【正文】 通信方式顯的至關(guān)重要。之所以優(yōu)選了紅外通信方式，可以從以下幾個(gè)方面談：① 通信速率上，紅外通信有其自身的優(yōu)勢(shì)。藍(lán)牙技術(shù)，描述了傳輸速率達(dá)1Mbps 的通信方案；通用無(wú)線電通信通信速率往往較低。藍(lán)牙通信因?yàn)椴捎昧颂?頻技術(shù)，并采用了復(fù)雜的協(xié)議作保障，因而傳輸?shù)目煽啃员容^高。③ 安全性上，紅外通信也占據(jù)了有利的優(yōu)勢(shì)。藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)成：在有效的范圍內(nèi)，任何運(yùn)行中藍(lán)牙產(chǎn)品均可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相互之間的連接。鑒于此，采用紅外通信有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。本系統(tǒng)中，紅外通信已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)通信距離的需求。用于紅外通信的紅外發(fā)光管，工作功率大都不到 ；而藍(lán)牙通信的需求功率普遍要高于這個(gè)值；通用無(wú)線電功率 要求大多較高。 MCU 的選型在嵌入式設(shè)計(jì)中，將決定著開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具、以及開(kāi)發(fā)平臺(tái)的異同。因此，MCU的選型與 確定在嵌入式開(kāi)發(fā)中具有舉足輕重的地位。其中有：最流行、最普遍的 8 位單片機(jī)（如 MCS51 系列），功能強(qiáng)大的 Power PC嵌入式微處理器，綜合性能突出的AVR 系列嵌入式微控制器，性能穩(wěn)定可靠的68HC0X 系列嵌入式微控制器，以及 PIC 系列嵌入式控制器，TMS320C2000/5000 系列數(shù)字信號(hào)處理器；16 位MCS96 系列嵌入式微控制器，16位68HC16系列嵌入式微控制器；功能卓越的32位386EX系列嵌入式微處理器，電源效率高、功能強(qiáng)、應(yīng)用越來(lái)越廣泛的 32位 ARM 系列嵌入式微處理器等。要選擇一款合適的嵌入式 MCU 往往從以下幾個(gè)方面來(lái)綜合考慮：首先，選嵌入式MCU的位數(shù)，通常位數(shù)高低的選擇一般根據(jù) MCU 所需要處理數(shù)據(jù)的速度和數(shù)據(jù)量的大小決定；其次選嵌入式 MCU 的技術(shù)支持，是否有便于設(shè)計(jì)和調(diào)試的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是不是有比較好的調(diào)試方法及調(diào)試工具；再者選嵌入式 MCU 的集成外設(shè)，能否最大限度的減少周?chē)涌陔娐返膹?fù)雜性；此外，還應(yīng)該注意選 MCU 的生命力與以后的發(fā)展空間等。MCS51系列單片機(jī)指令是面向硬件的代碼效率高，運(yùn)行速度快，綜合性能強(qiáng)；Intel公司自1976年推出8位單片機(jī)之后，至今不過(guò)20多年的時(shí)間，他們的產(chǎn)品就遍及世界各地，銷(xiāo)售居各復(fù)單片機(jī)生產(chǎn)公司之首。例如MCS51系列中8052/8032是分別把8051/8031的片內(nèi)RAM和ROM增大一倍，同時(shí)把16位計(jì)數(shù)器增為3個(gè)，這些改進(jìn)型產(chǎn)品一方面是根據(jù)當(dāng)時(shí)集成電路的工藝水平，但主要還是采納用戶反饋的信息加以研制的。 在基于 MCS51 體系結(jié)構(gòu)的嵌入式 MCU 中，我們優(yōu)選了Atmal的8位Flash　AT89系列的AT89C2051嵌入式微處理器。AT89C2051()是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory），高性能CMOS8位微處理器，而且只有20只引腳，體積小，便于使用和攜帶。由于將多功能8位MCU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。并以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能,小體積，與低功耗。由于采用嵌入式設(shè)計(jì)，并采用紅外通信作為系統(tǒng)的無(wú)線通信方式，使得系統(tǒng)具有極高的安全特性的同時(shí)，也具有極強(qiáng)的可靠性。由于采用了基于活體指紋識(shí)別技術(shù)的指紋模塊，使得系統(tǒng)具有更高的安全特性；這是采用干指紋所不能比擬的。功耗低。人機(jī)界面友好。 方案的綜合論證 市場(chǎng)分析本系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)，在保證系統(tǒng)綜合性能的前提下，極大的降低了系統(tǒng)的制造成本以及用戶的使用成本，這將大大提高整個(gè)系統(tǒng)的性 能價(jià)格比，使得本系統(tǒng)擁有廣泛的市場(chǎng)前景。 嵌入式設(shè)計(jì)引起社會(huì)的極大關(guān)注雖只是近兩年的事，但其廣泛認(rèn)可的發(fā)展 歷史，已近 33 年。此外，這些年來(lái)，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)各式各樣的性能杰出、運(yùn) 行可靠的嵌入式微處理器以及周?chē)娐方涌冢o嵌入式開(kāi)發(fā)提供了廣泛選 型的空間。本方案中優(yōu)選的杭州中正科技有限公司的 SM2B 系列指紋識(shí)別模塊，認(rèn)假率和拒真率都非常低，且運(yùn)行速度快，完全可以滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指標(biāo)需要。對(duì)于紅外通信技術(shù)，目前已經(jīng)比較成熟。此外，市場(chǎng)上已經(jīng)可以很方便的 買(mǎi)到各式各樣的、用于紅外通信的紅外發(fā)射管和接收管，而且廉價(jià)，可靠。 開(kāi)發(fā)環(huán)境的分析開(kāi)發(fā)環(huán)境上，已經(jīng)有很多針對(duì) MCS51的性能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，如KT900 與 WAVE，支持最新的Keil C51軟件等。而且，在調(diào)試測(cè)試手段上，MCS51的版本通常都可以在WAVE Lab2000P系列單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試支持；使得調(diào)試測(cè)試有法可依。通過(guò)以上多方面的綜合論證，可以看出，本設(shè)計(jì)方案無(wú)論是在市場(chǎng)效益上，還是在技術(shù)條件、開(kāi)發(fā)環(huán)境的支持上，均是可行性的。因此，在嵌入式設(shè)計(jì)中，必要的試驗(yàn)是難免的；同時(shí)，這也是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)順利進(jìn)行的基本保障。 　電視遙控器紅外接收實(shí)驗(yàn) 為了更好的體會(huì)紅外通信的機(jī)理，把握紅外通信的關(guān)鍵，我們首先做了電視遙控器紅外接收試驗(yàn)。 a　通用紅外電視搖控器　　　　　　　　　 b 與電腦相連的接收電路　通用紅外電視搖控器實(shí)驗(yàn)電路試驗(yàn)結(jié)論：通過(guò)電視遙控器的紅外接收試驗(yàn)可知，在通用遙控器9m、60176。 　自制調(diào)制型紅外通信試驗(yàn) 為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高速率的紅外通信，我們利用調(diào)制解調(diào)的機(jī)制，做了基于VD5026產(chǎn)生編碼信號(hào)再利用555定時(shí)器產(chǎn)生38KHz調(diào)制的紅外通信。 　　　　　　　 　　紅外調(diào)制發(fā)射電路試驗(yàn)結(jié)論：本次紅外試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)真正意義上的紅外通信；通過(guò)調(diào)制型的紅外通信試驗(yàn)可知，利用紅外發(fā)光管與帶解調(diào)的紅外接收管，運(yùn)用調(diào)制解調(diào)的機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)10m以內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸；輔助必要的硬件機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的紅外通信；紅外通信的有效距離與紅外數(shù)據(jù)傳輸速率、發(fā)射管的發(fā)射功率、以及單次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間長(zhǎng)短有密切關(guān)系；傳輸速率越低，通信距離越遠(yuǎn)；單次傳輸時(shí)間越短，則通信距離越遠(yuǎn)，傳輸速率越高；通過(guò)將長(zhǎng)串?dāng)?shù)據(jù)分段簡(jiǎn)寫(xiě)式傳輸?shù)姆绞?，可以?shí)現(xiàn)的紅外通信的距離越遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速率越高。 4 硬件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，硬件被看作基礎(chǔ)，軟件被識(shí)為靈魂。由于嵌入式系統(tǒng)具有軟硬件可裁減的基本特征，在嵌入式系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)地位尤其突出：硬件系統(tǒng)的確定，直接決定著軟件的編寫(xiě)；在嵌入式設(shè)計(jì)中，要求硬件工程師要有軟件設(shè)計(jì)的思想，就是強(qiáng)調(diào)嵌入式設(shè)計(jì)中硬件與軟件的密切相關(guān)性。 總體設(shè)計(jì) 指紋遙控器要能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾個(gè)基本功能：利用指紋模塊識(shí)別用戶身份，讓合法的用戶能夠進(jìn)行相應(yīng)的操作；通過(guò)用戶的密碼進(jìn)一步確認(rèn)用戶身份，從而讓合法的用戶能夠進(jìn)行相應(yīng)的控制操作；能夠給用戶提供相關(guān)的輸入接口，并能給用戶操作及用戶所處的狀態(tài)給予相應(yīng)的指示；能夠讓合法的用戶以紅外通信的方式向保險(xiǎn)柜控制器發(fā)送“開(kāi)門(mén)”等高級(jí)命令。 基于MCS51系列的8位微處理器，通用性能一般都比較出眾，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求的控制功能。 功能電路的實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)確定之后，如何實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊電路，成為硬件設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 。具體需求如下： （。指紋識(shí)別模塊SM2B：工作電壓，177。紅外發(fā)射管：正向電流，100mA；正向峰值電流，200mA，消耗功率，P≤210mW； ②電源管理電路的實(shí)現(xiàn) 圖中經(jīng)電源輸入后，經(jīng)限流電阻R整流二極管D1和穩(wěn)壓管Z1提供基本恒定的電壓。 電源管理電路 紅外發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì) ①紅外發(fā)射電路考慮到通信距離和實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)基于UART的紅外通信的紅外發(fā)射電路。這種設(shè)計(jì)模式實(shí)際上是紅外通信原理與串口通信機(jī)制的有機(jī)結(jié)合。TXD為串口發(fā)送口。TL0038是黑色環(huán)氧聚光透鏡，濾除了可見(jiàn)光的干擾。 當(dāng)紅外線發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)空間傳送到TL0038時(shí)，它內(nèi)部的PIN紅外線接收管將紅外線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)選頻放大、解調(diào)后由1腳輸出與TTL電平兼容的電信號(hào)，該信號(hào)可以直接送入微處理器進(jìn)行處理。 (a) 已調(diào)制紅外信號(hào) 　(b) TL0038輸出信號(hào) 指紋模塊接口電路設(shè)計(jì) 在本方案中，采用的指紋模塊為串行傳送方式，為了便于電源的管理，我們優(yōu)選了基于89C2051的中斷口INT0作為輸入口的UART的通信機(jī)制，進(jìn)行指紋模塊的接口設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，主要指用戶鍵盤(pán)輸入與系統(tǒng)相關(guān)指示顯示。 ①用戶按鍵電路考慮到用戶的需要，同時(shí)考慮系統(tǒng)的體積限制，我們?cè)O(shè)計(jì)了“關(guān)門(mén)”、“開(kāi)門(mén)”、以及兩個(gè)備用功能選擇鍵。 接收顯示電路 接收端備用存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì) 為了獲得用戶最有效的信息，并將之用于系統(tǒng)的識(shí)別與控制，我們?yōu)橄到y(tǒng)添加了備用基于IIC的EEPROM存儲(chǔ)電路。 　存儲(chǔ)電路 其余輔助功能電路的設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中，其余輔助功能電路主要指系統(tǒng)時(shí)鐘電路與系統(tǒng)復(fù)位控制電路。 考慮到系統(tǒng)的工作特征。 實(shí)用電路板設(shè)計(jì) 實(shí)用電路板的設(shè)計(jì)包括指紋遙控器的外型選擇，人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì)與板型的確定，電路板的優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。 依據(jù)這幾個(gè)根本原則，我們決定：依照市場(chǎng)上隨處可以買(mǎi)到的普通電視遙控器，設(shè)計(jì)指紋遙控器的板型。 人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì) 人機(jī)交互接口是指紋遙控器的重要組成部分。因此，人機(jī)交互接口的設(shè)置應(yīng)該在電路板元件擺放的最前邊，以便設(shè)計(jì)出便于使用的人機(jī)交互接口。根據(jù)具體需要，設(shè)置好人機(jī)交互接口的電路板原始圖樣如附錄三。Protel99Se提供了板圖設(shè)計(jì)功能，包括自動(dòng)布線和器件自動(dòng)擺放功能。電路板圖參考附錄三。 控制功能主要包括：系統(tǒng)的復(fù)位，用戶指紋的登錄，用戶指紋的比對(duì)，模板的生成與提取，模板的刪除，鍵盤(pán)的輸入控制，用戶密碼的生成、比對(duì)、和修改，開(kāi)門(mén)控制指令的生成與發(fā)送，關(guān)門(mén)及緊急關(guān)門(mén)命令的生成與發(fā)送，系統(tǒng)狀態(tài)的指示等。 依據(jù)軟件的基本需求。①指紋的識(shí)別與指紋登錄設(shè)計(jì) 指紋搜索與比對(duì)是對(duì)已登錄過(guò)的用戶的身份識(shí)別過(guò)程。一旦用戶登錄成功，那么這個(gè)用戶將被認(rèn)為是合法的用戶，可以使用指紋遙控器對(duì)保險(xiǎn)柜發(fā)送一些高級(jí)命令，如“開(kāi)門(mén)”；直到這個(gè)用戶的登錄信息——即模板被刪除，該用戶將不再允許使用高級(jí)命令。沒(méi)有成功登錄的用戶，將設(shè)計(jì)成不允許使用高級(jí)命令。一個(gè)指紋遙控器只有一個(gè)超級(jí)用戶模板。（在這只設(shè)置了兩個(gè)用戶）。 等待地址碼第一位的高電平信號(hào) LCALL DELAY2 。 　JNC AGAIN1 。 檢測(cè)到高電平1的話延時(shí)1毫秒等待脈沖高電平結(jié)束AGAIN1: MOV A,R1 。 指紋檢測(cè)完畢進(jìn)入用戶選擇 MOV A,70HCJNE A,01H,T1　　 ；是否用戶1？是打開(kāi)控制程序，否則轉(zhuǎn)到用戶2SETB EX1SJMP EXIT1T1:CJNE A,02H,EXIT1　 ；是否用戶2？是打開(kāi)控制程序，否則退出SETB EX1　　　　　　 ；給出15秒用戶控制時(shí)間MOV 30H,80H MOV R4,255 MOV R5,255EXIT1: SETB EA POP PSW POP ACC RETI②紅外發(fā)射軟件設(shè)計(jì) 指紋遙控器正是通過(guò)紅外通信的方式才與主機(jī)取得聯(lián)系的。紅外發(fā)送程序設(shè)計(jì)如下： MOV A,P1　　　　 ；當(dāng)用戶通過(guò)驗(yàn)證后，讀入用戶操代碼 ANL A ,3cHMOV SBUF,A　　??；通過(guò)串口發(fā)送用戶的操作代碼 JNB TI,$ CLR TI CJNE A,3cH,AG 。 LOOP:　　　　　　?。辉谟脩粽_進(jìn)入之后等待15秒 DJNZ R5,$Y2:DJNZ R4 ,LOOP DJNZ 30H, Y2　?。蝗绻?5秒之后就自動(dòng)退出 CLR 　　　??；控制燈滅 CLR 　 　??；退出時(shí)關(guān)門(mén) CLR EX1　　　??；關(guān)閉用戶控制程序 CLR TR0　　　?。魂P(guān)閉編碼發(fā)送程序 SJMP LOOP??；　接收模塊程序設(shè)計(jì)①用戶身份再識(shí)別，當(dāng)指紋搖控器允許發(fā)送后，在接收端再對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行第二次鑒定。 TR0=1。 RI=0。amp。 RI=0。amp。amp。 RI=0。amp。amp。amp。 RI=0。 } if(R0==0xffamp。R1==0xaaamp。R2==0x55amp。R3==0x03amp。ch!=0)　//設(shè)置的用戶身份全部通過(guò)就可以進(jìn)入開(kāi)門(mén)控制程序，否則退出②開(kāi)門(mén)控制的設(shè)計(jì) 開(kāi)門(mén)控制設(shè)計(jì)成：用戶身份被確認(rèn)合法時(shí)，允許用戶通過(guò)按動(dòng)“開(kāi)門(mén)”命令鍵的方式，使指紋遙控器向保險(xiǎn)柜控制器發(fā)送一串包含用戶信息和“開(kāi)門(mén)”控制命令的有效的指令信息；此命令只有通過(guò)指紋遙控器身份識(shí)別的高級(jí)用戶才可以使用，實(shí)現(xiàn)程序框架如下： if(R0==0xffamp。R1==0xaaamp。R2==0x55amp。R3==0x03amp。ch!=0) { if(ch==0x04) 　　　　//接收正確 { password=x24c02_read(2)?！　　　　　　?/進(jìn)行15秒記時(shí) P1_2=1。 } goto exit。 if (C15s == 0) { C15s = Tick。 TL0 = T277us。 　　　　　　　　　//15秒后關(guān)閉功能 }}6 調(diào)試與測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必須過(guò)程，是其中一個(gè)重要的組成部分。 對(duì)于指紋遙控器，其調(diào)試與測(cè)試過(guò)程大概可以分為：系統(tǒng)硬件測(cè)試，指紋模塊通信的調(diào)試與測(cè)試，指紋遙控器系統(tǒng)的單機(jī)調(diào)試與測(cè)試，指紋遙控器與嵌入式保險(xiǎn)柜的聯(lián)機(jī)調(diào)試與測(cè)試等四個(gè)組成部分。如果硬件尚未測(cè)試，就將軟件移置到系統(tǒng)中進(jìn)行綜合測(cè)試，那將是難以想象的。 指紋遙控器硬件系統(tǒng)的測(cè)試可以分為：目測(cè)，電氣檢查，簡(jiǎn)單程序的試用等三個(gè)組成部分。在這里，應(yīng)該根據(jù)具體的問(wèn)題情況給予必要的補(bǔ)救措施。 接著應(yīng)該