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指纹防盗门控制系统设计论文
攀枝花学院本科毕业设计（论文）
[指纹防盗门控制系统设计]
学生姓名：
陈胤龙
学生学号：
200510601203
院（系）：
机电工程学院
年级专业：
2005级机械设计制造及其自动化
指导教师：
谢永春教授
二〇〇九年六月
ABSTRACTII
摘要
指纹识别技是一项利用了生物技术，电子技术等的综合技术。
随着科学技术的日益发展,指纹识别技术也不断成熟并广泛应用于社会各个行业，收到了良好效果。
指纹防盗门控制系统打破了传统意义上防盗门的技术特性，它是集成了光学、机械、电子及指纹核心算法技术于一身。
本文首先在绪论介绍了指纹识别技术发展状况及指纹识别专用芯片相关知识。
在第二章论述了总体的方案设计与论证,确定了技术指标及器件的型号；第三章是硬件设计与实现，着重描述了系统硬件电路设计及电路功能；第四章重点剖析了软件的结构设计和软件功能的实现；最后在第五章中具体论述了系统的调试。
关键词:
指纹识别技术，指纹芯片，指纹采集器，锁具
ABSTRACT
Fingerprintidentificationtechnologyisauseofbio-technology,electronicstechnology,integratedtechnology.Withtheincreasingdevelopmentofscienceandtechnology,fingerprintrecognitiontechnologyhasbeenmatureandwidelyusedinvariousindustries,withgoodresults.
Fingerprintsecuritydoorcontrolsystemtobreakthetraditionalsenseofthetechnicalcharacteristicsofanti-theftdoor,whichisintegratedoptical,mechanical,electronicandfingerprinttechnologyinacorealgorithm.
Introductiontothispaper,wefirstintroducedthedevelopmentoffingerprintrecognitiontechnologyandfingerprintrecognitionknowledgeASIC.Inthesecondchapterontheoverallprogramdesignanddemonstrationoftechnicalindicatorsandtoidentifythedevicetype;thirdchapteristhehardwaredesignandimplementation,focusingondescriptionofthesystemhardwarecircuitdesignandcircuitfunction;fourthchapterfocusesonthestructuralanalysissoftwaredesignandrealizationofsoftware;thefinalinthefifthchapterdiscussesthespecificdebuggingsystems.
Keywords:
Fingerprintrecognitiontechnology,Fingerprintchip,Fingerprintcollector,Lock
1绪论
1.1指纹识别的历史与发展前景
19世纪初，科学研究发现了至今仍然承认的指纹的两个重要特征，一是两个不同手指的指纹纹脊的式样（radgepattern）不同，另外一个是指纹纹脊的式样终生不改变。
这个研究成果使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用。
主要代表性的事件有：
1896年阿根廷首次应用，然后是1901年的苏格兰，20世纪初其他国家也相继应用到犯罪鉴别中。
20世纪60年代，由于计算机可以有效的处理图形，人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。
从那时起，自动指纹识别系统AFIS（AutomatedFingerprintIdentificationSystem）在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开。
20世纪80年代，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得它们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用，比如代替IC卡。
现在（90年代后期），低价位取像设备的引入及其飞速发展，可靠的比对算法的发现为个人身份识别应用的增长提供了舞台。
相对于其他身份鉴定技术，指纹识别技术之所以优于其他身份鉴定技术而被广泛采用的原因：
1．指纹是独一无二的，两人之间不存在着相同的指纹：
2．指纹是相当固定的，不会随年龄、健康状况的变化而改变；
3．指纹样本易于采集，难以伪造，便于开发，实用性强；
4．每个人十指的指纹皆不相同，可以利用多个指纹构成多重口令，提高系统的安全性；
5．指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图像，而是由图像提取的关键特征，使所需存储的信息量减小，而且在实现异地确认时，可以大大减少网络传输负担，支持网络功能。
可以看出，指纹识别技术相对于其他识别方法有许多独到之处，具有很高的实用性和可行性。
因此，指纹识别成为最流行、最方便、最可靠的身份认证方式，己经在社会生活的诸多方面得到广泛应用。
1.2指纹识别中的基本概念与发展现状
指纹图像其实是比较复杂的，它有着许多不同于其他图像的特征。
与人工处理不同，现代的生物识别技术并不直接存储指纹的图像（一是考虑到隐私权，二是由于储存空间），而是记录从指纹源图像中提取到的特征，指纹识别算法最终都归
结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。
我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证：
总体特征和局部特征。
总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括：
基本纹路图案：
环型（loop），拱型（arch），漩涡型（whorl）。
其他的指纹图案都基于这三种基本图案。
仅仅依靠图案类型来分辨指纹是远远不够的，这只是一个粗略的分类，但通过分类使得在大数据库中搜寻指纹更为方的，这只是一个粗略的分类，但通过分类使得在大数据库中搜寻指纹更为方便。
指纹图像类别比例是这样的：
漩涡型（包括whorldoublewhorl）占27.9%，环型（包括rightloop，leftloop）占65.5%，拱型（包括arch，tentedarch）占6.60I0。
长期以来，随着科学技术和电子信息业的迅猛发展，世界各国争先在指纹识别这一领域进行研究，由于它具有唯一性和稳定性等特点，受到计算机自动化办公系统、金融保险、电子商务、社保、身份证管理、证券业、防伪等行业，以及军方和警方的普遍应用。
我国自上世纪90年代由中科院自动化研究所牵头开始进行这一技术的研究，经在众多行业的实际应用，各项技术指标日趋稳定成熟，性能安全可靠，并取得了非常可观的经济效益和良好的社会效果。
目前我国的指纹自动识别技术已广泛应用到各个领域，并在世界同行业处于领先水平。
1.3系统总体设计方案和论文结构
硬件平台大致可以分为5个部分：
成像系统（传感器HV7131）、核心部分（FSC7002指纹识别芯片控制模块）、锁具驱动电机、电源输入、音频输出设备等器件。
工作原理：
指纹经传感器采集后，由传感器直接转成RGB格式，并且数据传输到FSC7002芯片中,FSC7002需要执行大量的模式识别和图像处理相关计算。
固化的程序存储在SPIFlash中，这些指令控制了整个指纹识别系统的工作流程。
数据传输（PAD）/命令控制（PAR）总线可分别由DMA控制单元（内部或扩展）或片上FMCU8KB控制,这就构成数据通道。
在指纹算法方面，研究基于细节点特征指纹自动识别系统的各部分构成以及指纹图像的预处理和细节特征提取。
文章第一部分首先提出了本次设计方案并进行了技术上的论证。
第二部分介绍了硬件系统的结构设计和实现，如：
指纹传感器电路设计，电源电路设计，电机控制电路实现等等。
第三部分介绍了指纹识别系统的软件流程及各项功能的实现。
第四部分介绍了系统的调试方式。
1.4FSC7002指纹识别专用芯片介绍
FSC7002是基于FinchosIC-BusRev.A2总线结构、8BITSFMCU8KB嵌入式微控制器、FID116KMG指纹识别处理模块的专用指纹识别集成电路。
其提供32可编程接口，SPIFLASH接口，SPI指纹传感器接口，光电传感器通讯接口，DMA数据\命令控制通道，UART通讯\调试接口，PWM音频输出接口，通过内嵌的微控制器对片上各功能单元与外部芯片的协调，可快速构建高性能低成本的用户定制化指纹识别应用系统。
1.4.2FSC7002基本性能参数
表1.1FSC7002基本性能参数
项目
性能
比对方式
1:
N，1:
1
采集时间
<0.5s
1:
1比对时间
<4ms
识别角度
支持360o旋转，面阵式通过学习功能实现，滑动式支持正反刮功能。
存储容量
由片外FLASH确定，最大支持16Mbyte
工作环境
温度：
−20o～60o，湿度：
20%～95%
静态工作电流
110mA
动态工作电流
120mA
系统软件加载
<10ms
ESD
HBM-2KVMM-200V
1.4.3FSC7002主要功能特性简介
■Finchos-BusRev.A2
Finchos-BusRev.A2是FINCHOS开发的片上数据传输（PAD）/命令控制（PAR）总线，支持4个master和6个slaver间的总线互连，可在任意master和slaver之间进行数据传输，支持同时四对master和slaver之间的数据高速传输。
其中数据传输（PAD）/命令控制（PAR）总线可分别由DMA控制单元（内部或扩展）或片上FMCU8KB控制。
■FMCU8KB嵌入式微控制器。
FMCU8KB是FINCHOS开发的高速度8BITS微处理器，其内嵌8KB程序\数据缓冲器，128byte的核内缓存、兼容8051指令集，3级流水线结构，可使用通用8051软件开发工具进行软件开发。
FMCU8KB用于协调片上功能单元与外部芯片的工作协同。
■FID116KMG指纹识别处理模块
FID116KMG是FINCHOS开发的指纹识别功能模块，由指纹图像预处理、指纹图像增强、指纹特征信息提取、指纹特征比对、指纹模板建立等子模块构成。
FID116KMG指纹识别处理模块使用FINCHOS独特且有效的指纹识别算法，降低最终用户使用指纹技术的复杂度，提供优秀的指纹识别性能。
■SPIMasterInterface
SPIMaster接口，支持SPI四种工作模式，SPI速率196kbps～50Mbps，所有的工作模式均可通过片上FMCU8KB配置，包含16x32bit的数据缓冲器，通过片上总线的控制，实现与片外SPI设备间的高速数据交换。
■SPImasterinterfaceforSlaverSPIflash
提供对外部SPI-Flash的控制,内部包括一条自动读写Flash的通道和一条SPI数据通道，可实现SPIFLASH的读写操作。
通过配置对应寄存器的值可确定FLASH操作类型。
可自动完成对预定目标的读写操作。
■ParallelPhotoelectricInterfaceforFingerprintSensor
提供光电式指纹传感器接口（并行口），兼容多种光电式指纹传感器，支持对图像的开窗操作，用于选取需要分析的图像区域。
可调整同步信号的极性以适应多种光电传感器。
可由片上输出指纹传感器所需时钟信号。
输入图像的色度空间转换与尺度缩放，由芯片中的图像预处理部分实现。
■ExtendDMAData/CommandcontrolChannel
通过外部的ExtendDMAData/Command（EDMA）控制通道可直接控制芯片内部存储器，包括数据总线（PAD）、控制命令总线（PAR）。
用于扩展片外高速协处理器。
■32GPIOInterface提供32Bits用户可编程配置的输入\输出双向接口。
■UARTCommunication\DebugInterface
提供符合RS232标准通用异步通信串口（UART），通过配置定时器可以实现不同的波特率下UART接口设备间的通信，可实现外部控制、调试、数据通讯等多种功能。
■PWMAudioInterface
脉冲宽度调制PulseWidthModulate（PWM）是基于纯数字技术，将数字语音信号直接转换为脉冲宽度调制波，并通过低通滤波器生成模拟语音信号，具有功耗小，工艺适应能力强等特点。
支持wav文件语音文件播放，支持8khz/8bit，11khz/8bits，22khz/8bits三种格式。
■FID116KMG指纹识别模块
FID116KMG是FINCHOS开发的指纹识别功能模块，由指纹图像预处理、指纹图像增强、指纹特征信息提取、指纹特征比对、指纹模板建立等子模块构成。
FID116KMG指纹识别处理模块使用FINCHOS独特且有效的指纹识别算法，显著降低最终用户使用指纹技术的复杂度，并提供优秀的指纹识别性能。
1.4.4FSC7002系统框图
图1.1FSC7002系统框图
1.4.5FSC700264封装管脚分布图：
图1.2FSC700264封装管脚分布图
1.4.6FSC700264封装管脚描述：
表1.2FSC700264封装管脚描述
Pin
Type
Symbol
Description
1
I
AVDD
Analogpowersupply+1.8V.
2
I
AVSS
Analogground.
3
I
AVDD
Analogpowersupply+1.8V.
4
I
AVSS
Analogground.
5
O
TEST
PLLtestoutput,Notusedforuser.Drive:
12mA
6
I
CLK
Systemclockinput.
7
G
VSS
Coreground.
8
P
VDD
Corepowersupply+1.8V.
9
IO
P04
F8051port0.Drive:
12mA
10
IO
P05
F8051port0.Drive:
12mA
11
IO
P06
F8051port0.Drive:
12mA
12
IO
P07
F8051port0.Drive:
12mA
13
G
VSS
DigitalIOground.
14
P
VDDIO
DigitalIOpowersupply+3.3V.
15
IO
P00
F8051port0.Drive:
12mA
16
IO
P01
F8051port0.Drive:
12mA
17
IO
P02
F8051port0.Drive:
12mA
18
IO
P03
F8051port0.Drive:
12mA
19
I
RXD
UARTinput.
20
O
TXD
UARToutput.Drive:
12mA
21
G
VSSCORE
Coreground
22
P
VDDCORE
Corepowersupply+1.8V.
23
I
INT0
Interrupt0input.
24
O
PWM
PWMoutput.Drive:
12mA
25
I
TEST
Testpin,Connectedtogroundforuser.
26
I
TEST
Testpin,Connectedtogroundforuser.
27
G
VSSIO
DigitalIOground
28
P
VDDIO
DigitalIOpowersupply+3.3V.
29
I
RST#
Systemresetinput,Activelow.
30
IO
P37
F8051port3.Drive:
12mA
31
IO
P36
F8051port3.Drive:
12mA
32
IO
P35
F8051port3.Drive:
12mA
33
IO
P34
F8051port3.Drive:
12mA
34
O
SCS#
Serialflashinterface,chipselectoutput.Drive:
12mA
35
I
MISO
Serialflashinterface,serialinput.
36
O
MOSI
Serialflashinterface,serialoutput.
37
O
SCK
Serialflashinterface,serialclockoutput.
38
I
SPEED-SEL
Programloadspeedselect,‘High”forhighspeed
39
O
CKO
Clockoutput.Drive:
12mA
40
I
PCK
Videopixelclockinput.
41
I
DATA0
Imageinputdatabit0.
42
I
DATA1
Imageinputdatabit1.
43
I
DATA2
Imageinputdatabit2.
44
I
DATA3
Imageinputdatabit3.
45
G
VSSCORE
Coreground.
46
P
VDDCORE
Corepowersupply+1.8V.
47
G
VSSIO
DigitalIOground
48
P
VDDIO
DigitalIOpowersupply+3.3V
49
IO
P33
F8051port3.Drive:
12mA
50
IO
P32
F8051port3.Drive:
12mA
51
IO
P31
F8051port3.Drive:
12mA
52
IO
P30
F8051port3.Drive:
12mA
53
G
VSSCORE
Coreground.
54
P
VDDCORE
Corepowersupply+1.8V.
55
I
SPI-MISO
SPImaster,serialinput.
56
O
SPI-SCK
SPImaster,serialclock.Drive:
12mA
57
O
SPI-MOSI
SPImaster,serialoutput.Drive:
12mA
58
O
SPI-SCS#
SPImaster,slavedeviceselectsignal.Drive:
12mA
59
I
DATA4
Imageinputdatabit4.
60
I
DATA5
Imageinputdatabit5.
61
I
DATA6
Imageinputdatabit6.
62
I
DATA7
Imageinputdatabit7.
63
I
HS
Videohorizontallinesynchronizationsignal.
64
I
VS
Videoframesynchronizationsignal.
1.5开发环境简介
本次设计分为硬件部分和软件部分，硬件部分的是在FSC7002指纹识别芯片的基础上，通过实现各项功能的要求开发。
软件部分采用VC环境开发。
两者的开发过程基本相似，分为项目的建立→代码的编写→编译→仿真环境中的运行调试→加载→硬件实际环境中的运行。
2方案设计与论证
2.1设计要求
2.1.1基本要求
1、系统能够有效识别指纹。
2、系统能够准确地将采集到的指纹与系统中已存的指纹进行对比处理。
3、系统能够准确将指纹比对的结果通过语音输出。
4、系统能够准确将指纹比对的正确结果输出并控制电机正反转。
2.2总体设计概论
根据每个人指纹的唯一性，确定以指纹作为钥匙。
通过在系统中的预先建档，将个人的指纹通过指纹采集器存储到SPIFLASH中。
当用户有访问需要时，指纹传感器采集用户指纹的特征信息，将指纹特征值交给芯片进行分析比对，决定用户是否有访问的权限。
如果用户拥有需要的权限，在验证通过之后，芯片输出控制信号驱动门控直流电机实现对锁的控制；如果用户没有相应的权限，验证后会给出验证失败的信息。
系统应该分为机械部分和电子控制部分，机械部分的负责将控制锁具的琐舌进退，电子控制部分主要是负责指纹传感器数据采集、处理，数据传输控制，电机运动控制，键盘数据处理，语音控制等。
以下为指纹防盗门控制系统结构框图：
图2.1指纹防盗门控制系统结构框图
2.3各基本模块的方案设计与论证
2.3.1指纹传感器
指纹的采集识别需传感器（Sensor）。
以下就传感器的选择做方案设计和论证。
方案一：
光学指纹传感器
原理：
利用光的全反射（FTIR）来成像。
光源光线照射到压有指纹的玻璃表面形成反射光线，反射光线再经过凸镜聚焦后由CCD或者CMOS去捕获成像。
由于指纹的嵴和峪凹凸不同，形成的反射光的量也就不同。
光线经玻璃照射到峪的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射,光线被反射到CCD或CMOS,而射向嵴的光线不发生全反射,而是被嵴与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的方向,这样CCD或CMOS就无法获得这部分光线，从而形成了指纹嵴与峪的图像。
优点：
能承受一定程度温度变化,稳定性很好，抗静电能力强，产品成本低，使用寿命长，分辨率高，可以达到500DPI以上。
缺点：
受光路限制，无畸变型采集器尺寸较大；采集窗口表面容易有痕迹遗留，影响下次采集精确度；CCD器件可能因寿命老化，降低图像质量。
方案二：
半导体指纹传感器
原理：
主要是利用电容、电场（也即我们所说的电感式）、温度、压力的原理实现指纹图像的采集。
在一块集成有成千上万半导体器件的“平板”上，手指贴在其上与其构成了电容（电感）的另一面，由于手指平面凸凹不平，凸点处和凹点处接触平板的实际距离大小就不一样，形成的电容/电感数值也就不一样，设备根据这个原理将采集到的不同的数值汇总，也就完成了指纹的采集。
优点：
图像质量较好，一般无畸变；尺寸较小，容易集成到其他设备中去。
缺点：
耐用性和环境适应性差，尤其在一些较恶劣的环境中，如在抗静电能力、抗腐蚀能力、抗压
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