基于ARMcortexm3指纹识别系统综述.docx

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基于ARMcortexm3指纹识别系统综述

基于ARMcortex-m3指纹识别门锁控制系统

摘要

指纹识别系统是基于生物特征识别技术的一项高科技安全设施，近年来在国内外得到了广泛的应用，它可以提供高效、智能、便捷的授权控制，并已成为设备现代化与管理智能化的标志之一。

由于指纹具有携带方便、人人各异、终生不变的特点，因此利用指纹识别作为身份认证的手段，与传统的钥匙、密码相比，大大提高了安全性与可信性。

本系统是基于Cortex-M3内核的STM32微控制器的指纹识别系统，主要用于对个人信息的采集与识别，并起到防盗作用。

本设计采用高性能、低功耗的STM32F107VCT6主控制器和TFT彩色液晶显示屏，另外还有语音模块ARP9600完成语音采集、提示报警功能以及DS1302时钟模块等。

该设计稳定性好，实用性强，并且性价比高，可广泛应用于办公楼，银行，机场等各种公共场所与机构。

关键词：

指纹识别微控制器报警

第一章绪论

1.1设计方案的提出

随着社会经济与科技的发展，人类对生活质量的要求也不断地提高，一些老旧的设备与操作方式不可避免的被社会所淘汰。

同时，在现代化快速发展的今天，信息的安全性与可靠性越来越重要。

据相关数据显示，每年由于证件或密码遗失而造成的损失巨大。

比如美国，由于证件的丢失或管理失误，每年就有上亿美元的福利款被冒领；全球知名的信用卡巨头MasterCard公司估计每年约有4.5亿美元的信用卡诈骗案。

而因为密码被破解，则使移动通信每年至少损失10亿美元，单单自动取款机即ATM业务，其相关的诈骗案每年损失就不下3亿美元。

这是因为，各种密码被破解的概率越来越高，因为通常由于记忆的原因，46%的人会选用自己或亲人的生日、家庭地址、电话号码作密码并长期使用，而这些很容易被一些不法分子获取。

    　　比尔·盖茨曾做过这样的断言：

生物识别技术，即利用人的生理特征，例如指纹、虹膜等来识别个人的身份，将成为未来几年IT产业的重要革新。

盖茨这段言论的背后支撑是，越来越多的个人、消费者、公司乃至政府机关都承认，现有的基于智能卡、身份证号和密码的身份识别系统是远远不够的，生物特征识别技术将在未来提供解决方案方面占据重要的地位。

而随着锁具方式不断地发展，从机械锁到电子锁，给人类的生活带来了重大的改进。

而如今，“生物识别技术”在全球范围内的兴起，正在推动此行业的又一次技术革新，即“指纹锁”时代的到来。

在这样的市场背景下，我们设计了——基于STM32微控制器的指纹识别系统。

1.2课题研究的内容

基于ARMCortex-M3的指纹识别电子门锁系统，主要是以ARMCortex-M3处理器为核心，能实现以下功能：

1、根据不同的场合，通过对进入人员指纹的采集与预先存储于该系统的指纹信息进行对比、识别，来判断是否准许该人员进入。

2、设有管理员身份对该系统进行权限管理，可根据实际需要来对指纹信息进行查看、修改、增加、删除、开启、关闭等操作，以做到对其进行人性化管理。

3、良好的人机交互系统，完美的时钟界面和红外报警等功能皆由32寸彩色TFT显示模块以及按键语音提示模块所完成，便于用户操作和管理。

4、当该系统电量不足时，具有弱电提醒功能，提示您及时更换电池。

1.3课题研究的意义

基于ARMcortex-m3的指纹识别门锁控制系统，用于对家庭，企业，学校，银行，政府等人员进行智能化管理，在学校里可安装于学生宿舍，实验室，教学楼或其他重要场所的门口，保证了在无人的情况下，对室内重要设施进行监控管理，保障了其安全性，防止他人盗取学校及个人的设备、信息，而且增强了学校的硬件条件。

同时在本次课程设计时，我们大量用到了所学的内容，从C语言到电子电路，从单片机到ARM，都有涉及。

知识面广，应用性强是本次设计的核心特点，在没有任何实践经验的情况下，我们通过自己的动手能力和钻研精神将课本知识运用到实践中来，虽然在设计上或者功能实现上存在不足，但对于在校园中的我们来说，最重要的是一种锻炼，培养一种理论与实践相结合的能力，希望能对将来步入社会奠定基础，实现人生价值！

第二章方案的提出

目前，ARM系列芯片的在国内的日益成熟及它的广泛应用，本次硬件设计中，我们采用STM32作为控制器的核心，隶属ARMcortex-m3系列，通过它来控制系统中的各个模块，实现其功能。

2.1系统总体设计

系统总体设计中，我们采用如图1.1所示，以ARMcortex-m3为主控芯片控制系统中各个模块，在工作时各个模块根据得到的信息发送给该处理器，通过单片机把得到的信息处理后反馈给各个模块，并执行。

通过输入指纹进行验证身份信息，从而控制电子锁开门。

图1.1系统总体框图

2.2微控制器的选择

随着单片机的发展，他的性能也在不断地提高，人们越来越关注和追求成本低、性能高、功耗低的微控制器。

新一代微控制器STM32是基于ARMcortex-m3系列的32位微控制器，与传统的单片机相比，它的性能有明显的提高。

就拿它的位数来说，不管是51系列单片机还是AVR、PIC单片机，它都是8位的，而STM32微控制器位数则跃升至32位，并且采用RISC结构，它的最高频率可达72MHz，是PIC的两倍，AVR的四倍多，51的几十倍，可见它的速度及性能有多强。

另外它的存储量大，实时性好，价格便宜也是其超越其他微控制器的决定性因素，因此我们选择STM32系列的STM32F107VCT6微控制器作为主芯片。

本次设计采用的STM32F107VCT6微控制器，是STM32系列性能较强的一种芯片，它使用高性能的ARMcortex-m3的32位RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达256K字节的闪存和64K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设。

内置2个16通道ADC、4个16位通用定时器和1个PWM定时器，并且包含标准的先进的通讯接口：

1个I2C和2个SPI，3个USART和2个UART（3+2），OTGUSB和2个

CAN。

具备1个以太网接口和LQFP100/BGA100的封装结构。

它的管脚图如图2.2.1所示

图2.2.1STM32F107VCT6微控制器管脚图

第三章电路设计

我们所设计的电路，通过STM32微控制器对各个模块进行控制，下面我们对各个模块逐一进行分析。

3.1温度检测模块

3.1.1方案设计与论证

温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。

超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。

对于我们普通的电子爱好者来说，DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。

因此在课题的设计中选取DS18B20。

3.1.2DS18B20简介

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

其特点：

●全数字温度转换及输出。

●先进的单总线数据通信。

●最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。

●12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。

●可选择寄生工作方式。

●检测温度范围为–55°C~+125°C（–67°F~+257°F）

●内置EEPROM，限温报警功能。

●64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。

●多样封装形式，适应不同硬件系统。

序号

名称

引脚功能描述

1

GND

地信号

2

DQ

数据输入/输出引脚。

开漏单总线接口引脚。

当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。

3

VDD

可选择的VDD引脚。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

DS18B20引脚功能表

3.1.3DS18B20电路在课题中的应用

1、使用方法

由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。

DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。

该协议定义了几种信号的时序：

初始化时序、读时序、写时序。

所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。

而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。

数据和命令的传输都是低位在先。

2、DS18B20在硬件应用电路中的注意事项

（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件补偿，由于DS18B20与微控制器采用串行数据传送，因此在对DS18B20进行读写编程时，必须严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

（2）对于在单总线上所挂DS18B20的数量问题，一般人们会误认为可以挂任意多个DS18B20，而在实际应用中并非如此。

若单总线上所挂DS18B20超过8个时，则需要解决微处理器的总线驱动问题，因此，在进行蓄电池单体多点测温系统设计时该问题要加以注意。

（3）在DS18B20测温程序设计中，当向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返同信号。

这样，一旦某个DS18B20接触不好或断线，在程序读该DS18B20时就没有返回信号，从而使程序进入死循环。

因此在进行DS18B20硬件连接和软件设计时，应当给 系统抗干扰设计。

3.1.4DS18B20在课题中的硬件电路图

硬件电路图如图3.1.1

图3.1.1DS18B20温度模块

3.2语音模块

3.2.1方案设计与论证

台湾公司最新推出的APR9600语音录放芯片，是继美国ISD公司以后采用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放32-60秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段。

与ISD同类芯片相比它具有：

价格便宜，有多种手动控制方式，分段管理方便、多段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点，同时保留了ISD2500芯片的一些特点，都是DIP28双列直插塑料封装，在管脚排列上也基本相同。

3.2.2ARP9600简介

在APR9600芯片的内部，录音时外部音频信号通过话筒输入和线路输入方式进入，话筒可采用普通的驻极体话筒，在芯片内话筒放大器（Pre-Amp）中自带自动增益调节（AGC），可由外接阻容件设定响应速度和增益范围。

如果信号幅度在100mV左右即可直接进入线路输入端，音频信号由内部滤波器、采样电路处理后以模拟量方式存入专用快闪存储器FLASHRAM中。

由于FLASHRAM是非易失器件，断电等因素不会使存储的语音丢失。

放音时芯片内读逻辑电路从FLASHRAM中取出信号，经过一个低通滤波器送到功率放大器中，然后直接推动外部的喇叭放音。

厂家要求外接喇叭为16欧姆，实际试验用8-16欧姆均可，一般音量下输出功率12.2mW（16欧）。

图3.2.2为它的管脚排列图

如图该语音芯片共28个引脚：

1~6：

六段控制，低电平有效；7：

OSCR振荡电阻

8~9：

七八段控制及操作模式选择10：

BUSY忙信号输出

11：

BE键声选择12~13：

数字及模拟电路电源地

14~15：

外接喇叭正负端16：

模拟电路正电源

17：

MICIN话筒输入端18：

MICREF话筒输入基准端

19：

ACC自动增益控制端20~21ANA-IN/OUT线路输入端/输出端

22：

STROBE工作期间闪烁指示灯输出端23：

CE复位/停止键或启动/停止键

24~25：

模式设置端26：

EXDCLK外接振荡频率端

27：

RE录放选择端28：

VCCD数字电路正电源

图3.2.2ARP9600引脚功能图

下图为其实物图

图3.2.3ARP9600实物图

3.2.3ARP9600的实际应用

1、使用方法简介

APR9600的每种操作模式都有对应的有效键，而且同一个键在不同操作模式下可能有不同的功能。

因此在芯片设计、使用前用户应详尽了解芯片的各种操作模式，选择最合适自己的方式设计，电路也会变得非常简单。

2、工作模式

①并行控制模式

    在ISD芯片中要实现某键对某段的多段并行控制是十分复杂的，一般需要大量的二极管译码阵或单片机来辅助实现，另外在分段录音时也存在很多困难。

而在APR9300芯片中却十分简单，每段都有对应的键控制，按哪一键就录、放哪一段，而且可以方便地对任意一段重新录音不影响其它段、对任意一段循环放音等。

只是每段录音的最大时间是等分的，而且最多只能分八段。

②串行控制模式

    串行控制方式用到的键要少得多，它仅需要一、二个键来控制所有的语音段录放，而且段数可以足够多，每段也没有时间限制。

只是在选段上没有并行控制模式方便。

将全功能应用电路板上拨码开关的第2位开关向下拨，第3位开关向上拨，第4位开关向上拨，将拨码开关的第1位置向上拨进入录音模式，按住/M1即开始录第一段，松键即停止。

再按住/M1即录第二段，如此一直分段录音，直到芯片溢出。

在放音时（/RE=1）有两种状态，/M8置1为串行顺序控制方式，按一下/M1即放音第一段，再按一下即放第二段，如此顺序逐段放音，到最后一段结束时即停止放音，必须按一下CE键复位，然后再按/M1键就可以又从第一段放音。

这种方式下的段不可选择只能按录音的顺序播放，适合走马灯、流程控制等电路使用；/M8置0为串行选段控制方式，按一下/M1只能放音第一段，再按还是放音第一段。

这时的/M2有效成为快进选段键，每按一下/M2即向后移动一段，例如现在按了三下/M2，再按/M1就放音第四段。

因此可以实现选段放音。

按/CE键复位为第一段。

APR9600芯片的其它几种控制方式，用户可根据需要自行实验设计。

    APR9600的电性能参数：

电源电压4.5-6.5V，静态电流1uA，工作电流25mA。

其外接振荡电阻与采样率、语音频带、录放时间的关系见下表，该电阻可以根据用户需要的时间和音质效果无级调节。

振荡电阻（7脚OSCR）

采样频率

录放音频带

录放音时间

44K

4.2KHZ

2.1KHZ

60s

38K

6.4KHZ

3.2KHZ

40s

24K

8.0KHZ

4.0KHZ

32s

表3.2.3ARP9600语音芯片采样频率、录放时间、录放音频带关系表

3.2.4ARP9600在课题中的硬件电路图

硬件电路图如图3.2.4

3.3液晶显示模块

3.3.1方案的设计与论证

晶门科技有限公司于2006年推出了TFT液晶显示控制单芯片SSD1289。

这款芯片支持用于智能电话系统上240*320的分辨率和262K色的TFT液晶。

该产品在多个国际品牌的电子消费产品中获得应用，如飞利浦MP3，同时它亦是国内QVGA显示屏手机的热卖IC，在中国移动电话显示器驱动IC市场所占份额高达15%。

因而我们采用SSD1289作为液晶显示的主芯片，美观而实用。

3.3.2SSD1289芯片简介

SSD1289显示控制芯片,内部集成了256KB的SRAM显存,可以支持单色和彩色LCD,以及多种有源和无源面板。

SSD1289还具有强大的总线兼容性,可与多种类型的MCU连接。

此外,SSD1289提供的功能还包括虚拟显示、浮动窗口（窗口大小可变）显示,并支持两个光标,可以减少软件的操作。

32位的内部数据通道,可以提供高带宽的显示内存,以实现快速的屏幕刷新。

SSD1289还具有单电压供电的优点。

　　SSD1289显示控制器的另一个特点,是具有很短的CPU访问延迟时间,因而可以支持无READY/交互信号的微处理器。

此外,SSD1289支持单时钟信号输入,即总线时钟（BCLK）、内存时钟（MCLK）和像素时钟（PCLK）都可以由时钟输入CLKI得到。

这款显示控制器对MCU的类型和操作系统没有具体要求,因而是实际应用中的一个理想的显示解决方案。

3.3.3SSD1289的实际应用