì)用戶的身份信息的認(rèn)證。當(dāng)今，基于生物特征的身份識(shí)別技術(shù)快速發(fā)展，在一定程度上可以從根本上解決基于傳統(tǒng)的個(gè)人身份識(shí)別方法的缺陷。我們知道的生物特征有個(gè)人的指紋信息和聲音特征等，類(lèi)似于其特殊的功能還有人們的特定生活習(xí)慣和特色口音。這些就是日常生活中我們所熟知的生物特征。個(gè)人身份識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用生物特征的最主要原因是在于這些特征對(duì)于每一位識(shí)別者來(lái)說(shuō)都是具有一定的特殊性的，而且這些特征都是唯一不可復(fù)制的，并且是很難在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大變

17、化的，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定是它的顯著特點(diǎn)。我們每個(gè)人身體不同部位所產(chǎn)生的紋路也是大不相同的，而這一切都是由于我們凸凹不平的皮膚所引起的。由于我們皮膚表面存在著這些紋路從而使得手掌表面的摩擦力變大，人們則可以用手來(lái)拎起物體。因此，我們可以根據(jù)這種唯一的特點(diǎn)把每個(gè)人和他的指紋一一相匹配起來(lái)，這樣一來(lái)則可以通過(guò)比對(duì)被識(shí)別者的指紋信息，從而可以辨別其身份信息的真實(shí)可靠性1。這種依靠人體的身體也就是這里所說(shuō)的身份認(rèn)證實(shí)際上是指通過(guò)指紋傳感器傳送指紋信息確認(rèn)相關(guān)使用者身份的過(guò)程。眾所周知，我們都生活在現(xiàn)實(shí)的物理世界中，每個(gè)人都具有屬于自己的特征，這些特征是不同于他人的。與基于傳統(tǒng)的個(gè)人身份信息識(shí)別方法相比較起來(lái)，生

18、物特征的識(shí)別技術(shù)具有大量?jī)?yōu)勢(shì)如可以隨身攜帶和隨時(shí)使用，從而可以為用戶提供更加安全，更為方便的保密服務(wù)2。1.2 指紋識(shí)別系統(tǒng)的市場(chǎng)需求當(dāng)前，利用生物特征識(shí)別身份的方法發(fā)展十分迅速， 到 2012 年為止全世界生物特天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）1征識(shí)別市場(chǎng)的規(guī)模已經(jīng)增長(zhǎng)至 100 億美元。生物特征識(shí)別是世界通用的國(guó)際安全識(shí)別中最為高效的可以用來(lái)預(yù)防恐怖，維持穩(wěn)定的技術(shù)。目前美國(guó)，歐盟等國(guó)家已經(jīng)實(shí)施強(qiáng)制措施對(duì)進(jìn)入該國(guó)的旅客進(jìn)行個(gè)人生物信息的采集記錄。倫敦奧運(yùn)會(huì)更是提出苛刻的要求即記錄每一位觀眾的相應(yīng)的信息以此來(lái)保證奧運(yùn)會(huì)的安全和順利進(jìn)行。而我國(guó)也開(kāi)始重視個(gè)人信息

19、的采集在舉行的各屆大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)上極為嚴(yán)格的采集了所有運(yùn)動(dòng)員和觀眾的個(gè)人信息。除此以外，學(xué)校也是一個(gè)很好的例子，由于學(xué)籍管理，圖書(shū)借閱，食堂售飯，學(xué)雜費(fèi)交納，課外活動(dòng)管理，學(xué)生上機(jī)費(fèi)用收取等等都是屬于綜合管理的范疇，因此學(xué)校內(nèi)部的綜合管理內(nèi)容較為復(fù)雜3。如果我們充分利用智能卡的優(yōu)勢(shì)，將眾多復(fù)雜的功能集成在一張卡上，這樣一來(lái)就可以大大節(jié)約學(xué)校的各種資源。基于指紋的身份識(shí)別技術(shù)與智能卡技術(shù)的結(jié)合使得眾多優(yōu)勢(shì)凸顯而出，首先就是在真實(shí)性方面，我們可以保證持卡者身份的真實(shí)性準(zhǔn)確無(wú)誤，再者就是在快捷方面來(lái)說(shuō)可以節(jié)省比對(duì)指紋的時(shí)間，而這一切均依賴于指紋識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)

20、展十分迅猛，并且人們也越來(lái)越關(guān)注信息的安全。因此很多公司都順勢(shì)推出了一系列關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全以及信息識(shí)別的產(chǎn)品，這類(lèi)產(chǎn)品雖然種類(lèi)繁多但是它們的工作原理則可以簡(jiǎn)要概括為以下幾個(gè)方面：1.基于傳統(tǒng)的密碼訪問(wèn)權(quán)限控制的產(chǎn)品。在基于傳統(tǒng)的身份識(shí)別產(chǎn)品中，它們的主要的解決方法就是將多重操作密碼和安全設(shè)置相結(jié)合。2.物品識(shí)別產(chǎn)品。智能卡就是一個(gè)很好的例子，把深層安全機(jī)制與多重加密算法結(jié)合在一起，正是這種工作原理使得智能卡成為十分安全的工作方式之一，又由于智能卡有相應(yīng)的工作介質(zhì)可以進(jìn)行信息的存儲(chǔ)，并且可以處理一些文件，而這些特征并不會(huì)影響個(gè)人信息的識(shí)別與實(shí)現(xiàn)，因此現(xiàn)在在銀行，財(cái)務(wù)等工作領(lǐng)域中這一工作方式受到廣泛的

21、應(yīng)用。3. 基于指紋識(shí)別的相關(guān)產(chǎn)品。目前，指紋識(shí)別隨著智能科技的發(fā)展有著飛速地發(fā)展，而這受到廣泛的應(yīng)用都是源于以下幾點(diǎn)：（1） 每個(gè)指紋都是特殊的，不可復(fù)制的，但是 IC 卡卻是可以很多用戶持有一張；（2） 指紋識(shí)別具有高安全性，而 IC 卡的安全度不足；（3） 指紋識(shí)別的投入是一次性的，就經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)是特別經(jīng)濟(jì)可靠的。天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）2目前，基于指紋識(shí)別的認(rèn)證系統(tǒng)發(fā)展十分迅猛，但是，其產(chǎn)品還處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，某些方面還不太完善，需要改進(jìn)的地方體現(xiàn)在： 1.目前，市場(chǎng)上絕大多數(shù)的指紋產(chǎn)品沒(méi)有配備相應(yīng)的指紋采集設(shè)備。2.指紋識(shí)別產(chǎn)品發(fā)展領(lǐng)域雖然廣泛，但是

22、，其很少用在安全認(rèn)證的項(xiàng)目中。3.目前，我國(guó)要想建立完整的指紋信息庫(kù)還需要很長(zhǎng)的時(shí)間。但是，形成指紋信息庫(kù)對(duì)當(dāng)下來(lái)說(shuō)是實(shí)現(xiàn)大型指紋識(shí)別項(xiàng)目的有力保障。但是這項(xiàng)工作目前都沒(méi)有得到相應(yīng)的重視，更加難以啟動(dòng)；4.標(biāo)準(zhǔn)化制訂滯后，指紋產(chǎn)品行業(yè)目前還沒(méi)有成形的、可行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到基于嵌入式的指紋識(shí)別技術(shù)目前具有廣闊的商業(yè)前景，通常情況下，各個(gè)公司或研究機(jī)構(gòu)都把指紋識(shí)別技術(shù)當(dāng)做核心要素，因此，我們只能從外部條件去得知指紋相關(guān)產(chǎn)品的各種性能指標(biāo)和參數(shù)并理順?biāo)陌l(fā)展情況。國(guó)際市場(chǎng)上有很多公司研究指紋識(shí)別技術(shù)的產(chǎn)品，在這方面歐美是引導(dǎo)者。目前，在美國(guó)有多家公司都已經(jīng)推出了自己的指紋識(shí)別產(chǎn)品，就拿 IBM 公

23、司來(lái)說(shuō)，它使用自己的軟件作為企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)安全控制，從而使得企業(yè)內(nèi)部信息的安全受到保護(hù)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，指紋識(shí)別技術(shù)相對(duì)落后幾十年。而且相比歐美國(guó)家，我們之間有著不可跨越的差距，在國(guó)內(nèi)指紋技術(shù)發(fā)展期間，我國(guó)出現(xiàn)了技術(shù)提供者和產(chǎn)品的營(yíng)銷(xiāo)者等4。目前，我國(guó)的指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展迅猛，逐漸拉低和高技術(shù)國(guó)家的差距。1.4 論文研究?jī)?nèi)容及基本結(jié)構(gòu)本選題主要來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐中指紋識(shí)別系統(tǒng)的需求，隨著科技技術(shù)的發(fā)展，個(gè)人身份識(shí)別的應(yīng)用范圍日益增大?；趥鹘y(tǒng)的身份識(shí)別方法的缺點(diǎn)表現(xiàn)的日益明顯。目前，鑰匙和密碼等保護(hù)措施存在著丟失，復(fù)制及被盜用的隱患，導(dǎo)致用戶滿意度低和體驗(yàn)差，對(duì)于產(chǎn)品的推廣受到了很大的局限。本課題設(shè)計(jì)的

24、基于嵌入式的指紋識(shí)別系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)方式所遺留下來(lái)的難題，通過(guò)指紋傳感器傳送指紋信息，為用戶提供更安全，更方便的保密服務(wù)。本文研究的主要內(nèi)容包含如下幾個(gè)方面：1.對(duì)指紋傳感器的研究與應(yīng)用2.指紋圖像識(shí)別模塊的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)3.身份認(rèn)證和訪問(wèn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.指紋識(shí)別算法的研究與應(yīng)用5.嵌入式指紋系統(tǒng)的軟件調(diào)試本文的研究方法和手段有如下幾個(gè)方面： 首先，通過(guò)對(duì)課題的需求進(jìn)行了研究與分析，初步認(rèn)知課題的現(xiàn)實(shí)性與實(shí)用性。其天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）3次，在圖書(shū)館根據(jù)要求查閱有關(guān)文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識(shí)，了解所需的專業(yè)技術(shù)知識(shí)并對(duì)產(chǎn)品有初步的設(shè)計(jì)思路。然后，在實(shí)驗(yàn)

25、室用 PROTEL 99SE 設(shè)計(jì)主電路圖，在專業(yè)的環(huán)境下進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。本文的研究步驟如下：1.閱讀任務(wù)書(shū)，了解課題內(nèi)容，明確具體要求。2.對(duì)產(chǎn)品的需求進(jìn)行分析。3.方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)架。4.查閱參考文獻(xiàn)與相關(guān)資料，了解 UART。5.采用專業(yè)工具進(jìn)行產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)。6.集成調(diào)試。本文的結(jié)構(gòu)大致如下：第一章：緒論，簡(jiǎn)介嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的研究目的和意義以及市場(chǎng)需求和國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。第二章：課題設(shè)計(jì)方案的選型，介紹了生物特征識(shí)別技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)和指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作模式。第三章：嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件部分的整體結(jié)構(gòu)，主控芯片等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。第四章：本章是用于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件部分，闡述了指紋

26、識(shí)別系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)描述了系統(tǒng)各個(gè)軟件模塊，給出相應(yīng)模塊的流程圖和程序要求。天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）4第二章課題設(shè)計(jì)方案的選型2.1 生物特征識(shí)別技術(shù)概述身份認(rèn)證就是通過(guò)特定方式確定用戶身份的過(guò)程，隨著科技的發(fā)展認(rèn)證技術(shù)不再像以前那樣單一，現(xiàn)在常用的身份認(rèn)證技術(shù)可以分為以下三類(lèi)，第一類(lèi)是根據(jù)被認(rèn)證對(duì)象所掌握的信息來(lái)確定身份，如口令、身份識(shí)別碼；第二類(lèi)則利用被認(rèn)證對(duì)象所擁有的物品對(duì)其進(jìn)行身份識(shí)別，如身份證、護(hù)照、信用卡；第三類(lèi)根據(jù)被識(shí)別對(duì)象所擁有的生物特征進(jìn)行身份識(shí)別。生物特征身份識(shí)別由身份驗(yàn)證和辨識(shí)兩部分組成。典型的生物特征識(shí)別系統(tǒng)如圖 2.1

27、5所示。圖 2.1 生物特征識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2.1 Biometric identification system structure可以用于身份識(shí)別的生物特征須滿足如下的條件6：1.普遍性，即每個(gè)人都要擁有此生物特征；2.唯一性，即任意兩人的此特征不可能完全相同；3.永久性，即此特征相對(duì)于時(shí)間來(lái)說(shuō)是具有長(zhǎng)久不變性的；天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）54.可采集性，即特征可以被采集和檢測(cè)；5.性能，體現(xiàn)了識(shí)別的精度；6.可接受性，表明了當(dāng)前人們對(duì)生物特征識(shí)別技術(shù)的接受的程度。生物特征中指紋、虹膜等本身就具有以上所述的優(yōu)點(diǎn)，我們根據(jù)這些唯一的生物特征來(lái)進(jìn)行

28、身份信息的識(shí)別，顯然我們可以克服許多間接認(rèn)證的限制，并滿足人們?cè)谧R(shí)別方式上的更高要求。因而，生物識(shí)別技術(shù)行業(yè)將擁有越來(lái)越大的市場(chǎng)，前景十分廣闊。指紋識(shí)別擁有一些特殊的特點(diǎn)，相關(guān)特征如下所述7：1.普遍性：每個(gè)人都具有自己的指紋；2唯一性：兩個(gè)指紋幾乎不可能相同；3.永久性：即不會(huì)隨著人體的發(fā)育而改變；4.可采集性：即可以通過(guò)一定的設(shè)備和手段采集到；5.可行性：通常情況下可以達(dá)到相當(dāng)合理的正確率；6.可接受性：方式能被人們所接受；7.防偽性好。指紋識(shí)別技術(shù)目前已成為最可靠的生物特征識(shí)別技術(shù)之一，并在人們的生活的應(yīng)用日益增多。以下對(duì)這幾種生物特征識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了比較，如表 2.1 所示8表 2.1

29、幾種生物特征識(shí)別技術(shù)的比較Table2.1 The comparison of several kinds of biometric identification technology生物識(shí)別技術(shù)識(shí)別效果1 比 1 比對(duì)1 比 N 比對(duì)儀器體積指紋很好可以可以很小虹膜或視網(wǎng)膜很好可以可以大手形好可以不能居中人臉變化可以不能小聲音變化可以不能很小通過(guò)以上比較可知，從識(shí)別效果來(lái)看，指紋識(shí)別和眼識(shí)別的較好，人臉識(shí)別受光的影響較大，而語(yǔ)音識(shí)別受麥克風(fēng)的影響很大。指紋識(shí)別和眼睛識(shí)別有著低錯(cuò)誤率，但由傳感器價(jià)格和儀器體積比較可知，指紋識(shí)別更易于普及。2.2 指紋識(shí)別技術(shù)介紹天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 201

30、6 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）6指紋識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)在模式識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證識(shí)別人的生物特征的系統(tǒng)。指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作模式可以分為兩類(lèi)：驗(yàn)證(VERIFICATION)模式和辨識(shí)(IDENTIFICATION)模式，如圖 2. 29所示：圖 2.2 指紋識(shí)別系統(tǒng)工作模式的結(jié)構(gòu)框圖Fig2.2 The fingerprint recognition system structure diagram of work patterns驗(yàn)證模式：對(duì)用戶進(jìn)行指紋比對(duì)，然后判斷身份。辨識(shí)模式：與數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋進(jìn)行一對(duì)一對(duì)比，找出與現(xiàn)場(chǎng)輸入指紋相匹配的指紋特征信息。辨識(shí)被拒絕(如果人被拒絕)是應(yīng)用程序的

31、重要組成部分10。拒絕識(shí)別的目的是防止一個(gè)人具有多重身份。指紋識(shí)別系統(tǒng)其工作流程如圖 2.311所示 圖 2.3 指紋識(shí)別系統(tǒng)工作流程 特征點(diǎn)提取 特征點(diǎn)匹配 輸出顯示 注冊(cè) 匹配 指紋圖像采集 指紋圖像評(píng)估 指紋圖像預(yù)處理 存入特征模板數(shù)據(jù)庫(kù) 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）7Fig.2.3 Fingerprint identification system workflow指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) AFIS(Automated Fingerprint Identification System)是集模式識(shí)別，光電技術(shù)，圖像處理，智能卡，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)于一身的綜合性技術(shù)。

32、它可以分為以下兩種模式12：1聯(lián)機(jī)式首先采集所需指紋圖像,然后由指紋識(shí)別相應(yīng)的算法進(jìn)行識(shí)別和處理。由于圖像數(shù)據(jù)較大,通常我們使用數(shù)據(jù)傳輸接口。但是系統(tǒng)體積大,適應(yīng)性相對(duì)來(lái)說(shuō)較差,因此它是不適合集成的開(kāi)發(fā)。2嵌入式嵌入式系統(tǒng)，一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，其中，嵌入式指紋處理模塊是核心,它的功能單一，用于執(zhí)行特定的功能13。與此同時(shí),嵌入式指紋算法的要求也很高。因此，采用不同的算法,系統(tǒng)的效率有著較大的不同。本文選用嵌入式系統(tǒng)，其可以獨(dú)立于 PC 機(jī)運(yùn)行，使得指紋采集和存儲(chǔ)識(shí)別等都可獨(dú)立完成。2.3 指紋采集傳感器技術(shù)傳感器是將物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)化成便于利用的電信號(hào)的器件，指紋傳感器就是其中一種；傳感器將生

33、物特征轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以辨別的相關(guān)圖像信息。然而不同的傳感器都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，表 2.214對(duì)幾種常見(jiàn)的傳感器進(jìn)行了相應(yīng)指標(biāo)的比較。表 2.2 幾種不同類(lèi)型的傳感器比較Table 2.2 Compared several different types of sensors類(lèi)別性能體積成像質(zhì)量成像大小使用壽命功耗價(jià)格光學(xué)傳感器較大干手指差，但潮濕和臟的手指成像模糊采集面積區(qū)域可以很大光學(xué)鏡頭容易老化，時(shí)間較長(zhǎng)較大中等半導(dǎo)體傳感器很小對(duì)潮濕和臟的手指成像差采集面積小一般，受靜電影響大較少低熱敏傳小質(zhì)量較差，采集面積很長(zhǎng)一般較低天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）8感

34、器受手指速度影響，圖像變形大較小超聲波傳感器中非常好采集面積大一般較大很高本文中，指紋采集傳感器用的是貝爾賽克公司的 TS1011 半導(dǎo)體指紋傳感器。它是有著低功耗、高性能的指紋芯片。這使得在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸更加方便。2.4 關(guān)于 MSP430 單片機(jī)的概述 目前，單片機(jī)的應(yīng)用有著迅猛的發(fā)展，在日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越多，因此對(duì)處理器的各項(xiàng)性能要求更是日益提高。一貫以來(lái)，產(chǎn)品都是以市場(chǎng)需求為依托的，以單片為主突出解決問(wèn)題。作為嵌入式系統(tǒng)的一部分，單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在中、低端領(lǐng)域。目前在這些應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些新的需求，表現(xiàn)在以下 4 個(gè)方面：1.隨著市場(chǎng)需求不斷的深入復(fù)雜，對(duì)處理器

35、的性能和功能越來(lái)越嚴(yán)格。既要滿足功能豐富、外設(shè)多樣，又要具備一定的運(yùn)算能力，能進(jìn)行實(shí)時(shí)算法，而不僅僅是進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制。2.目前因?yàn)橹讣y產(chǎn)品體積的相關(guān)限制，在市場(chǎng)上極大多數(shù)是利用電池供電的同時(shí)也要求系統(tǒng)低功耗。 3.對(duì)產(chǎn)品的要求更加高，產(chǎn)品更新速度快，開(kāi)發(fā)所具有的時(shí)間短，同時(shí)用戶希望開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)單、功能完善并且廉價(jià)。尤其是需要仿真工具要可以適應(yīng)多種 MCU，具有延續(xù)性，避免重復(fù)，增加開(kāi)發(fā)費(fèi)用。 4.高可靠性，產(chǎn)品的性能相對(duì)來(lái)說(shuō)很穩(wěn)定，而且可以加密保護(hù)的同時(shí)又能方便升級(jí)。 現(xiàn)如今，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越寬泛，而其在儀器儀表中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加凸顯。單片機(jī)目前正處于全面發(fā)展的階段，在極力做到兼容的同時(shí)，也

36、向著運(yùn)算能力強(qiáng)、體積小、擴(kuò)大尋址范圍、提高運(yùn)行速度方面發(fā)展。面對(duì)不斷提升的集成度，片內(nèi)高度集成眾多的外圍功能器件的條件已充分具備，這也是單片機(jī)今后發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。2.5 UART 串口通信 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）9UART 是一種用于異步通信的通用串行數(shù)據(jù)總線。它是一款專門(mén)用于連接計(jì)算機(jī)與設(shè)備的芯片并且提供了 RS-232C 數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計(jì)算機(jī)就可以和使用 RS-232C接口的串行設(shè)備通信了。UART 作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)字符一位接一位地傳輸。其數(shù)據(jù)傳輸格式如圖 2.4 所示：圖 2.4 UART 數(shù)據(jù)傳

37、輸格式Fig. 2.4 UART data transmission formats結(jié)構(gòu)圖如圖 2.5 所示：圖 2.5 UART 結(jié)構(gòu)圖Figure 2.5 UART structure其工作要求如下：UART 是計(jì)算機(jī)中串行通信端口的關(guān)鍵部分。在計(jì)算機(jī)中，UART 相連于產(chǎn)生兼容RS232 規(guī)范信號(hào)的電路。當(dāng)一個(gè)微控制器中的 UART 相連于 PC 時(shí)，它需要一個(gè) RS232 驅(qū)動(dòng)器來(lái)轉(zhuǎn)換電平。串口分配器示意圖如圖 2.6 所示：天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）10圖 2.6 CR-UART8 8 路串口分配器Fig. 2.6 CR - UART8 8-wa

38、y distributor serial port2.6 小結(jié) 本章介紹了不同生物特征識(shí)別技術(shù)的相關(guān)知識(shí)及其優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比，然后介紹了指紋識(shí)別技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)，介紹了傳感器的相關(guān)知識(shí)為下章指紋傳感器的選用做鋪墊。為后面軟件調(diào)試過(guò)程的介紹打好了基礎(chǔ)。本章還對(duì) MSP430 單片機(jī)相關(guān)知識(shí)做了一個(gè)簡(jiǎn)介，為之后硬件電路的設(shè)計(jì)做了知識(shí)的儲(chǔ)備，緊接著對(duì) UART 協(xié)議做了相關(guān)介紹，這些都是讀寫(xiě)器在軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中涉及到的內(nèi)容，為之后的理解設(shè)備的通信過(guò)程打下了理論基礎(chǔ)。天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）11第三章嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)硬件電路的

39、搭建如同房子的地基一樣重要，它將直接影響到讀寫(xiě)器的性能。硬件電路的核心是主控芯片有著無(wú)可替代的作用，因此選擇一款合適的主控芯片至關(guān)重要。為了設(shè)計(jì)一款功耗低、體積小、有巨大的信息容量、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、測(cè)量精度高，本文選用 MSP430 芯片作為主控芯片，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)指紋識(shí)別系統(tǒng)。3.1 嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)3.1.1 嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖嵌入式指紋識(shí)別的總體設(shè)計(jì)框圖如下圖 3.1 所示：圖 3.1 嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3.1 Embedded fingerprint identification system structure指紋通過(guò)把信息傳送到 MSP430 芯片

40、，最后在 LCD 液晶顯示器上顯示結(jié)果。3.1.2 硬件框圖基于嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖 3.2 所示：天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）12圖 3.2 嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)Fig. 3.2 Hardware structure of the embedded fingerprint identification system首先由 MSP430 單片機(jī)完成對(duì)指紋的采集并對(duì)圖像進(jìn)行處理。然后，TS1011 半導(dǎo)體指紋傳感器將采集到的指紋圖像直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給 MSP430 單片機(jī)進(jìn)行處理。FLASH 存儲(chǔ)器用于存放程序代碼和指紋特征值。此

41、外利用 UART 串行接口和電腦進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)交換。3.2 主控芯片選型3.2.1 選擇具體的主控芯片類(lèi)型MSP430單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，內(nèi)部精簡(jiǎn)指令集的CPU通過(guò)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)的地址總線和數(shù)據(jù)總線連接到外圍設(shè)備和可編程的時(shí)鐘系統(tǒng)15。MSP430混合信號(hào)處理都可以使用是由于它有一種先進(jìn)的CPU與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件存儲(chǔ)印象的模擬和數(shù)字的外設(shè)。本課程設(shè)計(jì)中選擇MSP430F2370主控芯片，如圖3.3所示： MSP430 電源 晶振 Flash SDRAM TS1011 半導(dǎo) 體指紋傳感器 鍵盤(pán) 輸入 LCD 顯示屏 RS232 PHY UART 串行接口 網(wǎng)絡(luò)

42、 接口 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）13圖3.3 MSP430F2370電路圖Fig. 3.3 MSP430F2370 circuit diagram其優(yōu)勢(shì)如下表3.1中表表 3.1 MSP430F2370 優(yōu)勢(shì)參數(shù)Table 3.1 Track MSP430F2370 advantage復(fù)位1 欠壓保護(hù)復(fù)位包含在所有MSP430 x2xx器件中。2 由復(fù)位引起的PORIFG和RSTIFG標(biāo)志位已增加到IFG1寄存器。3 一條指令從0 x0000-0 x01FFH地址取出將復(fù)位那器件?？撮T(mén)狗定時(shí)器所有MSP430F2370器件都集成了看門(mén)狗定時(shí)器WDT+。那

43、WDT+確保時(shí)鐘源不失效。時(shí)基系統(tǒng)1在LF模式下，LFXT1震蕩器已經(jīng)選擇了負(fù)載電容。2在HF模式下，LFXT1支持頻率高達(dá)16Mhz的晶振。3在LF模式下，LFXT1振蕩器能夠?qū)φ袷幤鬟M(jìn)行查錯(cuò)。4XIN和XOUT引腳分享了設(shè)備的20引腳和28引腳的部分功能。5一些型號(hào)的設(shè)備不支持DCO的一些外部Rosc特性。在這種情況下，軟件不能設(shè)置BCSCTL2寄存器的LSB。詳盡的敘述還請(qǐng)參照設(shè)備手冊(cè)的相關(guān)章節(jié)。設(shè)備的溫度穩(wěn)定性明顯的被提高了。天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）14Flash存儲(chǔ)器1消息存儲(chǔ)起有4個(gè)64字節(jié)的段組成。段A被LOCKA位所鎖定。2LOCKA位將

44、保護(hù)所有的消息被大量的擦除。3一個(gè)中斷的發(fā)生將能夠使得段的擦除被打斷。4一個(gè)中斷的到來(lái)也能夠使得FLASH的更新停止。FLASH的編程電壓被降低到了2.2V以下5燒寫(xiě)和擦除的時(shí)間被減少，時(shí)鐘信號(hào)的無(wú)效將停止FLASH的更新。數(shù)字I/O1端口1和端口2的內(nèi)部集成了上拉和下拉電阻。2P2.6、P2.7的功能已經(jīng)被加到了設(shè)備的20引腳和28引腳上。他們和XIN、XOUT的一些功能相同。如果晶振的操作被激活，軟件將不能對(duì)這些引腳清除P2SEL位。比較器_A比較器A已經(jīng)被擴(kuò)展為一個(gè)多路輸入的輸入電容。低功耗在3V的情形下，典型的LPM3模式下的功耗將減少為50%。DCO的啟動(dòng)時(shí)間被明顯的被減少。工作頻率

45、最大的目標(biāo)頻率是3.3V時(shí)達(dá)到16Mhz。BSL一個(gè)不正確的指令將引起大量的信息被擦除。BSL的入口次序高于阻止意外的入口和擦除的次序。3.2.2 指令系統(tǒng)430的指令系統(tǒng)具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址） 、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令16。由相應(yīng)的編碼和解碼的CPU核心指令完成工作。模擬指令可以使代碼更容易閱讀和書(shū)寫(xiě)，它們不能本身進(jìn)行編碼，但它們可以被由對(duì)應(yīng)的核心指令，以便進(jìn)行組裝自動(dòng)替換。雙操作數(shù)指令、單操作數(shù)指令、跳轉(zhuǎn)指令是三個(gè)方面的核心指令。B或W的方式進(jìn)行擴(kuò)展。字節(jié)指令字節(jié)地址可以訪問(wèn)的數(shù)據(jù)字節(jié)單元或外圍設(shè)備。外設(shè)雙字節(jié)指令可以訪問(wèn)雙字節(jié)或

46、雙字節(jié)數(shù)據(jù)單元地址，如果該指令不延伸，該指令是如在下列范圍限定的2字節(jié)指令的指令源和目的的指令： SRC 源操作數(shù)被AS和S-REG所定義；DST 目的操作數(shù)被AD和D-REG所定義；AS 尋址位（依賴于所使用的尋址模式）；S-REG 用于源操作指令的工作寄存器；AD 尋址位（依賴于所使用的尋址模式）；D-REG 用于目的操作指令的寄存器；B/W 字節(jié)或者雙字節(jié)操作位；0: 雙字節(jié)模式；1: 字節(jié)模式天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）153.2.3 寄存器描述在 MSP430 器件中有的型號(hào)有兩個(gè)通信硬件模塊 USART0 和 USART1,因此他們有兩套寄存器如

47、表3.2所示:表 3.2 寄存器表Table. 3.2 Track register tableUSART0 的寄存器寄存器縮寫(xiě)讀寫(xiě)類(lèi)型地址初始狀態(tài)控制寄存器U0CTL讀/寫(xiě)070HPUC后001H發(fā)送控制寄存器U0TCTL讀/寫(xiě)71HPUC后001H接受控制寄存器U0RCTL讀/寫(xiě)72HPUC后001H波特率調(diào)整控制寄存器 U0MCTL讀/寫(xiě)73H不變波特率控制寄存器0U0BR0讀/寫(xiě)74H不變波特率控制寄存器1U0BR1讀/寫(xiě)75H不變接受緩沖器U0RXBRUF讀76H不變發(fā)送緩沖器U0TXBRUF讀/寫(xiě)77H不變SFR模塊使能寄存器1ME1讀/寫(xiě)004HPUC后001HFR模塊使能寄存器

48、1IE1讀/寫(xiě)000HPUC后001HFR模塊使能寄存器1IFG1讀/寫(xiě)002HPUC后001HUSART1 的寄存器寄存器縮寫(xiě)讀寫(xiě)類(lèi)型地址初始狀態(tài)控制寄存器U1CTL讀/寫(xiě)078HPUC后001H發(fā)送控制寄存器U1TCTL讀/寫(xiě)79HPUC后001H接受控制寄存器U1RCTL讀/寫(xiě)7AHPUC后001H波特率調(diào)整控制寄存器 U1MCTL讀/寫(xiě)7BH不變波特率控制寄存器0U1BR0讀/寫(xiě)7CH不變波特率控制寄存器1U1BR1讀/寫(xiě)7DH不變接受緩沖器U1RXBRUF讀7EH不變發(fā)送緩沖器U1TXBRUF讀/寫(xiě)7FH不變SFR模塊使能寄存器1ME2讀/寫(xiě)005HPUC后001HFR模塊使能寄存器

49、1IE2讀/寫(xiě)001HPUC后001HFR模塊使能寄存器1IFG2讀/寫(xiě)003HPUC后001H天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）16UXCTL 控制寄存器76543210PENAPEVSPBCHARLISTENSYNCMSWRSTPEV奇偶校驗(yàn)位，該位在校驗(yàn)允許時(shí)有效，0為奇校驗(yàn)，1為偶校驗(yàn)。CHAR字符長(zhǎng)度。SYNC為UART模塊的模式選擇，0UART模式（異步），1SPI模式（同步）。M多機(jī)模式選擇位，0線路空閑多機(jī)協(xié)議，1地址位多機(jī)協(xié)議。SWRST控制位，上電時(shí)該位置位,此時(shí) USART 狀態(tài)機(jī)和運(yùn)行標(biāo)志初始化成復(fù)狀態(tài)(URXIFG=0,URXIE=0,U

50、TXIE=0,UTXIFG=1)。當(dāng)一次系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位后，只有通過(guò)對(duì) SWRST 的 復(fù)位，UART 才能重新被允許。而接收和發(fā)送允許標(biāo)志 URXE 和 UTXE 不會(huì)因 SWRST 而更改。SWRST位會(huì)使 URXIE、UTXIE、URXIFG、RXWAKE、TXWAKE、RXERR、BRK、PE、OE及 FE 等復(fù)位。當(dāng)使用串行端口設(shè)置時(shí)，起著重要的作用。一次正確的UART模塊的初始化程序應(yīng)該是這樣設(shè)置：先在SWRST=1時(shí)，設(shè)置串行端口，然后設(shè)置SWRST=0，最后，如果有必要中斷，設(shè)置相應(yīng)的中斷使能。3.3 指紋模塊選型3.3.1 指紋模塊組本設(shè)計(jì)采用 TS1011M 系列半導(dǎo)體指紋模組

51、，它是一種接觸式單指紋識(shí)別設(shè)備,主要 由外殼、TS1011 半導(dǎo)體指紋傳感器、BIOSEC0701 指紋處理芯片(含指紋存儲(chǔ)器 和識(shí)別算法)、通訊接口等組成。模塊組如圖 3.4 所示：圖 3.4 指紋模塊組Fig.3.4 The fingerprint module group天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）17該指紋模組集成了高性能 ARM 內(nèi)核指紋處理芯片,集成化高、積更小、功耗更低。使用了自主研發(fā)指紋識(shí)別算法, 對(duì)指紋的各項(xiàng)工作全部由指紋模組自行獨(dú)立的處理。在指紋傳感器設(shè)計(jì)方面,TS1011 采用晶圓塑封技術(shù)，產(chǎn)品具備防霧防塵防 破壞能力,有效解決了人體靜

52、電的影響、提高了產(chǎn)品采像質(zhì)量、增加了產(chǎn)品耐用性。指紋傳感器內(nèi)部采用 12MHZ 系統(tǒng)振蕩器,內(nèi)置 4KHZ 低功率振蕩器。3.3.2 管腳分配指紋模塊的管腳圖如 3.5 所示：1 6圖 3.5 指紋模塊管腳示意圖Fig.3.5 The fingerprint module pin diagram圖中所示的各個(gè)管腳信息如下表 3.3 所示：表 3.3 管腳分配Table 3.3 Pin assignment管腳 1V_TOUCH3.3V管腳 2TOUCH_OUT信號(hào)管腳 3VCC3.3V管腳 4TXOK-300-用戶控制 CPU管腳 5RX用戶控制 CPU - OK-300管腳 6GND串口使用

53、的是 3.3V 的 TTL 電平，在連接電腦時(shí)需要對(duì)電平進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換,同時(shí)我們需要注意的是 V_TOUCH 需要一直提供電源。3.3.3 指紋處理芯片內(nèi)置 BIOSEC0701 指紋處理芯片如圖 3.6 所示：天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）18圖 3.6 BIOSEC0701 指紋處理芯片F(xiàn)ig.3.6 BIOSEC0701 fingerprint processing chipTA0701 芯片采用低成本，低功耗，小體積芯片設(shè)計(jì)為控制核心，該系列集成圖安V7 版本最新完整版本算法，基于圖像和特征點(diǎn)混合匹配模型的算法，能適應(yīng)各種指紋，更高的通過(guò)率和更低的誤識(shí)

54、率，通過(guò)率達(dá)到 99%以上，誤識(shí)率在十萬(wàn)分之一以內(nèi)；1 比N 比對(duì)速度在 4MS/枚；接口有 UART 口和 USB 口；提供電腦端的調(diào)用接口。芯片各項(xiàng)參數(shù)如下表 3.4 所示：表 3.4 TA0701 芯片各項(xiàng)參數(shù)Table 3. 4 TA0701 chip parameters主頻200M比對(duì)速度1:1 比對(duì)速度：4ms指紋模板494 字節(jié)（圖像和特征點(diǎn)混合匹配）存儲(chǔ)量根據(jù)外置 FLASH 大小而定，默認(rèn)采用 W25Q40，300 個(gè)用戶分辨率500DPI30DPI匹配傳感器光學(xué)指紋傳感器、半導(dǎo)體滑動(dòng)指紋傳感器、半導(dǎo)體面?zhèn)鞲衅骶茏R(shí)率1%誤識(shí)率8 字節(jié))如下表 4.1，4.2,4.3 所示：

55、CMD 數(shù)據(jù)格式1.頭部數(shù)據(jù)表 4.1 頭部數(shù)據(jù)Table.4.1 Data head2.數(shù)據(jù)包表 4.2 數(shù)據(jù)包Table.4.2 Data Package3.ACK 數(shù)據(jù)表 4.3 ACK 數(shù)據(jù)Table.4.3 ACK Data4.3.3 用戶注冊(cè)模塊實(shí)現(xiàn)注冊(cè)是可以添加新用戶到系統(tǒng)中的嵌入式應(yīng)用的重要一步。在注冊(cè)模塊，我們需要確定用戶的權(quán)限，普通用戶只是該系統(tǒng)的用戶。注冊(cè)時(shí)，如果這是在管理員設(shè)置之前注天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）29冊(cè)，所有用戶都可以行使自己的正常的用戶管理系統(tǒng)管理員權(quán)限。一旦建立了一個(gè)系統(tǒng)管理員，普通用戶只能登錄，只有管理員可以訪問(wèn)的

56、信息管理和系統(tǒng)管理等模塊。這使得更容易進(jìn)行維護(hù)和管理系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全性。下面給出用戶注冊(cè)流程如圖 4.5 所示：開(kāi)始注冊(cè)新注冊(cè)輸入ID是否ID重復(fù)是輸入姓名否確定管理權(quán)限采集指紋指紋質(zhì)量不合格合格提取特征點(diǎn)保存完成注冊(cè)圖 4.5 注冊(cè)流程圖Fig.4.5 Registration flowchart天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）30指紋注冊(cè)具體流程如下：1.首先新用戶利用ID進(jìn)行注冊(cè)；2.判斷ID是否重復(fù)，如果不重復(fù)則準(zhǔn)備好執(zhí)行下一步，否則，重新輸入ID；3.當(dāng)ID輸入完成后開(kāi)始輸入用戶姓名；4.然后確定用戶管理權(quán)限并采集指紋；5.判斷指紋質(zhì)量是否合格，

57、如果合格就提取特征點(diǎn)并且保存，顯示注冊(cè)完成，否則，重新采集數(shù)據(jù)。在注冊(cè)前我們首先要設(shè)置注冊(cè)模塊，設(shè)置數(shù)據(jù)如下表 4.4 所示：表 4.4 數(shù)據(jù)格式Table 4.4 Data format設(shè)置完模塊組后則可以進(jìn)行新用戶注冊(cè)，注冊(cè)的數(shù)據(jù)格式如下表 4.5 所示： 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）31表 4.5 注冊(cè)格式Table.4.5Registered format采集用戶的三次指紋，比對(duì)成功后存入到模組的 FLASH 中。其中 USER ID 必須在 1-0XFFF 之間。USER ROLE 必須是 1 或者 2 或者 3，各個(gè)權(quán)限的定義可以由二次開(kāi)發(fā)者指定

58、。若是兩次按壓注冊(cè)，則分別發(fā)命令 (CMD/ACK 都是 8 字節(jié))，第一次命令，系統(tǒng)僅采集指紋特征值緩存到內(nèi)存中。第一次注冊(cè)發(fā)送的命令和返回如表 4.6 所示：表 4.6 第一次注冊(cè)命令Table.4.6 Registered for the first time天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）32第二次按壓命令如表 4.7 所示：表 4.7 第二次注冊(cè)命令Table.4.7 Registered for the second time第二次命令，需要設(shè)置 ID 值和權(quán)限，當(dāng) USER ID 為 0 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生未使用的 ID 號(hào)。用戶權(quán)限不能為 0，否則

59、注冊(cè)不進(jìn)去。4.3.4 指紋處理模塊實(shí)現(xiàn)完成指紋采集后，如果顯示的圖象的質(zhì)量合格,收集指紋圖像預(yù)處理,否則,需要重新采集。指紋圖象質(zhì)量評(píng)估的流程可以如圖 4.4 所示。天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）33開(kāi)始指紋圖像采樣面積是否過(guò)小拒絕該圖像是否指紋分析質(zhì)量評(píng)估是否合格重新采集重新采集結(jié)束是否圖 4.6 指紋質(zhì)量評(píng)估流程Fig. 4.6 Fingerprint quality evaluation process指紋質(zhì)量評(píng)估具體流程如下：1.接收到命令后，首先進(jìn)行指紋圖像采樣；2.判斷指紋是否符合要求，如果否，拒絕該圖像重新采集，命令處理結(jié)束，否則執(zhí)行下一步；3

60、.進(jìn)行指紋分析并且判斷指紋質(zhì)量參數(shù)是否合格，如果合格，指紋通過(guò)，命令處理結(jié)束，否則執(zhí)行下一步指紋重新采集；4.判斷是否是主機(jī)向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，如果是，進(jìn)入用戶自定義命令后結(jié)束，命令處理結(jié)束，否則執(zhí)行下一步；圖像采集數(shù)據(jù)如下表4.8所示：天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）34表 4.8 圖像采集數(shù)據(jù)Table 4.8 Image acquisition data 4.3.5 登錄模塊實(shí)現(xiàn)登錄是最常用的功能。登錄有兩種模式,一種是直接登錄使用 1：N 的指紋模板匹配，另一種是通過(guò) ID。用戶登錄的流程圖如圖 4.7 所示：天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)