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串口通信;
单片机控制
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyFANChun-yan
Abstract:
Thedevelopmentofscienceandtechnologyinmakingsocialprogressatthesametime,alsoletmanysystemsecurityproblembecomestheprimaryconsideration.Thispaperisaimingatthelimitationoftraditionalsystemsecurity,applicationofTFS-M51fingerprintidentificationmodule,MCUcontrolofthefingerprintidentificationbasedonhardwareandsoftware,theformationofanindependentfingerprintidentificationsystem.Thesystemistherealizationofserialcommunicationbetweensingle-chipmicrocomputerandthefingerprintmodule,throughstand-alonekeyboardkeys,tothefingerprintmoduleoftheDSPchiptosendcorrespondingcommandstoexecute,addusers,deleteusers,deleteallusers,userauthentication,andmanageuserpermissionsandotherfunctions.Finally,throughtheKeilCandProtuesdebuggingsimulationofserialcommunication,verifywhethercanachievetheexpectedresults.
keywords:
FingerprintIdentification;
SerialCommunications;
MCUcontrol
1引言
自动指纹识别技术是计算机技术、电子技术、图像处理技术、数据库技术等集于一体的高新技术。
它作为一种直观而又易于普及的技术,在近几十年来得到了很大的发展。
目前应用到了指纹识别技术的领域有很多,比如考勤系统或考勤机;
计算机的登录认证;
门禁控制(家庭、建筑物、重要部门或设备);
证件防伪(如护照、身份证、信用卡等);
银行保管箱;
ATM和POS机终端等的安全认证;
银行储户的身份确认、电子商务和网上银行的安全认证;
考生身份确认;
公安系统身份确认;
银行、证券交易所和保险公司的身份验证;
网路、数据库和文件等的安全控制;
手机、PDA等个人信息处理设备的使用认证以及各类指纹锁等。
这些技术及产品的出现极大的满足了经济社会发展的要求。
1.1课题的背景及意义
随着社会现代化、信息化的发展,安全问题成为目前许多系统首要考虑的问题,通常,管理员强迫用户使用一些密码机制或硬件标志,确认用户身份,监控其进行的相关操作,以此来达到保证系统及信息安全的目的。
现在普遍使用的许多系统,仍采用传统的防范措施。
(1)现在许多计算机系统,都是使用“用户ID+密码”的方法来进行用户登录的身份认证和访问控制。
这种方案的隐患是显而易见的。
例如,密码容易被忘记,容易被别人窃取。
而且,所造成的危害与用户的级别有密切的关系,如果是普通用户忘记了密码,他就不能进入系统,但可以通过系统管理员重新设定密码来重新开始工作,但如果是系统管理员忘记了自己的密码,整个系统也许只有重新安装后才能工作。
密码被别人盗取是一件更可怕的事情,因为用心不良的人可能会进一步窃取系统内部的机密数据、可能会盗用别人的名义做不正当的事情。
并且在实际应用中,密码的盗取是比较容易的,在现代高速计算机的帮助下,对一般密码进行暴力破解也是很容易做到的。
尽管现行系统通过要求用户及时改变他们的口令来防止盗用口令行为,但这种方法也不能从根本上解决问题。
(2)除了计算机网络及其应用系统外,一些传统的需要进行身份验证的场合,也存在着类似的安全性问题。
例如日常生活中广泛使用的钥匙、证件的伪造和盗用、不正当的转借等,还有在考勤管理系统中的弄虚作假等问题。
另外,目前己被广泛应角的磁卡、IC卡等自身都有可复制、可移植、可替代的弱点。
同样也存在着一定的安全隐患。
并且,随着科技发展,对它的破解也变得非常容易。
这些问题都说明,随着科技的不断发展,现行的系统安全技术已经面临严峻的挑战!
(3)因此,人们把目光转向了生物识别技术,希望可以借此技术来应对现行系统安全所面临的挑战。
(4)生物识别技术在金融、司法、海关、军事以及人们日常生活的各个领域中已经扮演着越来越重要的角色。
生物识别技术具有不易丢失、不易遗忘、不易伪造和随时随地可用等优点,比传统的身份认证方法具有更好的安全性、保密性和方便性。
(5)指纹识别技术是模式识别领域中使用最早的,较为成熟的生物识别技术。
指纹具有唯一性、稳定性、不可复制性,可以作为正确识别个人身份的依据,并且指纹的采集比较容易、准确、使用方便,具有实用性和可行性,因此指纹识别系统在身份鉴别和身份认证等许多方面得到广泛应用。
研究这个课题的目的就是为了使这种个人身份鉴别系统尽可能地合情、合理,并且简单易行,价格便宜,能够得到最广泛的应用。
1.2指纹识别技术的现状及发展趋势
20世纪60年代,信息技术逐步兴起,计算机技术开始进入指纹识别领域,自动指纹识别系统AFIS(AutomationFingerprintIdentificationSystem)在法律实施方面的研究与应用在许多国家开始展开。
80年代,随着个人电脑与光学扫描技术的革新,指纹采集技术获得重大突破,从而使指纹识别在其他领域获得应用。
指纹识别技术在过去的30年已经取得很大的发展,但是目前AFSI仍是国内外模式识别领域中研究的热点之一。
国外很多国家都有专门机构或公司从事该技术的研究,其中美国的研究水平居于世界最前沿,如Identxi、EastShore、DigitalPersona、Veriaieom等公司都有成熟的指纹识别产品。
虽然我国对指纹识别技术的应用研究起步较晚,但是发展迅速,核心技术方面与国外的差距不是很大。
国内的西安青松公司、中科院自动化研究所、清华大学自动化系等公司和学校的研究水平处于国内领先,部分研究成果甚至达到国际先进水平。
但是,在应用技术上特别是硬件采集技术上,国内与国外存在较大差距,如指纹采集芯片,国际上几大厂商几乎垄断了国内的市场。
另外,在指纹识别应用系统的开发上,国内厂商尚缺乏开发大型实用系统的经验。
当今社会,各个国家加快了指纹识别技术的开发与应用,注重向系统的低成本、小型化和系列化的方向发展。
随着计算机和芯片集成技术的进步,图像处理与模式识别方法的发展,指纹识别系统的性能日臻完善。
同时,随着社会的进一步发展,传统的依赖于信物或口令的系统安全性技术已经面临严峻的挑战,越来越多的指纹识别系统在向警用系统以外的更广泛的民用领域扩展。
指纹识别系统适用于几乎所有需进行安全性防范的场合,遍及诸多领域,在包括金融、证券、安防、公安、医疗、福利等行业的许多应用系统中都具有广阔的应用前景。
1.3指纹识别系统设计的必要性
(1)信息发展的需要:
由于各个领域对身份识别日益增长的需求,尤其是网络信息安全领域对身份识别的需求,所以指纹识别技术得以快速发展。
网络信息化时代的一大特色就是身份的数字化和隐性化,如何准确鉴定一个人的身份,保护信息安全是当今信息化时代必须解决的一个关键社会问题。
现行的许多计算机系统中,包括许多非常机密的系统,都是使用“用户ID+密码”的方法来进行用户的身份认证和访问控制的。
实际上,这种方案隐含着一些问题,例如,密码容易被忘记,也容易被人窃取。
(2)指纹识别的特点:
人的指纹相对于其他的人体特征具有以下特点:
●普遍性:
所有个人都具有的生物特征;
●独特性:
没有两个指纹完全相同的人,同一个人的十指指纹也明显不同;
●永久性:
一个人的指纹是终生不变的;
●可行性:
指纹样本便于获取,采集硬件设备容易实现,系统开发比较容易;
●可组合性:
十指指纹各不相同,可以方便的构成多种信息的组合;
●防伪性好:
与“账号+密码”、IC卡等传统的身份识别手段相比而言。
2系统总体设计
2.1系统的功能简介
本系统是在指纹识别模块开发出的指纹识别系统。
该系统使用指纹模块搜索手指,一旦搜索到手指,立即采集指纹图像,并将采集到的图像转换成数据的形式发送给单片机。
它利用人体指纹各异性和不变性,为用户提供加密手段,使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上,即可完成采集任务,并通过LED显示出指纹模块采集指纹图像的各个流程及对比结果。
另外可以通过独立按键可以选择所需实现的功能。
该系统的主要功能有以下几个方面:
(1)指纹录入。
能进行指纹的录入,二次录入无误后,记录该指纹数据。
指纹图像通过专门的指纹采集仪采集。
(2)指纹识别。
能进行指纹的识别,指纹识别出错时,报警提示。
图像采集完成后,与库中已存在指纹进行对比,与所有有权限的用户信息对比后,若无相符信息即提示报警。
(3)指纹管理。
能进行指纹数据的管理,添加和删除指纹数据。
对添加到库中的用户指纹进行权限管理,设置最高权限用户,并能够对其进行添加和删除管理。
(4)操作显示。
通过独立按键进行指纹系统的功能选择,采用数码管与LED指示灯综合提示操作内容。
若信息经核对相符,即提示该用户拥有权限,若不相符,即提示非法操作。
2.2系统设计方案
系统组成原理框图如图1所示,该系统主要由MCU(MicrocontrollerUnit,微程序控制器)、LED屏(
LargeElectronicDisplay,大型电子展示)、指纹识别模块TFS-M51组成。
系统的工作过程主要是当检测到有按键按下时先由MCU通过串口通信控制指纹模块对指纹进行采集、录入、存储、比对。
然后,根据所得的数据对其它接口器件,如显示屏、蜂鸣器、指示灯进行响应操作。
图1指纹识别系统的总体框图
3指纹识别系统的硬件设计
本系统硬件主要分为指纹模块、按键模块、显示模块、电源模块、下载口模块五个部分。
其中指纹模块:
该系统的核心组成部分;
按键模块:
完成良好的人机交互;
显示模块:
实时显示出指纹模块采集指纹图像的各个流程及对比结果;
电源模块:
为整个系统提供电源,降低系统功耗;
下载口模块:
将程序下载在单片机中。
3.1指纹模块
3.1.1TFS-M51指纹模块
TFS-M51指纹模块是深圳市十指科技有限公司新推出的,以TI公司TMS320VC5501高速DSP处理器为核心,结合具有公司自主知识产权的商用指纹算法,光学指纹传感器,具有指纹录入、图像处理、特征值提取、模板生成、模板储存、指纹比对和搜索等功能的智能型模块,并提供UART接口和通讯协议,为科研单位、应用集成厂商提供标准二次开发指纹套件,快速、方便集成应用。
该产品具有指纹感应灵敏,识别速度快;
稳定性好;
结构科学;
兼容性好等优点。
其技术参数如表1所示。
表1
处理器(cpu)
TMS320VC5501PGE300(TI)
频率(cpu)
300MHZ
指纹容量
880枚
传感器
光学/半导体(瑞典进口FPC1011F)
存储器
W25Q6
认假率
<
0.001%(安全等级为6时)
拒真率
0.1%(安全等级为6时)
电流
100ma
输入时间
0.5秒
比对时间
比对方式
1:
11:
N
安全等级
1-10级(可自定义)
输出格式
三种:
用户号,图像,特征值
特征值大小
196/255字节
特征值模板大小
512字节
模板规则
ISO19794-2
通讯接口
UART接口/RS232
通讯波特率
9600-115200bps
电源接口
串口供电
电源
4.5-4.7
主板尺寸
38*55*8mm
工作温度
-20℃至60℃
相对湿度
40%RH-85%RH(无凝露)
引脚功能如表2所示。
表2
接口
功能
管脚
定义
说明
J1
采集头接口
16P
接光学指纹头
J3
调试接口
内部用
J4
升级接品
续表2
J5
开发接口
(与TFS-M12兼容)
Pin1
电源输入
电源5-7.5V
Pin2
UART_OUT
当模块处于开发模式时用于与外界通信,兼容3.3V和5V逻辑电平
Pin3
UART_IN
Pin4
地
Pin5
CTRL_PWR
(新增功能)
模块电源控制接口:
输入高电平:
模块供电;
输入低电平:
模块掉电
Pin6
CTRL_LED
指示灯输出接口:
指纹头灯亮:
输出高电平;
指纹头灯灭:
输出低电平
J2
备用开发接口
(排针)
同J5Pin1
同J5Pin2
同J5Pin3
同J5Pin6
同J5Pin5
同J5Pin4
在本系统中,使用J2接口作为独立键盘的接口,J3接口作为USB电源模块的接口。
3.1.2TMS20VC5501芯片
指纹模块的核心处理单元是TI公司推出的高性能数字信号处理器(DSP)TMS20VC5501(5501),该芯片具有精度高、低功耗、灵活性大、可靠性高、时分复用等特点。
它具有如下特性:
●最高时钟频率可达300MHz,指令周期时间为3.33ns;
●16K字节高速指令缓存;
●双乘法器,速度可达每秒60亿次乘法计算;
●1程序总线,3内部数据/操作数读总线,2内部数据/操作数写总线;
●16K×
16-bit片上RAM,由4块4K×
16位双存取RAM(DARAM)组成;
16-bit等候状态片上ROM;
●8M×
16-bit的最大寻址外部内存空间;
●32位外部并行总线内存支持外部存储器接口(EMIF)与通用输入/输出(GPIO)功能和无缝接口;
●仿真/调试跟踪功能,保存最后16程序计数值(PC)连续性和最后32
PC值;
●6个低功耗可编程控制功能控制域;
●片上外设包括:
六通道直接存储器存取(DMA)控制器;
两个多通道缓冲串行端口(MCBSPS);
可编程模拟锁相环循环(APLL)时钟发生器;
通用的I/O(GPIO)引脚和专用输出(XF)引脚;
8位并行主机接口(HPI);
4个定时器,包括两个64位通用定时器,64位的可编程看门狗定时器和64位的DSP/BIOS计数器;
内部集成电路(I2C)接口;
通用异步接收器/器(UART);
片上的基于扫描的仿真逻辑;
JTAG(JointTestActionGroup,联合测试)边界扫描逻辑;
●3.3V的I/O电源电压;
●1.26V的核心供电电压。
TMS20VC5501具有先进的多总线架构,包括1个程序存储器总线,3个独立数据读总线和2个数据写总线,以及额外的为外设和DMA活动准备的专用总线。
一个周期包括3个数据读取和2个数据写入,与此同时,在CPU活动时,DMA控制器可自主进行数据的传输。
本设计以串口方式实现指纹模块的DSP和单片机之间的通信,AT89C52的RXD脚接DSP的TX脚,实现DSP发送数据由AT89C52接受,单片机的TXD脚接DSP的RX脚,实现AT89C52发送数据DSP接受,并将GND脚连接。
指纹模块与单片机接口框架如图2所示。
图2TMS320VC5501芯片与AT89C52单片机接口框图
3.2按键模块
对于实现人机交互的场合,按键是比较常用的,通过按键来选择系统的功能,完成对系统的访问控制。
键盘分编码键盘和非编码键盘。
键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现,并产生键编码号或键值的称为编码键盘;
靠软件识别的称为非编码键盘。
在单片机组成的测控系统及智能化仪器中,用得最多的是非编码键盘。
键盘结构可以根据按键数目的多少分为独立式和行列式(矩阵式)两类,独立式键盘适用于按键数目较少的场合,结构和处理比较简单,行列式键盘适用于按键数目较多的场合。
本设计中键盘数目较少,共设置了8个按键,采用独立式接法。
其电路图如图3所示。
图3指纹识别系统按键模块电路
3.3显示模块
为了让设备显示出我们所想知道的信息,显示模块是不可缺少的一部分。
单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器,简称LED;
液晶显示器,简称LCD。
该系统使用LED显示器。
点亮LED显示器有两种方式:
一是静态显示;
二是动态显示。
静态显示就是当显示器显示某个字符时,相应的段(放光二极管)恒定地导通或截止,直到显示另一个字符为止。
这种显示方式编程容易,管理也较简单,但占有I/O口线资源较多。
因此,在显示位数较多的情况下,一般都采用动态显示方式。
在多位LED显示时,为了简化电路,降低成本,将所有位的段选线并联在一起,由一个8位I/O口控制。
而共阴极(或阳极)公共端K分别由相应的I/O线控制,实现各位的分时选通。
本设计采用八位共阳级LED动态显示,将所有位的段选线并联在一起,由一个8位I/O口控制。
而共阳极公共端K分别由相应的I/O线控制,实现各位的分时选通。
为提高其输出功率,在段控线和位控线都串接一个电阻,在这里采用220欧母电阻。
显示及驱动电路如图4所示。
图4指纹识别系统显示模块电路
3.4电源模块
电源电路是整个系统中十分重要的一环,如果电源不稳定可能造成系统不能正常工作,严重的甚至烧坏芯片引发事故。
因此电源模块越发显得重要。
电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。
电源电路设计主要考虑用哪种类型的电源器件,输入输出电压,输出电流以及控制状态。
根据系统结构和USB接口速度高、功耗低、支持即插即用的特点,在此选择使用USB供电,以按键式开关启动或关闭电源。
当按下电源键时,电源开启,电源指示灯点亮。
断开电源键时,电源关闭,电源指示灯灭。
电源模块电路如图5所示。
图5指纹识别系统电源模块电路
3.5下载口模块
采用RS-232接口,从PC机将程序下载至单片机芯片当中,实现编程实际应用。
本次设计采用9芯针接口,其主要包括DCD(DataCarrierDetect)载波检测引脚,RXD(ReceivedData)接收数据引脚,TXD(TransmitData)发送数据引脚,DTR(DataTerminalReady)数据终端准备就绪引脚,SGND(SignalGround)信号地引脚,DSR(DataSetReady)数据准备就绪引脚,RTS(RequestToSend)请求发送引脚,CTS(ClearToSend)清除发送引脚,RI(RingIndicator)振铃提示引脚[12]。
在RS-232标准中,字符以一串行的比特串来一个接一个的串行方式传输,优点是传输线少,配线简单,传送距离可以较远。
最常用的编码格式是异步起停格式,它使用一个起始比特后面紧跟7或8个数据比特,然后是可选的奇偶校验比特,最后是一或两个停止比特。
指纹识别系统下载口模块电路如图6所示。
图6指纹识别系统下载口模块电路
4指纹识别系统的软件设计
本系统软件的编写采用C语言。
其程序可分为两大模块,分别是键盘管理及指示灯响应程序设计与LED显示模块设计。
键盘管理及指示灯响应程序主要完成对当前所需功能的选择与提示;
LED显示模块主要完成对当前操作内容以及当前操作是否成功的显示。
4.1TFS-M51指纹识别模块的通信方式
在此系统中,DSP模块作为从设备,由主设备单片机发送相关命令对其进行控制,单片机发送的命令及DSP模块的应答按数据长度可以分为等于8字节和大于8字节两种。
此系统主要是等于8字节。
其数据格式如表3所示。
表3
字节
1
2
3
4
5
6
7
8
命令
0xF5
CMD
P1
P2
P3
CHK
应答
Q1
Q2
Q3
说明:
CMD:
命令/应答类型;
P1,P2,P3:
命令参数;
Q1,Q2,Q3:
应答参数,
Q3多用于返回操作的有效性信息,在此取值如下:
#defineACK_SUCCESS
0x00//操作成功
#defineACK_FAIL
0x01//操作失败
#defineACK_FULL
0x04//指纹数据库已满
#defineACK_NOUSER
0x05//无此用户
#defineACK_USER_EXIST
0x07//用户已存在
#defineACK_TIMEOUT
0x08//采集超时
CHK:
校验和,为第2字节到第6字节的异或值。
4.2键盘管理及指示灯响应程序设计
本系统共
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