【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 波特率固定為 57600bps， 接收的數(shù)據(jù)格式如表 所示。 表 讀卡器數(shù)據(jù)格式 字節(jié) 卡號(hào)長(zhǎng)度 +5 卡號(hào)長(zhǎng)度 +44 3 2 1 數(shù)據(jù) 0X03 最大長(zhǎng)度為 10 位有效卡號(hào) 0X10 0X0B 0X02 由于不同的卡的卡號(hào)長(zhǎng)度并不一致，目前高校中卡號(hào)最長(zhǎng)為 8 位，在設(shè)計(jì)時(shí)擴(kuò)大到 10 位，這樣對(duì)于長(zhǎng)度為 10 位有效位數(shù)的卡也能正確識(shí)別。 可監(jiān)控 USB攝像頭 攝像頭主要用于采集學(xué)生的照片信息、周圍場(chǎng)景監(jiān)控等。任務(wù)管理中心使用中天凌志 帶云臺(tái)可旋轉(zhuǎn)攝像頭 ICAM01，該攝像頭具有 38W 像素，可以在遠(yuǎn)程控制旋轉(zhuǎn)、傾斜運(yùn)動(dòng)下 獲得高質(zhì)量的彩色圖像。同時(shí)，此攝像頭具有高速、在寬視場(chǎng)范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)或傾斜運(yùn)作安靜，可以快速穩(wěn)定地自動(dòng)聚焦及自動(dòng)曝光來(lái)控制背光補(bǔ)償，對(duì)于光線不好的環(huán)境同樣適用。 該攝像頭自帶云臺(tái)，可以左右旋轉(zhuǎn) 320 度，上下傾斜 60 度，視場(chǎng)范圍廣。并而完全支持 接口，可以用作視頻監(jiān)控。 對(duì)于普通采集用戶信息的攝像頭，可以使用普通免驅(qū)動(dòng)攝像頭，即方便操作，照片也清晰。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的需求分析和系統(tǒng)的大致框架構(gòu)成，通過(guò)分析，把系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：任務(wù)管理中心和端系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)比，分析了與系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的選型?；谥讣y識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 3章 任務(wù) 管理中心軟硬件分析與設(shè)計(jì) 在上一章中， 介紹了系統(tǒng)的需求分析及整個(gè)系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)。在本章中，詳細(xì)介紹任務(wù)管理中心的軟件和硬件設(shè)計(jì)，以及服務(wù)器的構(gòu)建。 任務(wù)管理中心硬件分析與設(shè)計(jì) 為了使系統(tǒng)能夠方便攜帶到任何地方，任務(wù)管理中心 可以 使用小型筆記本代替，但是目前筆記本的 USB 接口也并不多，更沒(méi)有串口。系統(tǒng)中的外設(shè)如讀卡器、指紋識(shí)別器、攝像頭的接口并不統(tǒng)一，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件對(duì)接口進(jìn)行擴(kuò)展。 系統(tǒng)啟動(dòng)工作一段時(shí)間后，可能有較長(zhǎng)時(shí)間都不進(jìn)行任何操作，為了延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命和降低功耗，在設(shè)計(jì)中采用 STC12C5A60S2 單片機(jī)進(jìn)行 外設(shè) 管理，當(dāng)系統(tǒng)在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有操作時(shí)，關(guān)閉讀卡器和指紋識(shí)別器的電源，卸載USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)；當(dāng)需要重新啟動(dòng)時(shí)，只需要輕輕按動(dòng)指定的開(kāi)關(guān)，即可打開(kāi)電源，讓系統(tǒng)繼續(xù)工作。 在系統(tǒng)的接口方面，讀卡器和指紋識(shí)別器都是通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)操作的，USB 攝像頭可以直接連接到 USB 接口。因此需要擴(kuò)展 USB 口，使用 USBHUB將 USB 擴(kuò)展到 4 個(gè)，再將其中的兩個(gè) USB 轉(zhuǎn)為串口，接照接口接入到指定的設(shè)備即可。 USBHUB 電路設(shè)計(jì) 利用 TERMINUS 公司生產(chǎn)的 芯片可以設(shè)計(jì)出高集成度、高性能、低功耗、低成本的高速 USB 轉(zhuǎn) 4 端口集線器方案。該芯片具有 28 個(gè)引腳，SSOP28 封裝，可以使 4 個(gè)端口同時(shí)全速運(yùn)作，而且發(fā)熱量很小 [8]。 具有其它同類產(chǎn)品不可超越的優(yōu)勢(shì)： 1. 省電且發(fā)熱量低。 2. 信號(hào)傳輸范圍廣，最遠(yuǎn)可以到 10 米，而同類產(chǎn)品一般都是 5 米。 3. 支持最多 5 個(gè) LED 指示燈。 4. 抗電磁波干擾、靜電能力強(qiáng)。 5. 正式通過(guò) USBIF 協(xié)會(huì)最新版的認(rèn)證芯片。 芯片的使用非常方便，只需要簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)即可以實(shí)現(xiàn)，其接口基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 電路圖如圖 所示。 圖 接口電路圖 上圖中 CH_D,CH_D+和 ZW_D,ZW_D+連接到 USB轉(zhuǎn)串口 CH340T芯片。同時(shí)提供兩個(gè)獨(dú)立的 USB 接口 USB1， USB2； J4 為進(jìn)入系統(tǒng)的 USB 接口，系統(tǒng)與 PC 機(jī)通過(guò)此接口通信。 STC12C5A60S2 電路設(shè)計(jì) STC12C5A60S2 是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘周期 (1T)的單片機(jī)，是高速低功耗、抗干擾能力超強(qiáng)的新一代 8051 單片機(jī) [9]，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的 8051，但速度快 812 倍，使用此類單片機(jī)，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1. 增強(qiáng)型 8051 CPU， 1 個(gè)時(shí)鐘周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 2. 共有 4 個(gè) 16 位定 時(shí)器，使用方便。 3. 共有兩個(gè)全雙工高速串行通信口，方便對(duì)串口編程。 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4. 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路。 系統(tǒng)中單片機(jī)的連接電路圖如圖 所示， BEEP 連接到外部蜂鳴器，CARD_RXD、 CARD_TXD 連接到一卡通讀卡器串口， JDQ 連接到 5V 繼電器，控制指紋識(shí)別模塊和讀卡器的電源， RST_ZW 連接指紋識(shí)別器的復(fù)位引腳，用于重啟指紋識(shí)別器， MCU_INT1 連接一按扭，用于外部中斷喚醒 CPU，MCU_RXD、 MCU_TXD 為單片機(jī)與 PC 通信及下載程序所用串口， Temp 連接到溫度傳感器 DS18B20。 圖 STC12C5A60S2 接口電路圖 其中繼電器工作電路如圖 所示， POW_5V 為指紋模塊和讀卡器的電源，如果繼電器關(guān)閉，則電源斷開(kāi)。圖 為單總線溫度傳感器 DS18B20 接口電路。 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 圖 繼電器工作電路圖 圖 DS18B20 接口電路圖 由于一卡通讀卡器的外部接口為標(biāo)準(zhǔn) 9 針串口輸出，在單片機(jī)的接收電路中，需要加入 RS232 協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片 MAX232[10]，該芯片接口電路簡(jiǎn)單，可以同時(shí)將兩對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其連接電路圖如圖 所示，其中 CARD_IN 為讀卡器輸入信號(hào)。 圖 RS232 協(xié)議轉(zhuǎn)換電路圖 USB轉(zhuǎn)串口電路設(shè)計(jì) CH340T 是一個(gè) USB 總線轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn) USB 轉(zhuǎn)為串口、 USB 轉(zhuǎn) IRDA 紅外或者 USB轉(zhuǎn)打印口，它具有以下一系列優(yōu)點(diǎn)。 1. 全速 USB設(shè)備接口，兼容 USB ，外圍元器件只需要晶振和電容。 2. 仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，用于升級(jí)原串口外圍設(shè)備，或者通過(guò) USB 增加額外串基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 口。 3. 與計(jì)算機(jī)端 Windows操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無(wú)需修改。 4. 硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率 50bps~2Mbps。 5. 支持常用的 MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào) RTS、 DTR、 DCD、 RI、 DSR、 CTS。 6. 支持 5V電源電壓和 。 7. 提供 SSOP20 無(wú)鉛封裝，兼容 ROHS。 系統(tǒng)中使用兩個(gè) CH340T 轉(zhuǎn)換成兩路串口，其中一路用于 STC12C5A60S2的串口 0，作為單片機(jī)的程序下載口及通信口；另一路用于與指紋識(shí)別器連接，使用 CH340T可以大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電路如圖 所示。 圖 CH340T USB轉(zhuǎn)串口電路 PCB電路板布局 任務(wù)管理中心硬件電路主要使用 8051 單片機(jī) STC12C5A60S USB 集線器、 USB 轉(zhuǎn)串口芯片 CH340T 實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單， PCB 布局時(shí)采用雙層電路板設(shè)計(jì)，雙面鋪銅。由于電路板內(nèi)要求連接 USB 差分總線，因此在布線時(shí)要盡量保證差分線等長(zhǎng) [11]，這樣抗干擾及穩(wěn)定性能都會(huì)有大大提升。 在系統(tǒng)中使用繼電器來(lái)控制指紋識(shí)別模塊和讀卡器電源，由于繼電器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾，因此在元件布局時(shí)要盡量遠(yuǎn)離高速信號(hào)線，放置在 PCB 板的邊緣處，任務(wù)管理中心 PCB整體布局效果及覆銅后效果如圖 、 所示。 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 圖 任務(wù)管理中心 PCB布局效果圖 圖 任務(wù)管理中心 PCB覆銅效果圖 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) STC12C5A60S2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 通過(guò)硬件設(shè)計(jì)，任務(wù)管理中心的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示， PC 機(jī)與外部接口只需要連接一根 USB 接口信號(hào)線，這對(duì)于目前便攜式小型電腦同樣可以使用，只需要連接上一個(gè) USB接口，即可實(shí)現(xiàn)雙方通信。 圖 任務(wù)管理中心硬件結(jié)構(gòu)圖 從上圖中可以看到，通過(guò) USB HUB 和 USB 轉(zhuǎn)串口控制器，轉(zhuǎn)為兩路串口：串口 0 和串口 1。串口 0 用于與 STC12C5A60S2 單片機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)單片機(jī)在線編程也是通過(guò)串口 0 進(jìn)行，非常方便。串口 1 直接連接到了指紋識(shí)別模塊，保證數(shù)據(jù)的高速傳輸。 由于該單片機(jī)帶有 兩個(gè)串口，其中一個(gè)串口用于與 PC 機(jī)通信及下載程序使用，另一個(gè)串口連接到一卡通讀卡器設(shè)備，通信波特率規(guī)定為 57600bps，讀卡器只讀取卡號(hào)，并把卡號(hào)發(fā)送到單片機(jī)端，單片機(jī)并不對(duì)卡號(hào)進(jìn)行任何處理，直接把數(shù)據(jù)通過(guò)串口 0 發(fā)送到 PC 機(jī)，由 PC 機(jī)進(jìn)行處理。 單片機(jī)通過(guò)對(duì)繼電器的控制來(lái)操作指紋識(shí)別和讀卡器的電源，當(dāng)繼電器斷開(kāi)時(shí)，電源關(guān)閉；當(dāng)繼電器連接時(shí)，電源打開(kāi)。單片機(jī)在下面的情況里會(huì)把接口的電源關(guān)閉。 1. 與主機(jī)通信失敗。 2. 主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有操作。 3. 主機(jī)當(dāng)前沒(méi)有使用指紋模塊、一卡通模塊。 4. 主機(jī)命令關(guān)閉外設(shè)電源。 5. 單片機(jī)非正常 工作情況。 其中與主機(jī)通信失敗和主機(jī)當(dāng)前沒(méi)有使用指紋模塊、一卡通模塊的情況是一樣的，此時(shí)單片機(jī)發(fā)送命令到主機(jī)，主機(jī)都不會(huì)響應(yīng)命令，通過(guò)設(shè)置計(jì)時(shí)器超時(shí)重發(fā)來(lái)判斷主機(jī)狀態(tài)，從而確定是否關(guān)閉電源，對(duì)應(yīng)通信協(xié)議如圖 所示；在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，監(jiān)視用戶操作，如果用戶大于一定時(shí)間基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 還沒(méi)有任何操作，通過(guò)查詢主機(jī)狀態(tài)，判斷是否關(guān)閉電源，在通信過(guò)程中如果出現(xiàn)主機(jī)超時(shí)無(wú)響應(yīng)情況時(shí)，按照超時(shí)情況進(jìn)行處理，對(duì)應(yīng)通信協(xié)議圖如圖 所示。 圖 主機(jī)通信失敗協(xié)議 圖 查詢狀態(tài)通信協(xié)議 同樣，當(dāng)系統(tǒng)處理下面情況時(shí)，單片機(jī)會(huì)把接口的電源打開(kāi)。 1. 主機(jī)請(qǐng)求打開(kāi)外設(shè)電源。 2. 用戶按鍵請(qǐng)求。 PC 主機(jī)可以通過(guò)命令請(qǐng)求打開(kāi)外設(shè)電源，單片機(jī)收到命令后進(jìn)行相應(yīng)的操作并返回狀態(tài)響應(yīng)，對(duì)于超時(shí)情況， PC 主機(jī)可以重發(fā)命令，如果重發(fā)還是接收不到響應(yīng)命令，就認(rèn)為與單片機(jī)失去聯(lián)系。 通過(guò)按鍵也可以請(qǐng)求打開(kāi)外設(shè)電源，按鍵接到單片機(jī)外部中斷請(qǐng)求 INTR1引腳，如果用戶按下按鈕，打開(kāi) LED 指示燈，再通過(guò)發(fā)送命令查詢主機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)，判斷是否需要打開(kāi)外設(shè)電源，詳細(xì)流程如圖 所示。 具體 在 配置 STC12C5A60S2 單片機(jī)時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路串口、四個(gè) 16 位定時(shí)器、外部中斷及單片機(jī)休眠模式進(jìn)行配置，其中串口 0 用于與 PC 機(jī)通信，串口 1 用于讀取一卡通讀卡器數(shù)據(jù)，由于讀卡器工作在 57600bps 波特率下，故配置串口 0、串口 1 的波特率都為 57600bps。 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 圖 用戶按鍵請(qǐng)求打開(kāi)外設(shè)電源流程圖 四個(gè)定時(shí)器的配置及功能如表 所示，從表中可以看到系統(tǒng)主要使用了單片機(jī)的定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1，其余兩定時(shí)器空閑。 表 定時(shí)器使用功能對(duì)照表 名稱 功能 配置模式 定時(shí)器 0 系統(tǒng)空閑時(shí)間計(jì)時(shí) ，超時(shí)時(shí)間計(jì)時(shí) 定時(shí)器中斷 定時(shí)器 1 串行接口 0 的波特率發(fā)生器 ,產(chǎn)生 57600bps 波特率發(fā)生器 定時(shí)器 2 空閑 未配置 定時(shí)器 3 空閑 未配置 STC12C5A60S2 單片機(jī)可以配置成休眠模式或空閑模式，在此模式下，單片機(jī)停止各引腳功能，只打開(kāi)可喚醒單片機(jī)的部分引腳功能，功耗非常低。在系統(tǒng)工作中，如果用戶長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有操作，而且通過(guò)查詢主機(jī)允許進(jìn)入休眠模式時(shí)，單片機(jī)進(jìn)行休眠模式，此時(shí)，可以通過(guò)外部按鈕重新喚醒單片機(jī)，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 基于指紋識(shí)別的 SIMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 對(duì) STC12C5A60S2 單片機(jī)主要配置代碼及相關(guān)注解如下。 void serial_port_initial() { SCON = 0X50。 //串口 1 工作在方式 1，允許接收 ,8位可變波特率，無(wú)奇偶校驗(yàn)位 S2CON= 0X50。 //串口 2 工作在方式 1，允許接收 ,8位可變波特率，無(wú)奇偶校驗(yàn)位 TMOD = 0X21。 //定時(shí)器 1 為 8 位自動(dòng)重裝計(jì)數(shù)器， 定時(shí)器 0 方式 1 TCON = 0X02。 //INT0 有中斷，并且是低電平觸發(fā) PCON = 0X00。 //SMOD 為 0 EA = 1。 //總中斷打開(kāi) ES = 1。 //允許串口 1 中斷 IE2 = 0X01。 //允許串口 2 中斷 ET0= 1。 //定時(shí)器 0 中斷打開(kāi) EX0 = 1。 //中斷 0 打開(kāi) TH1 = BPS。 //設(shè)置定時(shí)器 1 自動(dòng)重裝數(shù)， 2 個(gè)串口 TL1 = BPS。 BRT = BPS。 AUXR =0X11。 TH0 = 0XD8。 //定時(shí)器 0 初值，定時(shí) 5 分鐘進(jìn)行一次查詢 TL0 = 0X00。 TR1=1。 //定時(shí)器 1 開(kāi)始工作 TR0=0。 //定時(shí)器 0 計(jì)數(shù) } 遠(yuǎn)程服務(wù)器搭建 為了共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，增加系統(tǒng)并發(fā)用戶數(shù)，設(shè)計(jì)中把系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)安裝在遠(yuǎn)程一服務(wù)