半导体指纹传感器在门禁识别系统中的应用Word格式.docx
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嵌入式系统是一个相对独立的完整系统，具有功耗低、体积小、集成度高等优点，其功能较为简单，应用于特定的场所。
而基于PC的桌面应用系统功能更加完善，可以建立大型的数据库，但由于需要连接PC才能完成指纹识别的功能，限制了这种系统在许多方面的应用。
国外指纹门禁产品市场可以说品牌众多，竞争激烈，比较知名的厂家，如美国AD公司、新加坡的ADC公司、以色列的DDS公司等，它们的产品技术含量大，但这些产品的价格昂贵。
目前国内指纹门禁系统的生产厂家众多，但真正具备研发生产采集仪和算法技术的厂家并不多。
国内指纹门禁系统生产厂家基本分三个层次：
第一级是具各研发生产采集仪和算法技术，如长春方圆、长春鸿达；
第二级是利用别人的采集仪，拥有自己的核心算法，这一级的厂家最多，如北京中控、上海同济斯玛特、上海一维、西安青松等；
第三级主要利用别人的模块，做后端的应用开发，如武汉数码人、厦门宝利铭等。
尽管目前的指纹门禁系统产品众多，但普遍存在价格高和功能单一等缺点。
因此针对上述的不足提出了“指纹门禁系统的设计与实现”这一研究课题，其目标是开发出具有良好的价格优势且功能完善的指纹门禁系统，方便用户使用。
1.2识别技术简介
1.2.1指纹特点
相对于其他生物特征，指纹有以下2个突出优点：
1.稳定性：
一个人从胎儿6个月时指纹完全形成到尸体腐烂，指纹的特征始终没有明显变化。
2.独特性：
至今还找不出两个指纹完全相同的人，即使同卵双胞胎的指纹也是不相同的。
这一特点，为指纹用于身份鉴定提供了客观依据。
1.2.2指纹特征
指纹特征一般分为两类：
总体特征和局部特征。
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。
英国学者E.R.Herry认为，在考虑局部特征的情况下，只要比对13个特征点重合，就可以确认是同一个指纹。
总体特征：
总体特征是指那些用肉眼直接就可以观察到的特征，包括：
纹形、模式区、核心点、三角点和纹数等五种。
1.2.3指纹应用系统简介
指纹应用系统可以分为两类：
验证（verification）和辨识（Identification）。
验证就是把一个现场采集到的指纹与一个己经登记的指纹进行一对一的比对（one-to-onematching），来确认身份的过程[4]，如图1.1所示。
作为验证的前提条件，他（或她）的指纹必须在指纹库中已经注册，并与其姓名或其标识（ID、PIN）联系起来。
随后在比对现场，先验证其标识，然后，利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的。
验证其实是回答了这样一个问题：
“他是他自称的这个人吗？
”这是应用系统中使用得较多的方法。
辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹，如图1.2所示，这也叫“一对多匹配（one-to-manymatching）”。
辨识其实是回答了这样一个问题：
“他是谁？
”。
图1.1指纹验证示意图
图1.2指纹辨识示意图
验证和辨识在比对算法和系统设计上各有特点，例如验证系统一般只考虑对完整的指纹进行比对，而辨识系统要考虑残纹的比对；
验证系统对比对算法的速度要求不如辨识系统高，但更强调易用性；
另外在辨识系统中，一般要使用分类技术来加快查询的速度。
1.2.4指纹取像技术及其特点
目前的指纹取像技术按原理可分成两类：
光学取像和非光学取像。
光学取像设备依据的是光的全反射原理。
光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由CCD去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂和水分。
光线经玻璃射到谷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，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这样就在CCD上形成了指纹的图像。
非光学取像技术目前主要有两类：
半导体传感器取像和超声波扫描取像。
常见的半导体传感器是硅电容传感器，硅电容传感器在半导体金属阵列上能结合大约100000个电容传感器，其外面绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列的另一面指纹纹路深浅导致电容阵列的各个电容电压不同，通过测量各点的电压值可获得灰度指纹图像。
另一种晶体传感器是压感式的，其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料，他们依照指纹的外表地形（凸）转化为相应的电子信号。
其它的晶体传感器还有温度感应传感器，它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同获得指纹图像。
晶体传感器技术最重要的弱点在于，它们容易受到静电的影响，这使得晶体传感器有时会取不到图像，甚至会被损坏。
超声波扫描被认为是指纹取像技术中非常好的一类。
很象光学扫描的激光，超声波首先扫描指纹的表面，紧接着，接收设备获取了其反射信号，测量它的范围，得到脊的深度[5]。
不像光学扫描，积累在皮肤上的脏物和油脂对超音速获得的图像影响不大，所以这样的图像是实际脊地形（凹凸）的真实反映，应用起来更为方便。
整个提取算法流程如图1.3所示。
图1.3在提取细节点的算法流程
各种技术都具有它们各自的优势，也有各自的缺点，指纹取像技术比较如表1.1所示。
表1.1指纹取像技术比较
比较项目
光学全反时技术
硅晶体电容传感器技术
超声波扫描技术
体积
大
小
中
耐用性
非常耐用
容易损坏
一般
成像能力
干手指差，但汗多的和稍胀的手指成像模糊
干手指好，但汗多的和稍胀的手指不能成像
非常好
耗电
较多
较少
成本
低
很高
2指纹门禁系统的总体设计
本系统以手指取代传统的钥匙，使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上，即可完成开锁任务，操作十分简便，避免了其它门禁系统（传统机械锁、密码锁、识别卡等）有可能被伪造、盗用、遗忘、破译等弊端。
2.1系统功能
1.指纹开门：
用户将手指按到指纹采集器上，指纹识别模块提取指纹特征并与指纹特征库中的指纹进行比对，若指纹合法，门禁系统发出开门指令；
若指纹不合法，门禁系统不发出开门指令。
2.录入、删除指纹模板：
录入指纹模扳的功能是管理员将用户的指纹通过指纹采集器采集指纹的特征信息，将指纹特征值和对应的ID号存储到存储器中。
当用户变更时，管理员能够将用户的指纹特征信息从存储器中删除。
3.密码应急开门：
当用户的手指出现异常情况（如手指被划伤），采集器无法采集到正确的指纹特征信息时，或者因电力不足而指纹识别模块无法正常工作时，可用密码来开门。
为保证系安全，密码开门只供管理员使用，管理员可以修改密码。
为了解决因引入密码开门而降低安全性问题，本系统用6位密码。
特别是为防止别人恶意试探密码，当连续三次输入密码错误时，系统禁止输密码，一小时后方可输入密码,从而降低密码被破译的可能。
4.浏览开门记录：
当用户开门成功后，系统自动存储用户的ID号和开门时间（月份、期、小时、分钟）等信息。
如果出现盗窃、丢失等意外情况，管理员可以很方便地查询最近6次的开门记录。
5.中文菜单和实对时钟显示：
系统全部采用中文菜单显示，并能够设置和显示实时时钟，界面友好、直观、便于使用。
6.电源自动切换：
当交流供电停止时，自动切换到电池供电：
交流电恢复后，自动切换到交流供电。
2.2系统性能指标
经测定本指纹门禁系统达到的性能指标如表2.1所示。
表2.1系统性能指标
项目
技术指标
主电源
220V交流电源
后备电源
1节9号电池
开门时间
<
2秒
指纹库容量
184枚
登记用户时间
删除用户时间
拒真率
1.5%
认假率
0.001%
2.3系统硬件结构
指纹门禁系统的硬件主要由微处理器、指纹识别模块、液晶显示模块、4*4键盘、实时时钟／日历芯片、电控锁和电源等组成[6]。
微处理器作为系统的上位机，控制整个系统。
指纹识别模块主要完成指纹特征的采集、比对、存储、除等功能。
液晶显示模块用于显示开门记录、实时时钟和操作提示等信息，和键盘一起组成人机界面。
指纹门禁系统的硬件结构如图2.1所示。
4*4键盘的按键分布如图2.2所示，按键包括0-9键、删除键、下翻键、上翻键、确定键、取消键和开门键。
图2.1指纹门禁系统硬件结构
2.4系统软件结构
图2.1指纹门禁系统的硬件结构
图2.2键盘的按键分布
按系统功能，软件主要由指纹处理模块、液晶显示模块、实时时钟模块和键盘扫描模块等组成。
指纹处理模块主要负责微处理器与指纹识别模块之间命令和返回代码的信息处理；
液晶显示模块根据液晶显示模块的时序，编写驱动程序，以实现显示汉字、字符的目的；
实时时钟模块根据时钟芯片的时序，编写通讯程序．实现对时钟芯片的读写操作；
键盘扫描模块就是根据4*4键盘的设计原理
编写键盘程序来识别有无按键动作和按下键的键号。
按操作流程，软件主要由指纹开门程序、指纹管理程序、密码管理程序和系统设置程序四部分组成。
其中指纹管理、密码管理和系统设置三部分只有管理员才有此权限。
指纹管理程序由登记指纹模板程序、删除指纹模板程序、清空指纹模板程序和浏览开门记录程序四部分组成；
密码管理程序由密码修改程序和密码开门程序两部分组成；
系统设置程序由时间设置程序和日期设置程序两部分组成，其结构框图如图2.3所示。
图2.3指纹门禁系统软件结构
3指纹门禁系统的硬件设计
3.1SPCE061A单片机介绍
3.1.1SPCE061A单片机的主要性能
SPCE061A单片机是凌阳公司推出的一款16位结构的微处理器，能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号，其主要性能如下：
◆16位微处理器；
◆工作电压：
VDD为2.4～3.6V（cpu），VDDH为2.4～5.5V（I/O）；
◆3CPU时钟：
32768KHz～49.152MHz；
◆内置2K字SRAM、内置32K字FLASH；
◆2个10位DAC（数-模转换）输出通道；
◆7通道10位ADC（电压模－数转换器）和单通道语音模－数转换器；
◆14个中断源；
◆具备异步、同步串行设备接口；
◆具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；
◆内置在线仿真电路接口ICE（In－Circuit－Emulator）；
◆具有WatchDog功能。
3.1.2指纹识别模块OM-20的管脚说明及性能指标
指纹识别模块OM-20主要由指纹采集头和指纹处理板两部分组成，指纹采集头采用光学指纹传感器，指纹处理板由高性能DSP处理器和FLASH等芯片构成。
自带DSP处理器的指纹处理模块根据用户的命令来完成如指纹的录入、删除、比对等一系列的操作，并将指纹特征值加密后存储于处理模块的FLASH中。
指纹识别模块OM-20管脚说明及性能指标分别如表3.1、表3.2所示。
表3.1OM—20管脚说明
引脚
功能说明
1
系统电源5V
2
串口数据发送引脚
3
串口数据接收引脚
4
唤醒引脚
5
GND
表3.2OM—20性能指标
序号
指标项目
技术参数
系统供电
5.0V
休眠电流
10µ
A
正常工作电流
250mA
峰值电流
300mA
指纹录入时间
250ms
6
1：
1比对时间
200ms
7
184搜索时间
2s
8
指纹数存储数量
9
0.001%
10
1.5%
11
外部接口
标准RS—232串口
3.1.3SPCE061A单片机与指纹识别模块OM－20的接口电路设计
SPCE061A单片机[10]通过串行口与指纹识别模块OM—20通信[11]。
SPCE061A单片机内部有一个标准全双工的通用异步接收器／发送器UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter）。
UART的接收信号Rx和发送信号Tx分别与IOB7和IOB10共用，属于B口的特殊功能。
由于SPCE061A单片机串口采用TTL电平，而指纹识别模块OM—20串口采用RS232电平，为了实现两者之间的通讯必须进行电平转换。
RS232标准是美国电子工业联合会正式公布的串行总线标准，RS232串行接口总线适用于设备之间的通讯距离不大于15m，传输速率最大为20kBps。
RS232采用负逻辑规定逻辑电平。
TTL电平与RS232电平不同，二者的逻辑电平比较如表3.3所示。
表3.3RS232电平与TTL电平比较
电平标准
逻辑电平“0”
逻辑电平“1”
RS232
+3V～+15V
-3V～-15V
TTL
>
2.4V
0.3V
实现RS232与TTL逻辑电平转换可用分立元件，也可用集成电路芯片。
目前较为广泛使用的集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到RS232电平的转换，而MC1489、SN75154可实现RS232电平到TTL电平的转换。
图3.1为SPCE061A单片机与指纹识别模块OM—20的接口电路，MAX232对电源噪声很敏感，因此Vcc加1μF去耦电容，电容C1，C2，C3，C4取1μF去耦电容，用于提高抗干扰能力。
图3.1SPCE061A单片机与指纹识别模块OM－20的接口电路设计
3.2SPCE061A单片机与液晶显示模块SPLC501的接口
液晶显示模块SPLC501工作电压为3.3-5V，最大工作电流2.0mA，并行接口方式，其管脚说明如表3.4所示。
液晶显示模块SPLC501由液晶驱动控制器SPLC501、LCD显示器和与外部设备的接口等几部分组成。
液晶驱动控制器SPLC501具有65个行驱动输出和 132个列驱动输出，内置65×
123位显示数据存储器（DDRAM，DSPLAY，DATA，RAM），实际上只用到64个行驱动输出和128个列驱动输出和64×
128位DDRAM，DDRAM的每1位数据控制液晶屏上一个像素的亮暗状态（1：
表示亮，0：
表示暗）。
表3.4SPLC501接口端管脚说明
管脚名
说明
／CS
片选，低有效
／RES
复位脚
AOP
数据命令选择脚
R／W
对于8080系列MPU的写信号
对于6800系列MPU的读/写信号
EP
对于6800系列MPU的时钟信号使能脚
对于8080系列MPU的读信号
DB0～DB7
8位数据总线
Vcc
逻辑电源（3.3V～5V）
Vdd
地
4指纹门禁系统的软件设计
4.1指纹处理模块
4.1.1指纹识别模块OM-20通讯协议
通讯协议是指纹识别模块OM-20与上位机进行信息交换的一组约定和规则。
参照标准7层通讯网络模型，针对指纹识别模块OM-20与上位机信息交互特点，提炼成4层通信模型，如图4.1所示。
图4.1OM-20四层通信协议模型
本协议假定物理层与链路层的数据传输可靠。
数据传输的正确性，通过应答包中的校验和反映。
上位机依据模块发来的应答信息，来确认模块接收以及执行指令的情况。
4.1.2登记指纹模板程序设计
登记指纹模板就是采集指纹特征并将指纹特征信息存储到指纹库，对登记的指纹给予相应的ID号，以方便管理。
每录入一枚指纹，根据其ID号修改SPCE061A单片机FLASH中“占用／空闲”ID位对应的值，表示该ID号已经占用，登记指纹模板程序流程如图4.2所示。
图4.2登记指纹模板流程图
4.1.3删除指纹模板程序设计
删除指纹模板就是管理员删除无用的指纹模板，即将无用的指纹特征信息从存储器中删除。
管理员输入要删除指纹的ID号，确认删除存储器中对应ID号的指纹特征信息及ID号，删除指纹模板程序流程如图4.3所示。
图4.3删除指纹模板流程图
4.1.4清空指纹模板程序设计
清空指纹模板就是管理员删除全部指纹模板程序流程如图4.4所示。
图4.4清空指纹模板流程图
4.2系统主程序设计
系统主程序的任务主要是系统初始化、从消息队列中获取消息，转向不同的子程序，系统主程序流程如图4.5所示。
图4.5系统主程序流程图
4.3指纹开门程序设计
开门程序的任务主要是判断开门者是否有权开门。
首先，SPCE061A单片机向指纹识别模块OM-20发出指纹比对的命令，指纹识别模块OM-20采集指纹特征并对开门者的指纹进行比对，如果比对通过，则开门；
同时，读取实时时钟／日历芯片DSL302中的月、日、小时、分钟信息，将时间和开门者的ID号，存入到实时时钟／日历芯片DSL302的开门记录缓冲区中。
如果没有通过，则提示错误信息。
指纹开门程序流程如图4.6所示。
图4.6指纹开门程序流程图
5系统抗干扰措施
系统的抗干扰设计是系统设计的重要内容之一，系统工作的可靠性、安全性在很大程度上取决于抗干扰技术，形成干扰的基本要素有三个：
1.干扰源：
指产生干扰的元件、设备或信号，如：
雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
2.传播路径：
指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介，典型的于扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
3.敏感器件；
指容易被干扰的对象，如：
A/A、D/A变换器、单片机、数字IC等。
5.1抗干扰设计的基本原则
抗干扰设计的基本原则是：
抑制干扰源、切断干扰传播路径和提高敏感器件的抗干扰性能。
1.抑制干扰源：
抑制干扰源就是尽可能的减少产生干扰的元件、设备或信号，这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则。
减小干扰源主要是通过在干扰源两端并联电容或在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
2.切断干扰传播路径：
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。
所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。
高频于扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。
所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。
一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。
3.提高敏感器件的抗干扰性能：
提高敏感器件的抗干扰性能是指尽量减少敏感器件对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。
5.2系统硬件抗干扰措施
本指纹门禁系统在印刷电路板设计过程中，从尺寸的选择、元器件的布置、地线布置、电源线布置以及去耦电容的配置等各方面均充分考虑系统可靠性的要求，采取了如下的抗干扰措施：
1.抑制干扰源
（1）单片机、指纹识别模块等耗能较大芯片的电源端与接地端之间并接0.01μf的独石电容，以减少与电源间的耦合作用。
（2）高频电容的布线，连线靠近电源端并尽量粗短。
（3）地线尽量加粗，系统中地线一般使用30mil（1mil＝0.0254mm），最粗达到了100mil。
（4）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。
2.切断干扰传播路
（1）电路板合理分区，用地线把数字区与模拟区隔离。
（2）给单片机电源加SPY0029稳压器，给指纹识别模块和液晶显示模块加降压型开关稳压电源控制器AE2596，以减小电源噪声对系统的于扰。
（3）晶振与SPCE061A单片机、实时时钟芯片DSL302引脚尽量靠近。
（4）单片机和大功率器件（如继电器）的地线单独接地，以减小相互干扰。
（5）大功率器件（如继电器）放在电路板边缘，与敏感元件（单片机）远离。
3.提高敏感器件的抗干扰性能
（1）SPCE061A单片机[7]自带硬件看门狗电路。
看门狗（WatchDog）在计算机系统中是一个最忠实的可信赖的硬件，用来保证系统长久运行。
SPCE061A单片机的看门狗的清除时问周期为0.75s，如果看门狗的计数在固定的时间间隔内被程序指令不断地清除而不产生溢出，表明程序运行正常。
但若在规定的时间间隔里看门狗的计数未被清除而产生溢出，则表示程序运行正常，CPU自动使系统复位处理（相当于硬件复位）。
（2）线路板上除SPCE061A、MAX232、DSL302等芯片考虑到更换外，其余元件均直接焊接，以减少由于接触不良造成的不可靠现象。
5.3系统软件抗干扰措施
为提高系统软件可靠性，在系统软件开发过程中，采取了如下可靠性措施。
1．重复设置各种工作方式控制字
单片机在运行过程中，如果受到较强的干扰，系统内各芯片的工作方式控制字极易受到破坏，使各输入/输出口失去原来定义的功能，导致系统不能正常工作，针对这种情况，在循环处理程序中定期地、有条件地对各方式控制单元进行重复的初始化，这样方式控制字一旦被破坏，还可以及时得到修复。
2．采用软件陷阱法
单片机最易受干扰的是内部程序计数器PC的值，在受到强电干扰时，PC的值会改变，使CPU误将程序从正确位置跳到一些无意义的区域内执行，导致程序运行跑飞。
在程序模块间和程序之后增设由若干个空操作指令和１条无条件跳转指令组成的陷阱。
一旦程序跑飞跌落陷阱，便转入相应的失控处理程序，在进行了工作单元的初始化及有关控制字的设定后，跳到正常的循环处理程序中，从而恢复程序的正确流程。
结论
本文主要设计实现了一种指纹门禁系统，具体地阐述了指纹门禁系统的设计方法，包括系统功能的确定、系统的硬件设计、系统的软件设计以及系统抗干扰措施。
主要完成了以下几个方面的工作：
1．回顾和总结了指纹识
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