【正文】 29 參考文獻(xiàn) [1]田捷，楊鑫．生物特征識(shí)別技術(shù)理論與應(yīng)用 [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2020． [2]Biometrie Market Report 2020— 2020． [3 [4]劉少聰．新 指紋學(xué)．安徽：安徽人民出版社， 1984． [5]劉文星，王肇圻，母國(guó)光．紋線跟蹤及其在細(xì)化指紋后處理中的應(yīng)用 [J]．光電子 ,激光， 2020， 13(2)： 184~187． [6]謝立鋒 ,陳靈梟 .淺談指紋識(shí)別基本原理 [J].技術(shù)與市場(chǎng) ,:4445 [7]郭桂容．模糊模式識(shí)別 [M]．長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社， 1993． [8]林國(guó)清，李見(jiàn)為，王崇文．指紋圖像預(yù)處理方法的研究 [J]．光電工程， 2020， 29(5)：56— 58 [9]林國(guó)清，李見(jiàn)為，王崇文．指紋圖像預(yù)處理方法的研究 [J]．光電工程， 2020， 29(5)：56— 58． [10]王業(yè)琳 ,寧新寶 ,尹義龍 .指紋圖像細(xì)化算法的研究 [J].南京大學(xué)學(xué)報(bào) :自然科學(xué)版 ,2020,39(4):469475 [11]耿德英 ,陳志敏 ,陳梅琴 .圖像處理在指紋識(shí)別中實(shí)踐 [J].西昌學(xué)院學(xué)報(bào) ,(4):727 [12]喬治宏．基于細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的指紋特征提取及匹配算法研究 [D][碩士學(xué)位論文 ]．北京：北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 .2020， 5． [13]沈?qū)W寧．從指紋的原灰度圖像上識(shí)別細(xì)節(jié)特征 [J]．模式識(shí)別與人工智能， I989，2(4)： 53~57． [14]馬笑瀟．指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù) —— 方向圖 [J]，重慶大學(xué)學(xué)報(bào)， 2020，24(3).9194． 30 附 錄 一 附 錄 二 。這樣的設(shè)計(jì)思路使我們對(duì)指紋識(shí) 別原理和過(guò)程有了充分的認(rèn)識(shí)。 本文主要介紹設(shè)計(jì)指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件的過(guò)程，提出了以 MCU 和指紋識(shí)別模塊建立主從機(jī)通信模式，來(lái)完成指紋識(shí)別過(guò)程的設(shè)計(jì)思路。 構(gòu)建指紋識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵 [22]是在指紋算法的研究，但是目前的指紋算法在準(zhǔn)確性和速度上還沒(méi)不能滿足一些實(shí)際的應(yīng)用需求。 在調(diào)試通了每一塊電路之后，整個(gè)電路板也就調(diào)通了，剩下的工作就是配合軟件部分就可以完成整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。 （ 4） 蜂鳴器 最后調(diào)試的是蜂鳴器，寫入測(cè)試程序后蜂鳴器沒(méi)有鳴叫。經(jīng)分析和嘗試得出，是上拉電阻太小的原因。至此該部分調(diào)通，可以進(jìn)行程序下載。 （ 2） 串口的接口 把電路調(diào)了之后發(fā)現(xiàn)串口部分仍然不能工作，仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)原來(lái)在封裝接口的時(shí)候，封裝出現(xiàn)問(wèn)題，把管腳號(hào)順序接錯(cuò)了。 再 檢測(cè)出斷線的部分。表現(xiàn)為串口電路不工作。 制作和調(diào)試 27 制作電路板的過(guò)程這里就不做過(guò)多介紹，主要介紹板子做出來(lái)后調(diào)試遇到的問(wèn)題。折線，以減小高頻信號(hào)的輻 射。 ③ ．盡可能采用 45186。 ② ． 預(yù)先對(duì)要求比較嚴(yán)格的線（如高頻線）進(jìn)行布線，輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。 布線要求 ① ．一般情況下，首先應(yīng)對(duì)電源線和地線進(jìn)行布線，以保證電路板的電氣性能。 D 相同結(jié)構(gòu)電路部分，盡可能采用 “對(duì)稱式 ”標(biāo)準(zhǔn)布局 。 C 布局應(yīng)盡量滿足以下要求 :總的連線盡可能短，關(guān)鍵信號(hào)線最短 。 第 4 章 硬件電路制作和調(diào)試 繪制 PCB 板 布局要求 A 遵照“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件應(yīng)當(dāng)優(yōu)先布局。 26 圖 17 MAX232引腳圖 綜合上述各部分電路， 通過(guò)整合起來(lái)完成了指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和制作。工作溫度范圍為 0℃至70℃。這些接收器具有 1. 3V 的典型門限值及 0. 5V 的典型遲滯，而且可以接收士 30V 的輸入。 MAX232 是一種雙組驅(qū)動(dòng)器 /接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在 單 5V 電源供電時(shí)提供 EIA/T 工 A232E 電平。這里三極管起到開(kāi)關(guān)和電流放大作用。 圖 14 液晶驅(qū)動(dòng)電路 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路 蜂鳴器采用的是有源蜂鳴器，蜂鳴器起到提醒報(bào)警作用，由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的 I/O 口是無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來(lái)放大電流就可以了。 23 圖 12 按鍵電路 模式指示燈 圖 13 指示燈 因?yàn)橐壕б獙?shí)時(shí)的顯示指紋識(shí)別的過(guò)程，所以工作模式是由 2 個(gè)指示燈來(lái)完成指示，通過(guò)軟件編寫其亮的方式和組合來(lái)指示各種工作狀態(tài)。 功能選擇電路 該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋錄入，指紋比對(duì)，指紋清除的功能選擇，工作過(guò)程是，單片機(jī)檢測(cè)到有相對(duì)的按鍵按下時(shí)，進(jìn)入相應(yīng)的工作的模式。而按鍵的時(shí)間肯定超過(guò) 2 個(gè)機(jī)器周期 2ms。一個(gè)單片機(jī)，配其必需的外圍電路包括電源，復(fù)位，晶振，然后有一個(gè)簡(jiǎn)單的啟動(dòng)程序，即構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。 最小系統(tǒng)電路 所謂的系統(tǒng)就是可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)某些特定功能的一個(gè)產(chǎn)品。電源選擇 DC5V供電。最簡(jiǎn)單的通訊僅需 TXD 及 RXD 及 SG 最基本的信號(hào)線完成，其他的握手信號(hào)可以做適當(dāng)處理或直接懸空。 2． RS232C 接口功能特性及連接 使用 9 針或 25 針的連接器將 RS232C 串行口的信號(hào)傳送到其他通訊設(shè)備，連接器各信號(hào)線定義及功能如表 5。因此一些生產(chǎn)廠家對(duì) RS232C 標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械特性進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使用 9 針標(biāo)準(zhǔn)連接口，即使用 DB9 型連接器。 RS232C 規(guī)定使用 25 針標(biāo)準(zhǔn)連接口，采用 DB25 型連接器。通常采用的元器件為 MC1489，MC1488 實(shí)現(xiàn) TTL/CMOS 電平與 RS232C 電平的轉(zhuǎn)換 [8]。 1． RS232C 通訊協(xié)議 RS232C 的每個(gè)腳線的信號(hào)和電 平 規(guī)定采用負(fù)邏輯電平， DC (15V~5V )規(guī)定為邏輯“ 1”， DC(+5V~+15V)規(guī)定為邏輯“ 0”， DC(5V~+5Y)規(guī)定為過(guò)渡區(qū)。 單片機(jī)和 PC 機(jī)的通信 大多數(shù)的計(jì)算機(jī)設(shè)備都具有 RS232C 串行通訊接口，盡管它的性能指標(biāo)并非很好，但是 RS232C 借助與并行通訊口相比更多的寄存器，使用這些寄存器實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳送及 RS232C 設(shè)備之間的握手與流量控制。在單片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)串行通信 I/O 部件 UART，支持全雙工串行通信，通過(guò)編程可以將 8位字節(jié)數(shù)據(jù)寫入 UART 中， UART 自動(dòng)將改接的 8 位二進(jìn)制數(shù)變成串行數(shù)據(jù)，在不同時(shí)刻從 TXD 引腳輸出發(fā)送；同時(shí)對(duì)于不同時(shí)刻從引腳 RXD 輸入的串行數(shù)據(jù)， UART自動(dòng)變換成字節(jié)，可以編程讀取后進(jìn)行處理。異步通信是以字符（構(gòu)成的幀）為單位進(jìn)行傳輸，字符與字符之間的間隙（時(shí)間間隔）是任意的，但每個(gè)字符中的各位是以固定的時(shí)間傳送的，即字符之間是異步的（字符之間 20 不一定有“位間隔”的整數(shù) 倍 的關(guān)系），但同一字符內(nèi)的各位是同步的（各位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍 。此時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時(shí)傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關(guān)系，也保持字符同步關(guān)系。 通訊還有同步和異步之分。串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)地傳送。并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時(shí)進(jìn)行傳送。 通訊協(xié)議 單片機(jī)和 FM180 的通信 通信有并行通信和串行通信兩種方式。 FM—180 該模塊的市場(chǎng)價(jià)格在 200 元左右，雖然仍然很貴，但是同比市場(chǎng)上的指紋采集部分的芯片，它的性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。這些操作都是通過(guò)單片發(fā)送指令完成的。并且它的信號(hào)線就 4根，電源線，地線， TXD，RXD 使用起來(lái)非常 方便。該模塊集成了圖 8 所示的指紋采集和指紋存儲(chǔ)，并且能夠完成指紋特征提取，比對(duì)，驗(yàn)證等功能。 FS200 這片指紋傳感器價(jià)格相當(dāng)昂貴，零售價(jià)在 300 元以上，綜合上述原因，該方案可行性低。主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)采用的是串行通信耗時(shí)更是遠(yuǎn)大于 8 秒。 19 通過(guò)分析該方案較為繁瑣，其中涉及到多機(jī)通信的問(wèn)題，以及速率傳輸?shù)膯?wèn)題。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 9： 圖 9方案三硬件 結(jié)構(gòu)框圖 工作過(guò)程： 當(dāng)有手指按在傳感器上時(shí)， FPS200 給主機(jī)一個(gè)中斷信號(hào)，開(kāi)始傳送經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)化的指紋數(shù)據(jù)，接著把接收的數(shù)據(jù)通過(guò)串行通信的方式傳送到從機(jī) 1，從機(jī) 1 把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 RAM 中；接著從機(jī) 1 就處理指紋數(shù)據(jù)，最后又把處理后的指紋數(shù)據(jù)傳給從機(jī) 2 寫入 SRAM 中固化下來(lái)，形成一個(gè)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題就是不能同時(shí)選中 FPS200 和存儲(chǔ)器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 通過(guò) FPS200 采集出來(lái)的一個(gè)指紋大小大概在 75KB 左右，而 51 單片機(jī)最多片外擴(kuò)展 64KB。豐富的接口方式方便了指紋傳感器的調(diào)試和使用。 FPS200 是由256*300 的傳感器陣列組成的，支持三種數(shù)據(jù)傳輸方式： 8位的系統(tǒng)總線、集成的全速 USB 和集成 的 SPI。所以該方案雖然可以節(jié)約成本，但是具體實(shí)行難度頗大。后來(lái)我們?nèi)y(cè)試，唯一確定的是電源線和地線， 8根數(shù)據(jù)線，剩下的控制信號(hào)線，不能確定其作用。 （ 1）方案一 指紋采集部分是采用指紋考勤機(jī)易通 R58A 的光學(xué)采集頭 OV7620，由于是采用的是從廢舊指紋考勤機(jī)拆解下來(lái)的采集頭，通過(guò)觀察，該采集頭共有 16跟輸入輸出線。根據(jù)設(shè)計(jì)題目基于單片機(jī)的指紋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可知，系統(tǒng)采用的是單片機(jī)最為控制器件，對(duì)比 DSP、FPGA 它具有低功耗、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。至于 關(guān)鍵的指紋采集和指紋存儲(chǔ)，它的選擇直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效果，下一節(jié)將介紹有關(guān)于這方面的選擇，這里就不做介紹。電源采用市場(chǎng)上市電轉(zhuǎn) 5V的直流電源。 系統(tǒng)硬件概述 指紋識(shí)別系 統(tǒng)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、指紋采集部分、指紋存儲(chǔ)部分、液晶顯示部分、 蜂鳴器、 通信 電路、 按鍵和電源組成?？臻e狀態(tài)時(shí)， CPU 暫停工作，中斷系統(tǒng)、串口及定時(shí)器模塊繼續(xù)工作。通過(guò)集成指紋識(shí)別模塊，可以構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的指紋識(shí)別系統(tǒng)，完成上述功能。 *注釋 3：如背光和模塊共用一個(gè)電源，可以將模塊上的 JA、 JK用焊錫短接。 模塊接口說(shuō)明 液晶管腳功能表 管腳號(hào) 管腳名稱 電平 管腳功能描述 1 VSS 0V 電源地 2 VCC +5V 電源正 3 V0 對(duì)比度（亮度）調(diào)整 16 4 RS(CS） H/L RS=“H”, 表示 DB7—— DB0 為顯示數(shù)據(jù) RS=“L”, 表示 DB7—— DB0 為顯示指令數(shù)據(jù) 5 R/W(SID) H/L R/W=“H”,E=“H”, 數(shù)據(jù)被讀到 DB7—— DB0 R/W=“L”,E=“H→L”, DB7 —— DB0 的數(shù)據(jù)被寫到 IR 或 DR 6 E(SCLK H/L 使能信號(hào) 7 DB0 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 8 DB1 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 9 DB2 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 10 DB3 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 11 DB4 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 12 DB5 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 13 DB6 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 14 DB7 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 15 PSB H/L H： 8 位或 4 位并口方式， L：串口方式（見(jiàn)注釋1） 16 NC 空腳 17 /RESET H/L 復(fù)位端，低電平有效（見(jiàn)注釋 2） 18 VOUT LCD 驅(qū)動(dòng)電壓輸出端 19 A VDD 背光源正端（ +5V）（見(jiàn)注釋 3） 20 K VSS 背光源負(fù)端（見(jiàn)注釋 3） 表 4 12864引腳功能 *注釋 1：如在實(shí)際應(yīng)用中僅使用串口通訊模式，可將 PSB 接固定低電平，也可以將模塊上的 J8和 “GND” 用焊錫短接。也可完成圖形顯示?？蓸?gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。內(nèi)部自帶中文字庫(kù)，其顯示分辨率為 128 64，內(nèi)置 8192 個(gè) 16 16 點(diǎn)漢字，和 128 個(gè) 16*8 點(diǎn) ASCII 字符集。主機(jī)必須按照規(guī)定的格式封裝要發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)，也必須按規(guī)定的格式解析收到的數(shù)據(jù)包。 FM180 是完整的指紋識(shí)別模塊，不需掛接任何外圍部件，模塊始終處于從屬地位（ Slave mode），主機(jī)（ Host）需要通過(guò)不同的指令讓模塊完成各種功能。上位機(jī)可以通過(guò) PS_WriteNotepad 指令和 PS_ReadNotepad 指令訪問(wèn)任意一頁(yè)。內(nèi)部與電源地連接。 TTL 邏輯電平。 TTL 邏輯電平。用戶無(wú)特殊要求時(shí)，所提供的用戶接口引線長(zhǎng)度為 150mm。 系統(tǒng)參數(shù)： F— 180 性能參數(shù)表 序號(hào) 指標(biāo)項(xiàng)目 技術(shù)參數(shù) 測(cè)試條件