基于嵌入式指紋識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于嵌入式指紋識別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 邢 蓉 學(xué) 號： 12020043 班 級： 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 基于嵌入式指紋識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于嵌入式指紋識別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 隨著科技的蓬勃發(fā)展，人們越來越重視自己的個(gè)人隱私，由此個(gè)人身份識別的需求 日益增加。由于指紋擁有獨(dú)特的不變性，使得指紋識別技術(shù)與傳統(tǒng)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(tǒng)的身份識別技術(shù)的不足可以被克服，指紋識 別日益被認(rèn)可。基于指紋認(rèn)證技術(shù)，指紋識別是一個(gè)重要手段，其歷來通常在 PC 平臺 上運(yùn)行，但隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，指紋識別系統(tǒng)的需求不斷提升，同時(shí)市場對便攜 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別技術(shù)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(tǒng)的原理，在通過對傳統(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)嵌入式指紋識別系統(tǒng)。 同時(shí)提出了嵌入式指紋識別系統(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)了相應(yīng)的電源和 UART 接口電路，實(shí)現(xiàn)了嵌入式指 紋識別系統(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、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。并將程序燒寫到芯片中，使用 串口調(diào)試軟件 SSCOM32_E666對軟件運(yùn)行過程中存在的問題進(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)比的指紋識別系統(tǒng)。 關(guān)鍵字：指紋識別；嵌入式系統(tǒng)；UART；MSP430；TA0701 Based on the Embedded 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 traditional 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 important 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 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 authentication 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 design 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 the 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, 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 implemented 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(jī)器人的市場需求 .1 1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .2 1.4 論文研究內(nèi)容及基本結(jié)構(gòu) .3 第二章 課題設(shè)計(jì)方案的選型.5 2.1 生物特征識別技術(shù)概述 .5 2.2 指紋識別技術(shù)介紹 .6 2.3 指紋采集傳感器技術(shù) .8 2.4 關(guān)于 MSP430 單片機(jī)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(tǒng)硬件的設(shè)計(jì).12 3.1 嵌入式指紋識別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) .12 3.1.1 嵌入式指紋識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng) .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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .19 3.4.1 指紋模塊電路 .20 3.4.2 FLASH 電路.20 3.4.3 電壓調(diào)整電路 .21 3.4.4U 轉(zhuǎn)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(shí)物 .24 3.6 硬件調(diào)試 .24 3.7 小節(jié) .25 第四章 嵌入式指紋系統(tǒng)軟件部分與實(shí)現(xiàn).26 4.1 整體結(jié)構(gòu) .26 4.2 軟件的總框圖 .26 4.3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .27 4.3.1 軟件主工作流程 .27 4.3.2 初始化模塊實(shí)現(xiàn) .28 4.3.3 用戶注冊模塊實(shí)現(xiàn) .29 4.3.4 指紋處理模塊實(shí)現(xiàn) .33 4.3.5 登錄 .35 4.3.6 刪除 .37 4.4 軟件調(diào)試 .38 4.4.1 程序的編譯 .39 4.4.2 程序的燒寫 .40 4.5 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(chǎn)實(shí)踐中對指紋識別系統(tǒng)的需求，隨著社會(huì)日新月異 的變化，個(gè)人身份識別在各種行業(yè)中的應(yīng)用無處不在，同時(shí)也因?yàn)橹悄芗夹g(shù)應(yīng)用的快速 發(fā)展個(gè)人身份識別的應(yīng)用變得日益增長。出于這個(gè)原因，傳統(tǒng)身份識別方法在與其相比 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)識別方法的機(jī)械鑰匙，用戶賬號 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)感覺變差，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)證操作對象并不是被識別人本身，存在很大 的缺陷而導(dǎo)致的。 因此想要解決目前出現(xiàn)的這些問題，我們要必須加強(qiáng)對用戶的身份信息的認(rèn)證。當(dāng) 今，基于生物特征的身份識別技術(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 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(fù)制的，并且是很 難在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大變化的，長時(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，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(shí)可靠性1。這種依靠人體的身體也就是這里所說的身份認(rèn)證實(shí)際上是 指通過指紋傳感器傳送指紋信息確認(rèn)相關(guān)使用者身份的過程。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)人身份信息識別方法相比較起來，生物特征的識別技術(shù)具有大量優(yōu)勢如可以隨 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 指紋識別系統(tǒng)的市場需求 當(dāng)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(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 1 征識別市場的規(guī)模已經(jīng)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 中最為高效的可以用來預(yù)防恐怖，維持穩(wěn)定的技術(shù)。目前美國，歐盟等國家已經(jīng)實(shí)施強(qiáng) 制措施對進(jìn)入該國的旅客進(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)的信息以此來保證奧運(yùn)會(huì)的安全和順利進(jìn)行。而我國也開始 重視個(gè)人信息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，將眾多復(fù)雜的功能集 成在一張卡上，這樣一來就可以大大節(jié)約學(xué)校的各種資源?；谥讣y的身份識別技術(shù)與 智能卡技術(shù)的結(jié)合使得眾多優(yōu)勢凸顯而出，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)確無誤，再者就是在快捷方面來說可以節(jié)省比對指紋的時(shí)間，而這一 切均依賴于指紋識別系統(tǒng)的應(yīng)用。 1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展十分迅猛，并且人們也越來越關(guān)注信息的安全。因此很多公 司都順勢推出了一系列關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全以及信息識別的產(chǎn)品，這類產(chǎn)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(gè)方面： 1.基于傳統(tǒng)的密碼訪問權(quán)限控制的產(chǎn)品。 在基于傳統(tǒng)的身份識別產(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，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應(yīng)用。 3. 基于指紋識別的相關(guān)產(chǎn)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(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(jīng)濟(jì)性來說是特別經(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)說明書（論文） 2 目前，基于指紋識別的認(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，市場上絕大多數(shù)的指紋產(chǎn)品沒有配備相應(yīng)的指紋采集設(shè)備。 2.指紋識別產(chǎn)品發(fā)展領(lǐng)域雖然廣泛，但是，其很少用在安全認(rèn)證的項(xiàng)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(shí)間。但是，形成指紋信息 庫對當(dāng)下來說是實(shí)現(xiàn)大型指紋識別項(xiàng)目的有力保障。但是這項(xiàng)工作目前都沒有得到相應(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)目前還沒有成形的、可行的國家標(biāo)準(zhǔn)。 考慮到基于嵌入式的指紋識別技術(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。 國際市場上有很多公司研究指紋識別技術(shù)的產(chǎn)品，在這方面歐美是引導(dǎo)者。目前， 在美國有多家公司都已經(jīng)推出了自己的指紋識別產(chǎn)品，就拿 IBM 公司來說，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)。 國內(nèi)市場上，指紋識別技術(shù)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(nèi)指紋技術(shù)發(fā)展期間，我國出現(xiàn)了技術(shù)提供者和產(chǎn)品的營銷者等4。 目前，我國的指紋識別技術(shù)發(fā)展迅猛，逐漸拉低和高技術(shù)國家的差距。 1.4 論文研究內(nèi)容及基本結(jié)構(gòu) 本選題主要來源于生產(chǎn)實(shí)踐中指紋識別系統(tǒng)的需求，隨著科技技術(shù)的發(fā)展，個(gè)人身 份識別的應(yīng)用范圍日益增大。基于傳統(tǒng)的身份識別方法的缺點(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， 對于產(chǎn)品的推廣受到了很大的局限。 本課題設(shè)計(jì)的基于嵌入式的指紋識別系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)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(wù)。 本文研究的主要內(nèi)容包含如下幾個(gè)方面： 1.對指紋傳感器的研究與應(yīng)用 2.指紋圖像識別模塊的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn) 3.身份認(rèn)證和訪問控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4.指紋識別算法的研究與應(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，通過對課題的需求進(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)說明書（論文） 3 次，在圖書館根據(jù)要求查閱有關(guān)文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識，了解所需的專業(yè)技術(shù)知識 并對產(chǎn)品有初步的設(shè)計(jì)思路。然后，在實(shí)驗(yàn)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，了解課題內(nèi)容，明確具體要求。 2.對產(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，簡介嵌入式指紋識別系統(tǒng)的研究目的和意義以及市場需求和國內(nèi)外 發(fā)展?fàn)顩r。 第二章：課題設(shè)計(jì)方案的選型，介紹了生物特征識別技術(shù)、指紋識別技術(shù)和指紋識 別系統(tǒng)的工作模式。 第三章：嵌入式指紋識別系統(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，闡述了指紋識別系統(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)說明書（論文） 4 第二章 課題設(shè)計(jì)方案的選型 2.1 生物特征識別技術(shù)概述 身份認(rèn)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(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，第一類是根據(jù)被認(rèn)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(rèn)證對象所擁有的物 品對其進(jìn)行身份識別，如身份證、護(hù)照、信用卡；第三類根據(jù)被識別對象所擁有的生物 特征進(jìn)行身份識別。 生物特征身份識別由身份驗(yàn)證和辨識兩部分組成。典型的生物特征識別系統(tǒng)如圖 2.15所示。 圖 2.1 生物特征識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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： 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，即此特征相對于時(shí)間來說是具有長久不變性的； 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(xiàn)了識別的精度； 6.可接受性，表明了當(dāng)前人們對生物特征識別技術(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 征來進(jìn)行身份信息的識別，顯然我們可以克服許多間接認(rèn)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(shù)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。 指紋識別技術(shù)目前已成為最可靠的生物特征識別技術(shù)之一，并在人們的生活的應(yīng)用 日益增多。以下對這幾種生物特征識別技術(shù)進(jìn)行了比較，如表 2.1 所示8 表 2.1 幾種生物特征識別技術(shù)的比較 Table2.1 The comparison of several kinds of biometric identification technology 生物識別技術(shù)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(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(fēng)的影響很大。指紋識別和眼睛識別有著低錯(cuò)誤率，但由 傳感器價(jià)格和儀器體積比較可知，指紋識別更易于普及。 2.2 指紋識別技術(shù)介紹 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)說明書（論文） 6 指紋識別系統(tǒng)是一個(gè)在模式識別系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證識別人的生物特征的系統(tǒng)。指 紋識別系統(tǒng)的工作模式可以分為兩類：驗(yàn)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(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：對用戶進(jìn)行指紋比對，然后判斷身份。 辨識模式：與數(shù)據(jù)庫中的指紋進(jìn)行一對一對比，找出與現(xiàn)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(yīng)用程序的重要組成部分10。拒絕識別的目的是防 止一個(gè)人具有多重身份。 指紋識別系統(tǒng)其工作流程如圖 2.311所示 圖 2.3 指紋識別系統(tǒng)工作流程 特 征 點(diǎn) 提 取 特征點(diǎn) 匹配 輸 出 顯 示 注冊 匹配 指紋圖 像采集 指紋圖 像評估 指紋圖 像預(yù)處 理 存入特 征模板 數(shù)據(jù)庫 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)說明書（論文） 7 Fig.2.3 Fingerprint identification system workflow 指紋自動(dòng)識別系統(tǒng) AFIS(Automated Fingerprint Identification System)是集模式識別， 光電技術(shù)，圖像處理，智能卡，數(shù)據(jù)庫技術(shù)于一身的綜合性技術(shù)。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,然后由指紋識別相應(yīng)的算法進(jìn)行識別和處理。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(tǒng)，一個(gè)相對獨(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識別等都可 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的器件，指紋傳感器就是其中 一種；傳感器將生物特征轉(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對幾種常見的傳感器進(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(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 較大中等 半導(dǎo)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(zhì)量較差，采集面積很長一般較低 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(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)用越來越多，因此對處理 器的各項(xiàng)性能要求更是日益提高。一貫以來，產(chǎn)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(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.隨著市場需求不斷的深入復(fù)雜，對處理器的性能和功能越來越嚴(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.對產(chǎn)品的要求更加高，產(chǎn)品更新速度快，開發(fā)所具有的時(shí)間短，同時(shí)用戶希望開發(fā) 工具簡單、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)，增加開發(fā)費(fèi)用。 4.高可靠性，產(chǎn)品的性能相對來說很穩(wěn)定，而且可以加密保護(hù)的同時(shí)又能方便升級。 現(xiàn)如今，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬泛，而其在儀器儀表中的應(yīng)用優(yōu)勢更加凸顯。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)說明書（論文） 9 UART 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(jié) 本章介紹了不同生物特征識別技術(shù)的相關(guān)知識及其優(yōu)缺點(diǎn)，并對其進(jìn)行相應(yīng)的對比， 然后介紹了指紋識別技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)，介紹了傳感器的相關(guān)知識為下章指紋傳 感器的選用做鋪墊。為后面軟件調(diào)試過程的介紹打好了基礎(chǔ)。本章還對 MSP430 單片機(jī) 相關(guān)知識做了一個(gè)簡介，為之后硬件電路的設(shè)計(jì)做了知識的儲備，緊接著對 UART 協(xié)議 做了相關(guān)介紹，這些都是讀寫器在軟件部分的設(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)說明書（論文） 11 第三章 嵌入式指紋識別系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 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(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)指紋識別系統(tǒng)。 3.1 嵌入式指紋識別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 3.1.1 嵌入式指紋識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 嵌入式指紋識別的總體設(shè)計(jì)框圖如下圖 3.1 所示： 圖 3.1 嵌入式指紋識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 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(jié)果。 3.1.2 硬件框圖 基于嵌入式指紋識別系統(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)說明書（論文） 12 圖 3.2 嵌入式指紋識別系統(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)完成對指紋的采集并對圖像進(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)字信號傳送給 MSP430 單片機(jī)進(jìn)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(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型 MSP430單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，內(nèi)部精簡指 令集的CPU通過馮.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