基于嵌入式指紋識別系統設計

1、畢業(yè)設計畢業(yè)設計 基于嵌入式指紋識別系統設計 姓 名： 邢 蓉 學 號： 12020043 班 級： 12 電氣 1 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 所在系： 自動化工程系 指導老師： 胡雙喜 基于嵌入式指紋識別系統設計基于嵌入式指紋識別系統設計 摘 要 隨著科技的蓬勃發(fā)展，人們越來越重視自己的個人隱私，由此個人身份識別的需求 日益增加。由于指紋擁有獨特的不變性，使得指紋識別技術與傳統的身份識別方法相比 起來，更加的安全和可操作，所以基于傳統的身份識別技術的不足可以被克服，指紋識 別日益被認可?；谥讣y認證技術，指紋識別是一個重要手段，其歷來通常在 PC 平臺 上運行，但隨著現代社會的高速發(fā)展，

2、指紋識別系統的需求不斷提升，同時市場對便攜 性和易用性的要求更加走高，指紋產品正在朝著嵌入式技術的發(fā)展方向。 本文首先介紹了指紋識別技術的研究目的與意義和市場需求，并且給出了嵌入式指 紋識別系統的原理，在通過對傳統身份認證技術的優(yōu)缺點進行適當分析后，進而提出了 利用生物特征識別的身份認證方式，在它的基礎上，設計并實現嵌入式指紋識別系統。 同時提出了嵌入式指紋識別系統的體系架構，主要包括基于指紋模塊的設計與實現 和 MSP430F2370主控芯片的硬件電路、固件端 UART 驅動的實現。在嵌入式指紋識別 系統的設計中，硬件方面采用具有性價比優(yōu)勢的 MSP430F2370芯片作為主控芯片和 TA0

3、701的指紋芯片，并為系統設計了相應的電源和 UART 接口電路，實現了嵌入式指 紋識別系統硬件模塊的設計。在軟件方面，根據基于嵌入式的指紋識別系統的特點，本 文設計的功能模塊包括初始化、注冊、指紋處理、登錄、刪除和出錯報警。使用 IAR EMBEDDED WORKBENCH 軟件進行軟件部分的調試。并將程序燒寫到芯片中，使用 串口調試軟件 SSCOM32_E666對軟件運行過程中存在的問題進行監(jiān)視，配合編譯軟件進 行命令的修改。設計并實現了基于嵌入式的高安全性、高性價比的指紋識別系統。 關鍵字：指紋識別；嵌入式系統；UART；MSP430；TA0701 Based on the Embedd

4、ed Fingerprint System Design ABSTRACT With 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 tra

5、ditional identification 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 i

6、mportant tool, it has always 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

7、 of the development of 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 authenticat

8、ion techniques proper analysis, 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 de

9、sign of hardware circuit, 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 th

10、e appropriate power and 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,

11、fingerprint processing, 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 imp

12、lemented based on the embedded 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.1 1.1 課題的研究目的與意義 .1 1.2 機器人的市場需求 .1 1.3 國內外發(fā)展現狀 .2 1.4 論文研究內容及基本結構 .3 第二章課題設計方案的選型.5 2.1 生物特征識別技術概述 .5 2.2 指紋識別技術介紹 .6 2

13、.3 指紋采集傳感器技術 .8 2.4 關于 MSP430 單片機的概述 .9 2.5 UART 串口通信.9 2.6 小節(jié) .11 第三章嵌入式指紋識別系統硬件的設計.12 3.1 嵌入式指紋識別系統的硬件結構 .12 3.1.1 嵌入式指紋識別系統結構圖 .12 3.1.2 硬件框圖 .12 3.2 主控芯片選型 .13 3.2.1 選擇具體的主控芯片類型 .13 3.2.2 指令系統 .15 3.2.3 寄存器描述 .15 3.3 指紋模塊選型 .17 3.3.1 指紋模塊組 .17 3.3.2 管腳分配 .17 3.3.3 指紋處理芯片 .18 3.4 電路原理圖的設計與實現 .19

14、3.4.1 指紋模塊電路 .20 3.4.2 FLASH 電路.20 3.4.3 電壓調整電路 .21 3.4.4U 轉串電路.21 3.4.5 燒寫電路 .22 3.4.6 電源電路 .23 3.4.7 顯示電路 .23 3.4.8 按鍵電路 .24 3.5 硬件實物 .24 3.6 硬件調試 .24 3.7 小節(jié) .25 第四章嵌入式指紋系統軟件部分與實現.26 4.1 整體結構 .26 4.2 軟件的總框圖 .26 4.3 軟件系統的設計與實現 .27 4.3.1 軟件主工作流程 .27 4.3.2 初始化模塊實現 .28 4.3.3 用戶注冊模塊實現 .29 4.3.4 指紋處理模塊實

15、現 .33 4.3.5 登錄 .35 4.3.6 刪除 .37 4.4 軟件調試 .38 4.4.1 程序的編譯 .39 4.4.2 程序的燒寫 .40 4.5 小結 .42 第五章總結與展望.43 參考文獻.44 致謝.45 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 0 第一章緒論 1.1 課題的研究目的與意義 本課題的主要來源是人們在生產實踐中對指紋識別系統的需求，隨著社會日新月異 的變化，個人身份識別在各種行業(yè)中的應用無處不在，同時也因為智能技術應用的快速 發(fā)展個人身份識別的應用變得日益增長。出于這個原因，傳統身份識別方法在與其相比 較下的局限性和缺陷體現的也日益

16、突出。當前基于傳統識別方法的機械鑰匙，用戶賬號 與密碼相結合以及智能 IC 卡等都存在著會丟失，被他人輕易復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感覺變差，使得傳統產品的推廣普及便受到 了很大的局限，而這些正是由于傳統身份認證操作對象并不是被識別人本身，存在很大 的缺陷而導致的。 因此想要解決目前出現的這些問題，我們要必須加強對用戶的身份信息的認證。當 今，基于生物特征的身份識別技術快速發(fā)展，在一定程度上可以從根本上解決基于傳統 的個人身份識別方法的缺陷。我們知道的生物特征有個人的指紋信息和聲音特征等，類 似于其特殊的功能還有人們的特定生活習慣和特色口音。這些就是日常生

17、活中我們所熟 知的生物特征。個人身份識別領域應用生物特征的最主要原因是在于這些特征對于每一 位識別者來說都是具有一定的特殊性的，而且這些特征都是唯一不可復制的，并且是很 難在極短時間內發(fā)生巨大變化的，長時間穩(wěn)定是它的顯著特點。 我們每個人身體不同部位所產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，人們則可以用手來拎起物體。因此，我們可以根據這種唯一的特點把每個人和他 的指紋一一相匹配起來，這樣一來則可以通過比對被識別者的指紋信息，從而可以辨別 其身份信息的真實可靠性1。這種依靠人體的身體也就是這里所說的身份

18、認證實際上是 指通過指紋傳感器傳送指紋信息確認相關使用者身份的過程。眾所周知，我們都生活在 現實的物理世界中，每個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 傳統的個人身份信息識別方法相比較起來，生物特征的識別技術具有大量優(yōu)勢如可以隨 身攜帶和隨時使用，從而可以為用戶提供更加安全，更為方便的保密服務2。 1.2 指紋識別系統的市場需求 當前，利用生物特征識別身份的方法發(fā)展十分迅速， 到 2012 年為止全世界生物特 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 1 征識別市場的規(guī)模已經增長至 100 億美元。生物特征識別是世界通用的國際安全識別 中最為高效的可以

19、用來預防恐怖，維持穩(wěn)定的技術。目前美國，歐盟等國家已經實施強 制措施對進入該國的旅客進行個人生物信息的采集記錄。倫敦奧運會更是提出苛刻的要 求即記錄每一位觀眾的相應的信息以此來保證奧運會的安全和順利進行。而我國也開始 重視個人信息的采集在舉行的各屆大學生運動會上極為嚴格的采集了所有運動員和觀眾 的個人信息。 除此以外，學校也是一個很好的例子，由于學籍管理，圖書借閱，食堂售飯，學雜 費交納，課外活動管理，學生上機費用收取等等都是屬于綜合管理的范疇，因此學校內 部的綜合管理內容較為復雜3。如果我們充分利用智能卡的優(yōu)勢，將眾多復雜的功能集 成在一張卡上，這樣一來就可以大大節(jié)約學校的各種資源?；谥讣y

20、的身份識別技術與 智能卡技術的結合使得眾多優(yōu)勢凸顯而出，首先就是在真實性方面，我們可以保證持卡 者身份的真實性準確無誤，再者就是在快捷方面來說可以節(jié)省比對指紋的時間，而這一 切均依賴于指紋識別系統的應用。 1.3 國內外發(fā)展現狀 目前，計算機技術發(fā)展十分迅猛，并且人們也越來越關注信息的安全。因此很多公 司都順勢推出了一系列關于網絡安全以及信息識別的產品，這類產品雖然種類繁多但是 它們的工作原理則可以簡要概括為以下幾個方面： 1.基于傳統的密碼訪問權限控制的產品。 在基于傳統的身份識別產品中，它們的主要的解決方法就是將多重操作密碼和安全 設置相結合。 2.物品識別產品。 智能卡就是一個很好的例子

21、，把深層安全機制與多重加密算法結合在一起，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的工作介質 可以進行信息的存儲，并且可以處理一些文件，而這些特征并不會影響個人信息的識別 與實現，因此現在在銀行，財務等工作領域中這一工作方式受到廣泛的應用。 3. 基于指紋識別的相關產品。 目前，指紋識別隨著智能科技的發(fā)展有著飛速地發(fā)展，而這受到廣泛的應用都是源 于以下幾點： （1） 每個指紋都是特殊的，不可復制的，但是 IC 卡卻是可以很多用戶持有一張； （2） 指紋識別具有高安全性，而 IC 卡的安全度不足； （3） 指紋識別的投入是一次性的，就經濟性來說是特別經濟可靠的。

22、 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 2 目前，基于指紋識別的認證系統發(fā)展十分迅猛，但是，其產品還處于發(fā)展狀態(tài)，某 些方面還不太完善，需要改進的地方體現在： 1.目前，市場上絕大多數的指紋產品沒有配備相應的指紋采集設備。 2.指紋識別產品發(fā)展領域雖然廣泛，但是，其很少用在安全認證的項目中。 3.目前，我國要想建立完整的指紋信息庫還需要很長的時間。但是，形成指紋信息 庫對當下來說是實現大型指紋識別項目的有力保障。但是這項工作目前都沒有得到相應 的重視，更加難以啟動； 4.標準化制訂滯后，指紋產品行業(yè)目前還沒有成形的、可行的國家標準。 考慮到基于嵌入式的指紋識別技術目

23、前具有廣闊的商業(yè)前景，通常情況下，各個公 司或研究機構都把指紋識別技術當做核心要素，因此，我們只能從外部條件去得知指紋 相關產品的各種性能指標和參數并理順它的發(fā)展情況。 國際市場上有很多公司研究指紋識別技術的產品，在這方面歐美是引導者。目前， 在美國有多家公司都已經推出了自己的指紋識別產品，就拿 IBM 公司來說，它使用自 己的軟件作為企業(yè)內部的網絡安全控制，從而使得企業(yè)內部信息的安全受到保護。 國內市場上，指紋識別技術相對落后幾十年。而且相比歐美國家，我們之間有著不 可跨越的差距，在國內指紋技術發(fā)展期間，我國出現了技術提供者和產品的營銷者等4。 目前，我國的指紋識別技術發(fā)展迅猛，逐漸拉低和高

24、技術國家的差距。 1.4 論文研究內容及基本結構 本選題主要來源于生產實踐中指紋識別系統的需求，隨著科技技術的發(fā)展，個人身 份識別的應用范圍日益增大?；趥鹘y的身份識別方法的缺點表現的日益明顯。目前， 鑰匙和密碼等保護措施存在著丟失，復制及被盜用的隱患，導致用戶滿意度低和體驗差， 對于產品的推廣受到了很大的局限。 本課題設計的基于嵌入式的指紋識別系統解決了傳統方式所遺留下來的難題，通過 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。 本文研究的主要內容包含如下幾個方面： 1.對指紋傳感器的研究與應用 2.指紋圖像識別模塊的應用與實現 3.身份認證和訪問控制系統的設計與實現 4.指

25、紋識別算法的研究與應用 5.嵌入式指紋系統的軟件調試 本文的研究方法和手段有如下幾個方面： 首先，通過對課題的需求進行了研究與分析，初步認知課題的現實性與實用性。其 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 3 次，在圖書館根據要求查閱有關文獻，學習相關的理論知識，了解所需的專業(yè)技術知識 并對產品有初步的設計思路。然后，在實驗室用 PROTEL 99SE 設計主電路圖，在專業(yè) 的環(huán)境下進行軟件的設計。 本文的研究步驟如下： 1.閱讀任務書，了解課題內容，明確具體要求。 2.對產品的需求進行分析。 3.方案設計和系統構架。 4.查閱參考文獻與相關資料，了解 UART。 5

26、.采用專業(yè)工具進行產品軟件設計。 6.集成調試。 本文的結構大致如下： 第一章：緒論，簡介嵌入式指紋識別系統的研究目的和意義以及市場需求和國內外 發(fā)展狀況。 第二章：課題設計方案的選型，介紹了生物特征識別技術、指紋識別技術和指紋識 別系統的工作模式。 第三章：嵌入式指紋識別系統硬件部分的整體結構，主控芯片等進行了詳細的闡述。 第四章：本章是用于設計和實現系統的軟件部分，闡述了指紋識別系統軟件的整體 結構，并詳細描述了系統各個軟件模塊，給出相應模塊的流程圖和程序要求。 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 4 第二章課題設計方案的選型 2.1 生物特征識別技術概述 身

27、份認證就是通過特定方式確定用戶身份的過程，隨著科技的發(fā)展認證技術不再像 以前那樣單一，現在常用的身份認證技術可以分為以下三類，第一類是根據被認證對象 所掌握的信息來確定身份，如口令、身份識別碼；第二類則利用被認證對象所擁有的物 品對其進行身份識別，如身份證、護照、信用卡；第三類根據被識別對象所擁有的生物 特征進行身份識別。 生物特征身份識別由身份驗證和辨識兩部分組成。典型的生物特征識別系統如圖 2.15所示。 圖 2.1 生物特征識別系統結構圖 Fig. 2.1 Biometric identification system structure 可以用于身份識別的生物特征須滿足如下的條件6：

28、1.普遍性，即每個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，即此特征相對于時間來說是具有長久不變性的； 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 5 4.可采集性，即特征可以被采集和檢測； 5.性能，體現了識別的精度； 6.可接受性，表明了當前人們對生物特征識別技術的接受的程度。 生物特征中指紋、虹膜等本身就具有以上所述的優(yōu)點，我們根據這些唯一的生物特 征來進行身份信息的識別，顯然我們可以克服許多間接認證的限制，并滿足人們在識別 方式上的更高要求。因而，生物識別技術行業(yè)將擁有越來越大的市場，前景十分廣闊。 指紋識別擁有一些特殊的

29、特點，相關特征如下所述7： 1.普遍性：每個人都具有自己的指紋； 2唯一性：兩個指紋幾乎不可能相同； 3.永久性：即不會隨著人體的發(fā)育而改變； 4.可采集性：即可以通過一定的設備和手段采集到； 5.可行性：通常情況下可以達到相當合理的正確率； 6.可接受性：方式能被人們所接受； 7.防偽性好。 指紋識別技術目前已成為最可靠的生物特征識別技術之一，并在人們的生活的應用 日益增多。以下對這幾種生物特征識別技術進行了比較，如表 2.1 所示8 表 2.1 幾種生物特征識別技術的比較 Table2.1 The comparison of several kinds of biometric ident

30、ification technology 生物識別技術識別效果1 比 1 比對1 比 N 比對儀器體積 指紋很好可以可以很小 虹膜或視網膜很好可以可以大 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 通過以上比較可知，從識別效果來看，指紋識別和眼識別的較好，人臉識別受光的 影響較大，而語音識別受麥克風的影響很大。指紋識別和眼睛識別有著低錯誤率，但由 傳感器價格和儀器體積比較可知，指紋識別更易于普及。 2.2 指紋識別技術介紹 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 6 指紋識別系統是一個在模式識別系統的基礎上，驗證識別人的生物特征的系統。指 紋識別系統

31、的工作模式可以分為兩類：驗證(VERIFICATION)模式和辨識 (IDENTIFICATION)模式，如圖 2. 29所示： 圖 2.2 指紋識別系統工作模式的結構框圖 Fig2.2 The fingerprint recognition system structure diagram of work patterns 驗證模式：對用戶進行指紋比對，然后判斷身份。 辨識模式：與數據庫中的指紋進行一對一對比，找出與現場輸入指紋相匹配的指紋特征 信息。辨識被拒絕(如果人被拒絕)是應用程序的重要組成部分10。拒絕識別的目的是防 止一個人具有多重身份。 指紋識別系統其工作流程如圖 2.311所示

32、 圖 2.3 指紋識別系統工作流程 特 征 點 提 取 特征點 匹配 輸 出 顯 示 注冊 匹配 指紋圖 像采集 指紋圖 像評估 指紋圖 像預處 理 存入特 征模板 數據庫 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 7 Fig.2.3 Fingerprint identification system workflow 指紋自動識別系統 AFIS(Automated Fingerprint Identification System)是集模式識別， 光電技術，圖像處理，智能卡，數據庫技術于一身的綜合性技術。它可以分為以下兩種 模式12： 1聯機式 首先采集所需指紋圖像,

33、然后由指紋識別相應的算法進行識別和處理。由于圖像數 據較大,通常我們使用數據傳輸接口。但是系統體積大,適應性相對來說較差,因此它是 不適合集成的開發(fā)。 2嵌入式 嵌入式系統，一個相對獨立的系統，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,嵌入式指紋算法的要求也很高。因此，采用 不同的算法,系統的效率有著較大的不同。 本文選用嵌入式系統，其可以獨立于 PC 機運行，使得指紋采集和存儲識別等都可 獨立完成。 2.3 指紋采集傳感器技術 傳感器是將物理量或化學量轉化成便于利用的電信號的器件，指紋傳感器就是其中 一種；傳感器將生物特征轉換為系統可以辨別的相關圖像信

34、息。 然而不同的傳感器都具有各自的優(yōu)點和缺點，表 2.214對幾種常見的傳感器進行了 相應指標的比較。 表 2.2 幾種不同類型的傳感器比較 Table 2.2 Compared several different types of sensors 類別性 能 體積成像質量成像大小使用壽命功耗價格 光學傳 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 光學鏡頭 容易老化， 時間較長 較大中等 半導體 傳感器 很小對潮濕和 臟的手指 成像差 采集面積 小 一般，受 靜電影響 大 較少低 熱敏傳小質量較差，采集面積很長一般較低 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆

35、本科畢業(yè)設計說明書（論文） 8 感器受手指速 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中實現數據的傳輸更加方便。 2.4 關于 MSP430 單片機的概述 目前，單片機的應用有著迅猛的發(fā)展，在日常生活中的應用越來越多，因此對處理 器的各項性能要求更是日益提高。一貫以來，產品都是以市場需求為依托的，以單片為 主突出解決問題。作為嵌入式系統的一部分，單片機系統的應用主要集中在中、低端領 域。目前在這些應用中也出現了一些新的需求，

36、表現在以下 4 個方面： 1.隨著市場需求不斷的深入復雜，對處理器的性能和功能越來越嚴格。既要滿足功能 豐富、外設多樣，又要具備一定的運算能力，能進行實時算法，而不僅僅是進行簡單的 控制。 2.目前因為指紋產品體積的相關限制，在市場上極大多數是利用電池供電的同時也要 求系統低功耗。 3.對產品的要求更加高，產品更新速度快，開發(fā)所具有的時間短，同時用戶希望開發(fā) 工具簡單、功能完善并且廉價。尤其是需要仿真工具要可以適應多種 MCU，具有延續(xù)性， 避免重復，增加開發(fā)費用。 4.高可靠性，產品的性能相對來說很穩(wěn)定，而且可以加密保護的同時又能方便升級。 現如今，單片機的應用領域越來越寬泛，而其在儀器儀表

37、中的應用優(yōu)勢更加凸顯。單 片機目前正處于全面發(fā)展的階段，在極力做到兼容的同時，也向著運算能力強、體積小、 擴大尋址范圍、提高運行速度方面發(fā)展。面對不斷提升的集成度，片內高度集成眾多的 外圍功能器件的條件已充分具備，這也是單片機今后發(fā)展的重要趨勢之一。 2.5 UART 串口通信 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 9 UART 是一種用于異步通信的通用串行數據總線。它是一款專門用于連接計算機與 設備的芯片并且提供了 RS-232C 數據終端設備接口，這樣計算機就可以和使用 RS-232C 接口的串行設備通信了。UART 作為異步串口通信協議的一種，工作原理是將傳輸

38、數據的 每個字符一位接一位地傳輸。 其數據傳輸格式如圖 2.4 所示： 圖 2.4 UART 數據傳輸格式 Fig. 2.4 UART data transmission formats 結構圖如圖 2.5 所示： 圖 2.5 UART 結構圖 Figure 2.5 UART structure 其工作要求如下： UART 是計算機中串行通信端口的關鍵部分。在計算機中，UART 相連于產生兼容 RS232 規(guī)范信號的電路。當一個微控制器中的 UART 相連于 PC 時，它需要一個 RS232 驅 動器來轉換電平。 串口分配器示意圖如圖 2.6 所示： 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科

39、畢業(yè)設計說明書（論文） 10 圖 2.6 CR-UART8 8 路串口分配器 Fig. 2.6 CR - UART8 8-way distributor serial port 2.6 小結 本章介紹了不同生物特征識別技術的相關知識及其優(yōu)缺點，并對其進行相應的對比， 然后介紹了指紋識別技術及其優(yōu)點，與此同時，介紹了傳感器的相關知識為下章指紋傳 感器的選用做鋪墊。為后面軟件調試過程的介紹打好了基礎。本章還對 MSP430 單片機 相關知識做了一個簡介，為之后硬件電路的設計做了知識的儲備，緊接著對 UART 協議 做了相關介紹，這些都是讀寫器在軟件部分的設計與實現中涉及到的內容，為之后的理 解設備

40、的通信過程打下了理論基礎。 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 11 第三章嵌入式指紋識別系統硬件的設計 硬件電路的搭建如同房子的地基一樣重要，它將直接影響到讀寫器的性能。硬件電 路的核心是主控芯片有著無可替代的作用，因此選擇一款合適的主控芯片至關重要。為 了設計一款功耗低、體積小、有巨大的信息容量、數據處理能力強、測量精度高，本文 選用 MSP430 芯片作為主控芯片，并在此基礎上設計指紋識別系統。 3.1 嵌入式指紋識別系統的硬件結構 3.1.1 嵌入式指紋識別系統結構圖 嵌入式指紋識別的總體設計框圖如下圖 3.1 所示： 圖 3.1 嵌入式指紋識別系統結構圖

41、 Fig.3.1 Embedded fingerprint identification system structure 指紋通過把信息傳送到 MSP430 芯片，最后在 LCD 液晶顯示器上顯示結果。 3.1.2 硬件框圖 基于嵌入式指紋識別系統的硬件組成框圖如圖 3.2 所示： 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 12 圖 3.2 嵌入式指紋識別系統的硬件結構 Fig. 3.2 Hardware structure of the embedded fingerprint identification system 首先由 MSP430 單片機完成對指紋的采集

42、并對圖像進行處理。然后，TS1011 半導體 指紋傳感器將采集到的指紋圖像直接轉換為數字信號傳送給 MSP430 單片機進行處理。 FLASH 存儲器用于存放程序代碼和指紋特征值。此外利用 UART 串行接口和電腦進行相 應數據交換。 3.2 主控芯片選型 3.2.1 選擇具體的主控芯片類型 MSP430單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，內部精簡指 令集的CPU通過馮.諾依曼結構的地址總線和數據總線連接到外圍設備和可編程的時鐘系 統15。MSP430混合信號處理都可以使用是由于它有一種先進的CPU與一個標準組件存儲 印象的模擬和數字的外設。本課程設計中選擇MSP43

43、0F2370主控芯片，如圖3.3所示： MSP430 電源 晶振 Flash SDRAM TS1011 半導 體指紋傳感器 鍵盤 輸入 LCD 顯示屏 RS232 PHY UART 串行接口 網絡 接口 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 13 圖3.3 MSP430F2370電路圖 Fig. 3.3 MSP430F2370 circuit diagram 其優(yōu)勢如下表3.1中表 表 3.1 MSP430F2370 優(yōu)勢參數 Table 3.1 Track MSP430F2370 advantage 復位1 欠壓保護復位包含在所有MSP430 x2xx器件中。 2

44、 由復位引起的PORIFG和RSTIFG標志位已增加到IFG1寄存器。 3 一條指令從0 x0000-0 x01FFH地址取出將復位那器件。 看門狗定時 器 所有MSP430F2370器件都集成了看門狗定時器WDT+。那WDT+確保 時鐘源不失效。 時基系統1在LF模式下，LFXT1震蕩器已經選擇了負載電容。 2在HF模式下，LFXT1支持頻率高達16Mhz的晶振。 3在LF模式下，LFXT1振蕩器能夠對振蕩器進行查錯。 4XIN和XOUT引腳分享了設備的20引腳和28引腳的部分功能。 5一些型號的設備不支持DCO的一些外部Rosc特性。在這種情況下， 軟件不能設置BCSCTL2寄存器的LSB

45、。詳盡的敘述還請參照設備手 冊的相關章節(jié)。設備的溫度穩(wěn)定性明顯的被提高了。 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 14 Flash存儲器1消息存儲起有4個64字節(jié)的段組成。段A被LOCKA位所鎖定。 2LOCKA位將保護所有的消息被大量的擦除。 3一個中斷的發(fā)生將能夠使得段的擦除被打斷。 4一個中斷的到來也能夠使得FLASH的更新停止。FLASH的編程電 壓被降低到了2.2V以下 5燒寫和擦除的時間被減少，時鐘信號的無效將停止FLASH的更新。 數字I/O1端口1和端口2的內部集成了上拉和下拉電阻。 2P2.6、P2.7的功能已經被加到了設備的20引腳和28引腳上。

46、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 能對這些引腳清除P2SEL位。 比較器_A比較器A已經被擴展為一個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 動時間被明顯的被減少。 工作頻率最大的目標頻率是3.3V時達到16Mhz。 BSL一個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 430的指令系統具有豐富的尋址方式（7 種源操作數尋址、4 種目的操作數尋址） 、 簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令16。由相應的編碼和解碼的CPU核心指令完

47、 成工作。模擬指令可以使代碼更容易閱讀和書寫，它們不能本身進行編碼，但它們可以 被由對應的核心指令，以便進行組裝自動替換。雙操作數指令、單操作數指令、跳轉指 令是三個方面的核心指令。B或W的方式進行擴展。字節(jié)指令字節(jié)地址可以訪問的數據字 節(jié)單元或外圍設備。外設雙字節(jié)指令可以訪問雙字節(jié)或雙字節(jié)數據單元地址，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 源操作數被AS和S-REG所定義； DST 目的操作數被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）；

48、 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 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 15 3.2.3 寄存器描述 在 MSP430 器件中有的型號有兩個通信硬件模塊 USART0 和 USART1,因此他們有 兩套寄存器如表3.2所示: 表 3.2 寄存器表 Table. 3.2 Track register table USART0 的寄存器 寄存器縮寫讀寫類型地址初始狀態(tài) 控制寄存器U0CTL讀/寫070HPUC后001H 發(fā)送控制寄存器U0TCTL讀/寫71HPUC后001H 接受控制寄存器U0RC

49、TL讀/寫72HPUC后001H 波特率調整控制寄存 器 U0MCTL讀/寫73H不變 波特率控制寄存器0U0BR0讀/寫74H不變 波特率控制寄存器1U0BR1讀/寫75H不變 接受緩沖器U0RXBRUF讀76H不變 發(fā)送緩沖器U0TXBRUF讀/寫77H不變 SFR模塊使能寄存器1ME1讀/寫004HPUC后001H FR模塊使能寄存器1IE1讀/寫000HPUC后001H FR模塊使能寄存器1IFG1讀/寫002HPUC后001H USART1 的寄存器 寄存器縮寫讀寫類型地址初始狀態(tài) 控制寄存器U1CTL讀/寫078HPUC后001H 發(fā)送控制寄存器U1TCTL讀/寫79HPUC后00

50、1H 接受控制寄存器U1RCTL讀/寫7AHPUC后001H 波特率調整控制寄存 器 U1MCTL讀/寫7BH不變 波特率控制寄存器0U1BR0讀/寫7CH不變 波特率控制寄存器1U1BR1讀/寫7DH不變 接受緩沖器U1RXBRUF讀7EH不變 發(fā)送緩沖器U1TXBRUF讀/寫7FH不變 SFR模塊使能寄存器1ME2讀/寫005HPUC后001H FR模塊使能寄存器1IE2讀/寫001HPUC后001H FR模塊使能寄存器1IFG2讀/寫003HPUC后001H 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 16 UXCTL 控制寄存器 76543210 PENAPEVS

51、PBCHARLISTENSYNCMSWRST PEV奇偶校驗位，該位在校驗允許時有效，0為奇校驗，1為偶校驗。 CHAR字符長度。 SYNC為UART模塊的模式選擇，0UART模式（異步），1SPI模式（同步）。 M多機模式選擇位，0線路空閑多機協議，1地址位多機協議。 SWRST控制位，上電時該位置位,此時 USART 狀態(tài)機和運行標志初始化成復狀態(tài) (URXIFG=0,URXIE=0,UTXIE=0,UTXIFG=1)。當一次系統進行復位后，只有通過對 SWRST 的 復位，UART 才能重新被允許。而接收和發(fā)送允許標志 URXE 和 UTXE 不會因 SWRST 而更改。SWRST位會使

52、 URXIE、UTXIE、URXIFG、RXWAKE、TXWAKE、RXERR、BRK、PE、OE 及 FE 等復位。 當使用串行端口設置時，起著重要的作用。一次正確的UART模塊的初始化程序應該 是這樣設置：先在SWRST=1時，設置串行端口，然后設置SWRST=0，最后，如果有必要中 斷，設置相應的中斷使能。 3.3 指紋模塊選型 3.3.1 指紋模塊組 本設計采用 TS1011M 系列半導體指紋模組，它是一種接觸式單指紋識別設備,主要 由外殼、TS1011 半導體指紋傳感器、BIOSEC0701 指紋處理芯片(含指紋存儲器 和識別 算法)、通訊接口等組成。模塊組如圖 3.4 所示： 圖

53、3.4 指紋模塊組 Fig.3.4 The fingerprint module group 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 17 該指紋模組集成了高性能 ARM 內核指紋處理芯片,集成化高、積更小、功耗更低。 使用了自主研發(fā)指紋識別算法, 對指紋的各項工作全部由指紋模組自行獨立的處理。在 指紋傳感器設計方面,TS1011 采用晶圓塑封技術，產品具備防霧防塵防 破壞能力,有效 解決了人體靜電的影響、提高了產品采像質量、增加了產品耐用性。指紋傳感器內部采 用 12MHZ 系統振蕩器,內置 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

54、 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 1 V_TOUCH3.3V 管腳 2 TOUCH_OUT 信號 管腳 3 VCC3.3V 管腳 4 TX OK-300-用戶控制 CPU 管腳 5 RX 用戶控制 CPU - OK- 300 管腳 6 GND 串口使用的是 3.3V 的 TTL 電平，在連接電腦時需要對電平進行相應的轉換,同時 我們需要注意的是 V_TOUCH 需要一直提

55、供電源。 3.3.3 指紋處理芯片 內置 BIOSEC0701 指紋處理芯片如圖 3.6 所示： 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 18 圖 3.6 BIOSEC0701 指紋處理芯片 Fig.3.6 BIOSEC0701 fingerprint processing chip TA0701 芯片采用低成本，低功耗，小體積芯片設計為控制核心，該系列集成圖安 V7 版本最新完整版本算法，基于圖像和特征點混合匹配模型的算法，能適應各種指紋， 更高的通過率和更低的誤識率，通過率達到 99%以上，誤識率在十萬分之一以內；1 比 N 比對速度在 4MS/枚；接口有 UAR

56、T 口和 USB 口；提供電腦端的調用接口。 芯片各項參數如下表 3.4 所示： 表 3.4 TA0701 芯片各項參數 Table 3. 4 TA0701 chip parameters 主頻 200M 比對速度1:1 比對速度：4ms 指紋模板494 字節(jié)（圖像和特征點混合匹配） 存儲量根據外置 FLASH 大小而定，默認采用 W25Q40，300 個用戶 分辨率 500DPI30DPI 匹配傳感器光學指紋傳感器、半導體滑動指紋傳感器、半導體面?zhèn)鞲衅?拒識率 1% 誤識率 8 字節(jié))如下表 4.1，4.2,4.3 所示： CMD 數據格式 1.頭部數據 表 4.1 頭部數據 Table.4

57、.1 Data head 2.數據包 表 4.2 數據包 Table.4.2 Data Package 3.ACK 數據 表 4.3 ACK 數據 Table.4.3 ACK Data 4.3.3 用戶注冊模塊實現 注冊是可以添加新用戶到系統中的嵌入式應用的重要一步。在注冊模塊，我們需要 確定用戶的權限，普通用戶只是該系統的用戶。注冊時，如果這是在管理員設置之前注 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 29 冊，所有用戶都可以行使自己的正常的用戶管理系統管理員權限。一旦建立了一個系統 管理員，普通用戶只能登錄，只有管理員可以訪問的信息管理和系統管理等模塊。這使 得更

58、容易進行維護和管理系統，提高了系統的安全性。 下面給出用戶注冊流程如圖 4.5 所示： 開始 注冊 新注冊 輸入ID 是 否 ID重復 是 輸入姓名 否 確定管理權限 采集指紋 指紋質量 不 合 格 合格 提取特征點保存 完成注冊 圖 4.5 注冊流程圖 Fig.4.5 Registration flowchart 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 30 指紋注冊具體流程如下： 1.首先新用戶利用ID進行注冊； 2.判斷ID是否重復，如果不重復則準備好執(zhí)行下一步，否則，重新輸入ID； 3.當ID輸入完成后開始輸入用戶姓名； 4.然后確定用戶管理權限并采集指紋；

59、5.判斷指紋質量是否合格，如果合格就提取特征點并且保存，顯示注冊完成，否則， 重新采集數據。 在注冊前我們首先要設置注冊模塊，設置數據如下表 4.4 所示： 表 4.4 數據格式 Table 4.4 Data format 設置完模塊組后則可以進行新用戶注冊，注冊的數據格式如下表 4.5 所示： 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 31 表 4.5 注冊格式 Table.4.5Registered format 采集用戶的三次指紋，比對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

60、或者 3，各個權限的定義可以由二次開發(fā) 者指定。 若是兩次按壓注冊，則分別發(fā)命令 (CMD/ACK 都是 8 字節(jié))，第一次命令，系統僅 采集指紋特征值緩存到內存中。第一次注冊發(fā)送的命令和返回如表 4.6 所示： 表 4.6 第一次注冊命令 Table.4.6 Registered for the first time 天津理工大學中環(huán)信息學院 2016 屆本科畢業(yè)設計說明書（論文） 32 第二次按壓命令如表 4.7 所示： 表 4.7 第二次注冊命令 Table.4.7 Registered for the second time 第二次命令，需要設置 ID 值和權限，當 USER ID 為