【文章內(nèi)容簡介】 節(jié)，即Tagtype字節(jié)；其他字節(jié)由廠商另加定義。 一體化指紋IC卡設(shè)備的設(shè)計方法一體化指紋IC卡設(shè)備是指紋識別技術(shù)和IC卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在單一設(shè)備上實現(xiàn)了指紋儀和IC卡讀寫器的功能。通過一體化指紋IC卡設(shè)備可以實現(xiàn)指紋的采集、驗證和讀寫IC卡的功能。使用指紋識別技術(shù)可以省去記憶密碼的煩惱，而且指紋的特殊性決定了更高的安全性。IC卡作為個性化數(shù)據(jù)載體及大容量內(nèi)存的優(yōu)勢，既實現(xiàn)了人物合一的真實身份認證，又滿足了各種應(yīng)用系統(tǒng)對數(shù)據(jù)載體卡片化、脫機化的需求。一般，指紋IC卡系統(tǒng)的實現(xiàn)有兩種方案：連接PC的桌面應(yīng)用系統(tǒng)和嵌入式脫機系統(tǒng)。連接PC的桌面應(yīng)用系統(tǒng)通過加裝指紋圖像采集器與IC卡讀卡器來實現(xiàn)。首先使用指紋圖像采集器讀取指紋圖像，然后由PC機處理指紋圖像并提取其特征值，最后與IC卡中的指紋特征數(shù)據(jù)進行比對完成身份認證。嵌入式系統(tǒng)是一個相對獨立的完整系統(tǒng)，它不需要連接其他設(shè)備或計算機就可以獨立完成其設(shè)計功能，像指紋IC卡門鎖、指紋IC卡考勤終端就是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的使用較為靈活，可以在很多場合應(yīng)用，而連接PC的桌面應(yīng)用系統(tǒng)需要連接計算機才能完成身份認證的功能，限制了這種系統(tǒng)在許多方面的應(yīng)用。根據(jù)IC卡中所存儲的內(nèi)容，一體化指紋IC卡設(shè)備可以有兩種應(yīng)用方式：：注冊指紋時為用戶分配相應(yīng)的ID號，IC卡中只存儲該用戶ID號，用于在指紋信息數(shù)據(jù)庫中檢索用戶指紋信息。這種方式的優(yōu)點是避免手工輸入用戶ID號的環(huán)節(jié)，使用方便、自動化程度高。并且安全性極高，因為只要數(shù)據(jù)庫不被改動便無法作弊。適用于銀行、社會保險等有完備的C/S網(wǎng)絡(luò)體系，且需要較高安全保證的行業(yè)。：發(fā)卡時將指紋數(shù)據(jù)庫中持卡人的指紋的特征信息存儲到IC卡中，驗證時將現(xiàn)場采集的持卡人指紋信息處理后直接也IC卡中的指紋信息進行比對，就可以確認持卡者是否是卡的真正主人。這種方式的優(yōu)點：驗證時不需要網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的支持，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、費用低。適用于無需網(wǎng)絡(luò)支持的身份認證業(yè)務(wù)，如電子門票、電子證件等。用指紋IC卡進行身份認證需要經(jīng)過兩個過程：發(fā)卡過程和身份認證過程。：一般由制卡中心來完成的。它首先需要通過傳感器來采集用戶的指紋圖像，這時候采集的指紋圖像一般需要對同一枚指紋采集多次，系統(tǒng)會自動選取效果最佳的一枚指紋圖像進行處理，在完成圖像增強、銳化等處理之后，就可以提取的指紋特征值，寫入到指紋IC卡中，寫入的指紋數(shù)據(jù)也稱作模板，不同的指紋算法得到的模板大小也不盡相同，但是一般不會超過1K字節(jié)大小。同時寫入的還有用戶的一些基本信息，如姓名、性別、年齡、健康情況等。在指紋IC卡的發(fā)卡過程中，提取指紋特征值時使用的算法不同，指紋數(shù)據(jù)大小也會不一樣，還會影響以后的身份認證。而且存放在指紋IC卡中的指紋模板可以有多枚，這樣做身份認證時，如果有損傷的指紋，就可以使用其它的指紋做認證，一般推薦存放拇指、食指或中指的指紋模板，也就是說，采集紋線清晰、無損傷的指紋圖像。：如果發(fā)卡時采集的是拇指、食指或者中指三枚指紋，這時候就可以任意采集持卡人的這三枚指紋中的一枚。采集完圖像之后，就需要做圖像增強、銳化等處理，處理完后就可提取該枚指紋的特征值。這時候再讀取卡中的指紋數(shù)據(jù)，就可以進行比對，通過比對結(jié)果的匹配或者不匹配判斷持卡人的合法性。如果一次不匹配，在條件允許的情況下還可以進行另一枚指紋的比對，這就可以盡量不產(chǎn)生錯誤。根據(jù)上述功能要求，系統(tǒng)的硬件部分主要包括指紋識別模塊、微處理器、IC讀卡器、電源管理器件、存儲器等。指紋識別模塊主要完成指紋的采集、驗證等操作。IC讀卡器用于讀IC卡。微處理器作為系統(tǒng)的核心?？刂普麄€系統(tǒng)，對各個部分發(fā)出指令和控制。由于指紋圖像的數(shù)據(jù)量很大，所以需要高速的通訊接口來實現(xiàn)指紋圖像的上傳，以提高指紋圖像的采集速度。USB接口具有較高的通訊速率，可以滿足大量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)靡?，并且可以提?00毫安的電流，無需外接電源適配器。本設(shè)計選用USB接口作為通訊接口。本次設(shè)計一體化指紋IC卡設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)如圖34所示。一體化指紋IC卡的使用分為發(fā)卡過程和身份驗證過程，發(fā)卡流程如圖35所示，身份驗證流程如圖36所示。按操作流程或系統(tǒng)職能，上位機軟件主要由以下幾部分構(gòu)成：；；。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，下位機軟件主要由以下幾部分構(gòu)成：微處理器與指紋芯片的通訊程序模塊：主要負責(zé)微處理器與指紋識別模塊之間數(shù)據(jù)和命令的傳輸。根據(jù)他們之間的協(xié)議，設(shè)計編寫他們之間的通訊程序。主要是微處理器向指紋識別模塊發(fā)送命令和接收指紋識別模塊執(zhí)行命令后的返回代碼。微處理器與IC卡的通訊程序模塊：要負責(zé)微處理器與IC卡之間數(shù)據(jù)和命令的傳輸。微處理器根據(jù)上位機的指令讀寫IC卡。微處理器與上位機的通訊程序模塊：負責(zé)通過USB協(xié)議實現(xiàn)上位機與下位機的通訊。第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)以LPC221ARM微處理器為核心，外圍擴展了RAM 芯片、FLASH芯片，LPC22lOARM的串口與指紋識別模塊與金屬檢測模塊相連，進行數(shù)據(jù)指令的傳送，從而完成指紋的比對、存儲，金屬物品的探測等功能。LPC221OARM的通用IO口與液晶顯示屏、鍵盤相連，完成與用戶的交互操作。另外，為完成程序的下載與調(diào)試，本文還對LPC2210RAM的JTAG調(diào)試端口進行了詳盡的闡述。圖41為本系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)圖。：實現(xiàn)對各個接口電路的控制，同時完成指紋的匹配；：完成對IC卡中數(shù)據(jù)的讀寫功能；：完成指紋圖像采集，處理及特征數(shù)據(jù)提取；：完成金屬物品的檢測；：實現(xiàn)人機接口功能；：實現(xiàn)上下位機的通信功能；：分別實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位功能和JTAG調(diào)試功能；：用于提示操作結(jié)果，當(dāng)出現(xiàn)問題時報警。 LPC2210ARM微處理器 LPC2210ARM微處理器簡介LPC2210ARM微處理器是菲利浦電子集團推出的32位ARM7TDMIS內(nèi)核微處理器產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有性能高、功耗低、運行速度快等特點，因此該產(chǎn)品在汽車電子、醫(yī)療器械、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。LPC2210AMR微處理器是基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI –S內(nèi)核的微處理器，其內(nèi)部沒有FLASH存儲器，具有16K字節(jié)的RAM存儲器。片內(nèi)128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。處理器具有兩個指令集：32位ARM指令集和16位Thumb指令集。Thumb指令集的16位指令長度使其可以達到標(biāo)準A哪代碼兩倍的密度，卻仍然保持ARM指令的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢。因此，對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低30%，而性能的損失卻很小。LPC2210ARM微處理器為144腳封裝，內(nèi)部具有2個32位定時器、4路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、9個外部中斷源、多達76個通用IO口。LPC221O內(nèi)部豐富的資源使得其非常適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、通信網(wǎng)關(guān)、嵌入式MODEM等電子產(chǎn)品的開發(fā)。LPC2210AMR微處理器具有如下特性:。ARM7系列微處理器具有功耗低、含三級 流水線結(jié)構(gòu)、代碼密度高等特點。型號ARM7DTIM 中T代表支持16位壓縮指令集 (Thmub指令集)，D代表支持片上Debug，M代表內(nèi)嵌硬件乘法器 (Mu ltiplier)，I代表支持片上斷電和調(diào)試點(ICE)。LPC2120AMR微處理器無需擴展外部ARM，內(nèi)部含 有16 K字節(jié)的RAM存儲器，此存儲器可用于臨時數(shù)據(jù)的存儲，亦可用于程序存 儲器空間，實現(xiàn)RAM中的程序調(diào)試。但用作程序存儲器時，掉電后程序?qū)G失。LPC22lO內(nèi)部無FLASH程序存儲器，若想進行產(chǎn)品的開發(fā)必須擴展外部FALSH存儲器。外部存儲器數(shù)據(jù)總線的寬度是一定的，當(dāng)LPC2210ARM微處理器與外部存儲器連接時總線的寬度必須配置成與存儲器數(shù)據(jù)總線寬度相一致。，每組的容量高達16M字節(jié)。221OARM微處理器可尋址的存儲器地址范圍為8000000OH一83FFFFFFH共64M的尋址空間，通過配置存儲器組寄存器又將此64M空間分為4段，每段即為16M的地址空間。(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)。FIASH編程時間：1ms可編程512字節(jié)，扇區(qū)擦除或整片擦除只需40ms。，扣執(zhí)行?！猂T接口使能斷點和觀察點。當(dāng)前臺任務(wù)使用片內(nèi)Real Montitor軟件調(diào)試時，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)執(zhí)行。，測量范圍在0—，可選擇由輸入引腳的跳變或定時器的匹配信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換。 LPC2210ARM微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述LPC2210ARM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖42所示，它包含一個支持仿真的ARM7TDMI –S微處理器、與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7局部總線、與中斷控制器接口的AMBA 高性能總線和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線。LPC2210ARM將ARM 7TDMIS配置為小端字節(jié)順序。AHB高性能總線外設(shè)分配了2M字節(jié)的地址范圍，它位于4G字節(jié)AMR存儲器空間的最頂端。每個AHB外設(shè)都分配了16K字節(jié)的地址空間，LPC2210ARM微處理器的外設(shè)功能都連接到VPB總線上。VPB外設(shè)也分配了2M字節(jié)的地址空間，每個VPB外設(shè)在VPB地址空間內(nèi)都分配了16K字節(jié)地址空間。片內(nèi)外設(shè)與器件引腳的連接由引腳連接模塊控制。軟件可以控制該模塊讓引腳與特定的片內(nèi)外設(shè)相連接。 系統(tǒng)電源電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的地位。一個好的系統(tǒng)電源，對整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的提高、減少系統(tǒng)故障率都有極其重要的作用。設(shè)計電源的過程實質(zhì)上是一個權(quán)衡的過程，必須考慮輸入的電壓、電流，輸出的電壓、電流、功率，功耗限制，成本限制，電磁干擾等各方面因素。本系統(tǒng)的電源設(shè)計經(jīng)過了以下幾個步驟：LPC2210ARM微處理器的電源供電需要4組電源輸入：、。因此，理想情況下電源系統(tǒng)需要提供4組獨立的電源：，他們需要單點接地或大面積接地。由于本系統(tǒng)中指紋識別模塊需要5V直流電源，因此系統(tǒng)設(shè)計還要考慮5V電源的供電。在本嵌入式指紋識別系統(tǒng)中，因未使用LPC2210ARM的A/D轉(zhuǎn)換功能，因此模擬電源和數(shù)字電源可以不分開供電。這樣需要提供5V、 三組電源。由LPC221OAMR的數(shù)據(jù)手冊可知。為了保證可靠性并為以后升級留下余量。，由于整個系統(tǒng)所消耗的電流不超過30mA，這樣， 能夠提供60mA即可。系統(tǒng)中指紋識別模塊用到5V電源，此指紋識別模塊靜態(tài)的工作電流為50mA，動態(tài)工作電流為200mA，因此5V電源需要提供的電流不應(yīng)小于50mA。因為系統(tǒng)對這三組電壓的要求比較高，且其功耗不是很大，所以不適合用開關(guān)電源，應(yīng)當(dāng)用低壓差模擬電源。合乎技術(shù)參數(shù)的低壓差模擬電源芯片很多，本系統(tǒng)采用性價比較高的SPXlll7芯片。SPXlll7是一個低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，可以用在一些高效率、小封裝的低功耗設(shè)計中。這款器件非常適合便攜式電腦及電池供電的應(yīng)用。SPXlll7有很低的靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電流減少時，靜態(tài)電流隨負載變化，并提高效率。SPXlll7輸出電壓可調(diào)節(jié)，，。低壓差電壓調(diào)節(jié)芯片SPXlll7允許輸入電壓可達20V，但太高的電壓會使芯片的發(fā)熱量上升，若系統(tǒng)散熱性能不好，會影響芯片的性能。同時，波動的電壓對輸出電壓的波動也有影響，太高的壓差也失去了選擇低壓差模擬電源的意義。這樣，就需要前級電路調(diào)整一下。本系統(tǒng)前級的輸出電壓為5V，選擇5V電壓作為前級的輸出電壓有兩個原因，其一是這個電壓滿足SPXlll7的要求，其二是本系統(tǒng)中指紋識別模塊需要5V供電，這樣SV電壓在作SPXlll7的前級電壓的同時兼作指紋識別模塊的供電電壓。根據(jù)系統(tǒng)在5V上消耗的電流和體積、成本等方面的考慮，前級電路可以使用開關(guān)電源，也可以使用模擬電源。相對模擬電源來說，開關(guān)電源效率較高，可以減少發(fā)熱量，因而在功率較大時可以減小電源模塊的體積，但電路復(fù)雜、輸出電壓紋波較大、在功率不是特別大時成本較高， 同時開關(guān)電源是一個干擾源，對其他電路有一定的影響。鑒于本指紋識別系統(tǒng)功率較小，且考慮到成本問題，因而采用了圖44所示的模擬電源設(shè)計。圖中9V電源輸入采用目前市面上常見的220V—9V變壓器，7805芯片為三端正5V穩(wěn)壓器，其內(nèi)部有過流、過載保護，且價格低廉，電路使用安全可靠。7805芯片外部接4個穩(wěn)壓電容即可為指紋識別模塊提供5V電源，同時又為SPXlll7提供前級電源。圖44 電源系統(tǒng)前級電源設(shè)計圖 系統(tǒng)復(fù)位微處理器在上電時狀態(tài)并不確定，這樣容易造成微處理器不能正常工作。為解決這個問題，所有微處理器有一個復(fù)位邏輯，它負責(zé)將微處理器初始化為某個確定的狀態(tài)。這個復(fù)位邏輯需要一個復(fù)位信號才能工作。一些微處理器自己在上電時會產(chǎn)生復(fù)位信號，但大多數(shù)微處理器需要外部輸入這個信號。因為這個信號會使微處理器初始化為某個確定的狀態(tài)，所以這個信號的穩(wěn)定性和可靠性對微處理器的正常工作有重大影響。圖45為最簡單的阻容復(fù)位電路，此電路成本低廉，但不能保證任何情況都產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的復(fù)位信號。此電路在要求不高的單片機應(yīng)用中經(jīng)常使用，但在對復(fù)位電路要求較高的應(yīng)用場合，一般都采用專門的復(fù)位芯片。如果系統(tǒng)不需要手動復(fù)位，可以選擇MAX809，如果系統(tǒng)需要手動復(fù)位，可以選擇SP708SCN。復(fù)位芯片的復(fù)位門檻的選擇至關(guān)重要，一般應(yīng)當(dāng)選擇微處理器的10口供電電壓為標(biāo)準?！?，圖45 阻容復(fù)位電路本系統(tǒng)出于系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，采用了專門復(fù)位芯片復(fù)位的方式，且具有手動復(fù)位功能。專門復(fù)位芯片采用Sipex公司的SP708復(fù)位芯片。該芯片屬于微處理器監(jiān)控器件，其集成有一個看門狗定時器，一個微處理器復(fù)位模塊，一個供電失敗比較器，及一個手動復(fù)位輸入模塊。可監(jiān)測微處理器及數(shù)字系統(tǒng)中的供電及電池的工作情況。根據(jù)SP708芯片的數(shù)據(jù)手冊，本系統(tǒng)設(shè)計的帶手動復(fù)位的復(fù)位電路如圖46所示。圖46 LPC2210ARM復(fù)位電路 天線電路設(shè)計電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的讀寫器天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向非接觸式IC卡提供電源并在讀卡器與非接觸式IC卡之間傳輸信息。因此，對讀卡器天線的構(gòu)造就有三個基本要求：首先是使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量；其次是功率要匹配