基于嵌入式指纹识别系统设计

1、毕业设计毕业设计 基于嵌入式指纹识别系统设计 姓 名： 邢 蓉 学 号： 12020043 班 级： 12 电气 1 专 业： 电气工程及其自动化 所在系： 自动化工程系 指导老师： 胡双喜 基于嵌入式指纹识别系统设计基于嵌入式指纹识别系统设计 摘 要 随着科技的蓬勃发展，人们越来越重视自己的个人隐私，由此个人身份识别的需求 日益增加。由于指纹拥有独特的不变性，使得指纹识别技术与传统的身份识别方法相比 起来，更加的安全和可操作，所以基于传统的身份识别技术的不足可以被克服，指纹识 别日益被认可。基于指纹认证技术，指纹识别是一个重要手段，其历来通常在 PC 平台 上运行，但随着现代社会的高速发展，

2、指纹识别系统的需求不断提升，同时市场对便携 性和易用性的要求更加走高，指纹产品正在朝着嵌入式技术的发展方向。 本文首先介绍了指纹识别技术的研究目的与意义和市场需求，并且给出了嵌入式指 纹识别系统的原理，在通过对传统身份认证技术的优缺点进行适当分析后，进而提出了 利用生物特征识别的身份认证方式，在它的基础上，设计并实现嵌入式指纹识别系统。 同时提出了嵌入式指纹识别系统的体系架构，主要包括基于指纹模块的设计与实现 和 MSP430F2370主控芯片的硬件电路、固件端 UART 驱动的实现。在嵌入式指纹识别 系统的设计中，硬件方面采用具有性价比优势的 MSP430F2370芯片作为主控芯片和 TA0

3、701的指纹芯片，并为系统设计了相应的电源和 UART 接口电路，实现了嵌入式指 纹识别系统硬件模块的设计。在软件方面，根据基于嵌入式的指纹识别系统的特点，本 文设计的功能模块包括初始化、注册、指纹处理、登录、删除和出错报警。使用 IAR EMBEDDED WORKBENCH 软件进行软件部分的调试。并将程序烧写到芯片中，使用 串口调试软件 SSCOM32_E666对软件运行过程中存在的问题进行监视，配合编译软件进 行命令的修改。设计并实现了基于嵌入式的高安全性、高性价比的指纹识别系统。 关键字：指纹识别；嵌入式系统；UART；MSP430；TA0701 Based on the Embedd

4、ed Fingerprint System Design ABSTRACT With the rapid development of technology, more and more people pay attention to their personal privacy, personal identification thereby increasing demand. Since the fingerprint has a unique invariant, so that fingerprint identification technology compared to tra

5、ditional identification methods together, more secure and operational, so based on the shortcomings of traditional identification technologies can be overcome, fingerprint identification is increasingly being recognized. Based on fingerprint authentication technology, fingerprint recognition is an i

6、mportant tool, it has always been generally run on PC platforms, but with the rapid development of modern society, the demand for fingerprint identification system on the rise, while the market for portability and ease of use requirements more higher, fingerprint products are moving in the direction

7、 of the development of embedded technology. This paper introduces the purpose and significance and market needs fingerprint recognition technology, and gives the principle of embedded fingerprint identification system, after the adoption of the advantages and disadvantages of traditional authenticat

8、ion techniques proper analysis, and further proposed the use of biometrics authentication mode, in which, based on the design and implementation of embedded fingerprint identification system. Also proposed architecture embedded fingerprint identification system, including fingerprint module based de

9、sign of hardware circuit, firmware side implementation and MSP430F2370 master chip UART driver implementations. In the design of embedded fingerprint identification system, the hardware used has a cost advantage of MSP430F2370 chip as the main chip and fingerprint TA0701 chip and system design of th

10、e appropriate power and UART interface circuit, embedded fingerprint identification system hardware module design. In terms of software, based on based on the characteristics of embedded fingerprint identification system, this paper designed function modules, including initialization, registration,

11、fingerprint processing, log in, delete, and error alarm. Use IAR EMBEDDED WORKBENCH software debugging software section. And programmed into the chip using serial debugging software SSCOM32_E666 the software running the problems of monitor, modify, compile with software commands. We designed and imp

12、lemented based on the embedded high security, cost-effective fingerprint recognition system. Key Words: Fingerprint Identification;Embedded System; UART; MSP430;TA0701. 目目录录 第一章绪论.1 1.1 课题的研究目的与意义 .1 1.2 机器人的市场需求 .1 1.3 国内外发展现状 .2 1.4 论文研究内容及基本结构 .3 第二章课题设计方案的选型.5 2.1 生物特征识别技术概述 .5 2.2 指纹识别技术介绍 .6 2

13、.3 指纹采集传感器技术 .8 2.4 关于 MSP430 单片机的概述 .9 2.5 UART 串口通信.9 2.6 小节 .11 第三章嵌入式指纹识别系统硬件的设计.12 3.1 嵌入式指纹识别系统的硬件结构 .12 3.1.1 嵌入式指纹识别系统结构图 .12 3.1.2 硬件框图 .12 3.2 主控芯片选型 .13 3.2.1 选择具体的主控芯片类型 .13 3.2.2 指令系统 .15 3.2.3 寄存器描述 .15 3.3 指纹模块选型 .17 3.3.1 指纹模块组 .17 3.3.2 管脚分配 .17 3.3.3 指纹处理芯片 .18 3.4 电路原理图的设计与实现 .19

14、3.4.1 指纹模块电路 .20 3.4.2 FLASH 电路.20 3.4.3 电压调整电路 .21 3.4.4U 转串电路.21 3.4.5 烧写电路 .22 3.4.6 电源电路 .23 3.4.7 显示电路 .23 3.4.8 按键电路 .24 3.5 硬件实物 .24 3.6 硬件调试 .24 3.7 小节 .25 第四章嵌入式指纹系统软件部分与实现.26 4.1 整体结构 .26 4.2 软件的总框图 .26 4.3 软件系统的设计与实现 .27 4.3.1 软件主工作流程 .27 4.3.2 初始化模块实现 .28 4.3.3 用户注册模块实现 .29 4.3.4 指纹处理模块实

15、现 .33 4.3.5 登录 .35 4.3.6 删除 .37 4.4 软件调试 .38 4.4.1 程序的编译 .39 4.4.2 程序的烧写 .40 4.5 小结 .42 第五章总结与展望.43 参考文献.44 致谢.45 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 0 第一章绪论 1.1 课题的研究目的与意义 本课题的主要来源是人们在生产实践中对指纹识别系统的需求，随着社会日新月异 的变化，个人身份识别在各种行业中的应用无处不在，同时也因为智能技术应用的快速 发展个人身份识别的应用变得日益增长。出于这个原因，传统身份识别方法在与其相比 较下的局限性和缺陷体现的也日益

16、突出。当前基于传统识别方法的机械钥匙，用户账号 与密码相结合以及智能 IC 卡等都存在着会丢失，被他人轻易复制和被盗用的极大隐患， 由于这些弊端用户的满意程度变低以及体验感觉变差，使得传统产品的推广普及便受到 了很大的局限，而这些正是由于传统身份认证操作对象并不是被识别人本身，存在很大 的缺陷而导致的。 因此想要解决目前出现的这些问题，我们要必须加强对用户的身份信息的认证。当 今，基于生物特征的身份识别技术快速发展，在一定程度上可以从根本上解决基于传统 的个人身份识别方法的缺陷。我们知道的生物特征有个人的指纹信息和声音特征等，类 似于其特殊的功能还有人们的特定生活习惯和特色口音。这些就是日常生

17、活中我们所熟 知的生物特征。个人身份识别领域应用生物特征的最主要原因是在于这些特征对于每一 位识别者来说都是具有一定的特殊性的，而且这些特征都是唯一不可复制的，并且是很 难在极短时间内发生巨大变化的，长时间稳定是它的显著特点。 我们每个人身体不同部位所产生的纹路也是大不相同的，而这一切都是由于我们凸 凹不平的皮肤所引起的。由于我们皮肤表面存在着这些纹路从而使得手掌表面的摩擦力 变大，人们则可以用手来拎起物体。因此，我们可以根据这种唯一的特点把每个人和他 的指纹一一相匹配起来，这样一来则可以通过比对被识别者的指纹信息，从而可以辨别 其身份信息的真实可靠性1。这种依靠人体的身体也就是这里所说的身份

18、认证实际上是 指通过指纹传感器传送指纹信息确认相关使用者身份的过程。众所周知，我们都生活在 现实的物理世界中，每个人都具有属于自己的特征，这些特征是不同于他人的。与基于 传统的个人身份信息识别方法相比较起来，生物特征的识别技术具有大量优势如可以随 身携带和随时使用，从而可以为用户提供更加安全，更为方便的保密服务2。 1.2 指纹识别系统的市场需求 当前，利用生物特征识别身份的方法发展十分迅速， 到 2012 年为止全世界生物特 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 1 征识别市场的规模已经增长至 100 亿美元。生物特征识别是世界通用的国际安全识别 中最为高效的可以

19、用来预防恐怖，维持稳定的技术。目前美国，欧盟等国家已经实施强 制措施对进入该国的旅客进行个人生物信息的采集记录。伦敦奥运会更是提出苛刻的要 求即记录每一位观众的相应的信息以此来保证奥运会的安全和顺利进行。而我国也开始 重视个人信息的采集在举行的各届大学生运动会上极为严格的采集了所有运动员和观众 的个人信息。 除此以外，学校也是一个很好的例子，由于学籍管理，图书借阅，食堂售饭，学杂 费交纳，课外活动管理，学生上机费用收取等等都是属于综合管理的范畴，因此学校内 部的综合管理内容较为复杂3。如果我们充分利用智能卡的优势，将众多复杂的功能集 成在一张卡上，这样一来就可以大大节约学校的各种资源。基于指纹

20、的身份识别技术与 智能卡技术的结合使得众多优势凸显而出，首先就是在真实性方面，我们可以保证持卡 者身份的真实性准确无误，再者就是在快捷方面来说可以节省比对指纹的时间，而这一 切均依赖于指纹识别系统的应用。 1.3 国内外发展现状 目前，计算机技术发展十分迅猛，并且人们也越来越关注信息的安全。因此很多公 司都顺势推出了一系列关于网络安全以及信息识别的产品，这类产品虽然种类繁多但是 它们的工作原理则可以简要概括为以下几个方面： 1.基于传统的密码访问权限控制的产品。 在基于传统的身份识别产品中，它们的主要的解决方法就是将多重操作密码和安全 设置相结合。 2.物品识别产品。 智能卡就是一个很好的例子

21、，把深层安全机制与多重加密算法结合在一起，正是这 种工作原理使得智能卡成为十分安全的工作方式之一，又由于智能卡有相应的工作介质 可以进行信息的存储，并且可以处理一些文件，而这些特征并不会影响个人信息的识别 与实现，因此现在在银行，财务等工作领域中这一工作方式受到广泛的应用。 3. 基于指纹识别的相关产品。 目前，指纹识别随着智能科技的发展有着飞速地发展，而这受到广泛的应用都是源 于以下几点： （1） 每个指纹都是特殊的，不可复制的，但是 IC 卡却是可以很多用户持有一张； （2） 指纹识别具有高安全性，而 IC 卡的安全度不足； （3） 指纹识别的投入是一次性的，就经济性来说是特别经济可靠的。

22、 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 2 目前，基于指纹识别的认证系统发展十分迅猛，但是，其产品还处于发展状态，某 些方面还不太完善，需要改进的地方体现在： 1.目前，市场上绝大多数的指纹产品没有配备相应的指纹采集设备。 2.指纹识别产品发展领域虽然广泛，但是，其很少用在安全认证的项目中。 3.目前，我国要想建立完整的指纹信息库还需要很长的时间。但是，形成指纹信息 库对当下来说是实现大型指纹识别项目的有力保障。但是这项工作目前都没有得到相应 的重视，更加难以启动； 4.标准化制订滞后，指纹产品行业目前还没有成形的、可行的国家标准。 考虑到基于嵌入式的指纹识别技术目

23、前具有广阔的商业前景，通常情况下，各个公 司或研究机构都把指纹识别技术当做核心要素，因此，我们只能从外部条件去得知指纹 相关产品的各种性能指标和参数并理顺它的发展情况。 国际市场上有很多公司研究指纹识别技术的产品，在这方面欧美是引导者。目前， 在美国有多家公司都已经推出了自己的指纹识别产品，就拿 IBM 公司来说，它使用自 己的软件作为企业内部的网络安全控制，从而使得企业内部信息的安全受到保护。 国内市场上，指纹识别技术相对落后几十年。而且相比欧美国家，我们之间有着不 可跨越的差距，在国内指纹技术发展期间，我国出现了技术提供者和产品的营销者等4。 目前，我国的指纹识别技术发展迅猛，逐渐拉低和高

24、技术国家的差距。 1.4 论文研究内容及基本结构 本选题主要来源于生产实践中指纹识别系统的需求，随着科技技术的发展，个人身 份识别的应用范围日益增大。基于传统的身份识别方法的缺点表现的日益明显。目前， 钥匙和密码等保护措施存在着丢失，复制及被盗用的隐患，导致用户满意度低和体验差， 对于产品的推广受到了很大的局限。 本课题设计的基于嵌入式的指纹识别系统解决了传统方式所遗留下来的难题，通过 指纹传感器传送指纹信息，为用户提供更安全，更方便的保密服务。 本文研究的主要内容包含如下几个方面： 1.对指纹传感器的研究与应用 2.指纹图像识别模块的应用与实现 3.身份认证和访问控制系统的设计与实现 4.指

25、纹识别算法的研究与应用 5.嵌入式指纹系统的软件调试 本文的研究方法和手段有如下几个方面： 首先，通过对课题的需求进行了研究与分析，初步认知课题的现实性与实用性。其 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 3 次，在图书馆根据要求查阅有关文献，学习相关的理论知识，了解所需的专业技术知识 并对产品有初步的设计思路。然后，在实验室用 PROTEL 99SE 设计主电路图，在专业 的环境下进行软件的设计。 本文的研究步骤如下： 1.阅读任务书，了解课题内容，明确具体要求。 2.对产品的需求进行分析。 3.方案设计和系统构架。 4.查阅参考文献与相关资料，了解 UART。 5

26、.采用专业工具进行产品软件设计。 6.集成调试。 本文的结构大致如下： 第一章：绪论，简介嵌入式指纹识别系统的研究目的和意义以及市场需求和国内外 发展状况。 第二章：课题设计方案的选型，介绍了生物特征识别技术、指纹识别技术和指纹识 别系统的工作模式。 第三章：嵌入式指纹识别系统硬件部分的整体结构，主控芯片等进行了详细的阐述。 第四章：本章是用于设计和实现系统的软件部分，阐述了指纹识别系统软件的整体 结构，并详细描述了系统各个软件模块，给出相应模块的流程图和程序要求。 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 4 第二章课题设计方案的选型 2.1 生物特征识别技术概述 身

27、份认证就是通过特定方式确定用户身份的过程，随着科技的发展认证技术不再像 以前那样单一，现在常用的身份认证技术可以分为以下三类，第一类是根据被认证对象 所掌握的信息来确定身份，如口令、身份识别码；第二类则利用被认证对象所拥有的物 品对其进行身份识别，如身份证、护照、信用卡；第三类根据被识别对象所拥有的生物 特征进行身份识别。 生物特征身份识别由身份验证和辨识两部分组成。典型的生物特征识别系统如图 2.15所示。 图 2.1 生物特征识别系统结构图 Fig. 2.1 Biometric identification system structure 可以用于身份识别的生物特征须满足如下的条件6：

28、1.普遍性，即每个人都要拥有此生物特征； 2.唯一性，即任意两人的此特征不可能完全相同； 3.永久性，即此特征相对于时间来说是具有长久不变性的； 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 5 4.可采集性，即特征可以被采集和检测； 5.性能，体现了识别的精度； 6.可接受性，表明了当前人们对生物特征识别技术的接受的程度。 生物特征中指纹、虹膜等本身就具有以上所述的优点，我们根据这些唯一的生物特 征来进行身份信息的识别，显然我们可以克服许多间接认证的限制，并满足人们在识别 方式上的更高要求。因而，生物识别技术行业将拥有越来越大的市场，前景十分广阔。 指纹识别拥有一些特殊的

29、特点，相关特征如下所述7： 1.普遍性：每个人都具有自己的指纹； 2唯一性：两个指纹几乎不可能相同； 3.永久性：即不会随着人体的发育而改变； 4.可采集性：即可以通过一定的设备和手段采集到； 5.可行性：通常情况下可以达到相当合理的正确率； 6.可接受性：方式能被人们所接受； 7.防伪性好。 指纹识别技术目前已成为最可靠的生物特征识别技术之一，并在人们的生活的应用 日益增多。以下对这几种生物特征识别技术进行了比较，如表 2.1 所示8 表 2.1 几种生物特征识别技术的比较 Table2.1 The comparison of several kinds of biometric ident

30、ification technology 生物识别技术识别效果1 比 1 比对1 比 N 比对仪器体积 指纹很好可以可以很小 虹膜或视网膜很好可以可以大 手形好可以不能居中 人脸变化可以不能小 声音变化可以不能很小 通过以上比较可知，从识别效果来看，指纹识别和眼识别的较好，人脸识别受光的 影响较大，而语音识别受麦克风的影响很大。指纹识别和眼睛识别有着低错误率，但由 传感器价格和仪器体积比较可知，指纹识别更易于普及。 2.2 指纹识别技术介绍 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 6 指纹识别系统是一个在模式识别系统的基础上，验证识别人的生物特征的系统。指 纹识别系统

31、的工作模式可以分为两类：验证(VERIFICATION)模式和辨识 (IDENTIFICATION)模式，如图 2. 29所示： 图 2.2 指纹识别系统工作模式的结构框图 Fig2.2 The fingerprint recognition system structure diagram of work patterns 验证模式：对用户进行指纹比对，然后判断身份。 辨识模式：与数据库中的指纹进行一对一对比，找出与现场输入指纹相匹配的指纹特征 信息。辨识被拒绝(如果人被拒绝)是应用程序的重要组成部分10。拒绝识别的目的是防 止一个人具有多重身份。 指纹识别系统其工作流程如图 2.311所示

32、 图 2.3 指纹识别系统工作流程 特 征 点 提 取 特征点 匹配 输 出 显 示 注册 匹配 指纹图 像采集 指纹图 像评估 指纹图 像预处 理 存入特 征模板 数据库 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 7 Fig.2.3 Fingerprint identification system workflow 指纹自动识别系统 AFIS(Automated Fingerprint Identification System)是集模式识别， 光电技术，图像处理，智能卡，数据库技术于一身的综合性技术。它可以分为以下两种 模式12： 1联机式 首先采集所需指纹图像,

33、然后由指纹识别相应的算法进行识别和处理。由于图像数 据较大,通常我们使用数据传输接口。但是系统体积大,适应性相对来说较差,因此它是 不适合集成的开发。 2嵌入式 嵌入式系统，一个相对独立的系统，其中，嵌入式指纹处理模块是核心,它的功能 单一，用于执行特定的功能13。与此同时,嵌入式指纹算法的要求也很高。因此，采用 不同的算法,系统的效率有着较大的不同。 本文选用嵌入式系统，其可以独立于 PC 机运行，使得指纹采集和存储识别等都可 独立完成。 2.3 指纹采集传感器技术 传感器是将物理量或化学量转化成便于利用的电信号的器件，指纹传感器就是其中 一种；传感器将生物特征转换为系统可以辨别的相关图像信

34、息。 然而不同的传感器都具有各自的优点和缺点，表 2.214对几种常见的传感器进行了 相应指标的比较。 表 2.2 几种不同类型的传感器比较 Table 2.2 Compared several different types of sensors 类别性 能 体积成像质量成像大小使用寿命功耗价格 光学传 感器 较大干手指差， 但潮湿和 脏的手指 成像模糊 采集面积 区域可以 很大 光学镜头 容易老化， 时间较长 较大中等 半导体 传感器 很小对潮湿和 脏的手指 成像差 采集面积 小 一般，受 静电影响 大 较少低 热敏传小质量较差，采集面积很长一般较低 天津理工大学中环信息学院 2016 届

35、本科毕业设计说明书（论文） 8 感器受手指速 度影响， 图像变形 大 较小 超声波 传感器 中非常好采集面积 大 一般较大很高 本文中，指纹采集传感器用的是贝尔赛克公司的 TS1011 半导体指纹传感器。它是 有着低功耗、高性能的指纹芯片。这使得在嵌入式系统中实现数据的传输更加方便。 2.4 关于 MSP430 单片机的概述 目前，单片机的应用有着迅猛的发展，在日常生活中的应用越来越多，因此对处理 器的各项性能要求更是日益提高。一贯以来，产品都是以市场需求为依托的，以单片为 主突出解决问题。作为嵌入式系统的一部分，单片机系统的应用主要集中在中、低端领 域。目前在这些应用中也出现了一些新的需求，

36、表现在以下 4 个方面： 1.随着市场需求不断的深入复杂，对处理器的性能和功能越来越严格。既要满足功能 丰富、外设多样，又要具备一定的运算能力，能进行实时算法，而不仅仅是进行简单的 控制。 2.目前因为指纹产品体积的相关限制，在市场上极大多数是利用电池供电的同时也要 求系统低功耗。 3.对产品的要求更加高，产品更新速度快，开发所具有的时间短，同时用户希望开发 工具简单、功能完善并且廉价。尤其是需要仿真工具要可以适应多种 MCU，具有延续性， 避免重复，增加开发费用。 4.高可靠性，产品的性能相对来说很稳定，而且可以加密保护的同时又能方便升级。 现如今，单片机的应用领域越来越宽泛，而其在仪器仪表

37、中的应用优势更加凸显。单 片机目前正处于全面发展的阶段，在极力做到兼容的同时，也向着运算能力强、体积小、 扩大寻址范围、提高运行速度方面发展。面对不断提升的集成度，片内高度集成众多的 外围功能器件的条件已充分具备，这也是单片机今后发展的重要趋势之一。 2.5 UART 串口通信 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 9 UART 是一种用于异步通信的通用串行数据总线。它是一款专门用于连接计算机与 设备的芯片并且提供了 RS-232C 数据终端设备接口，这样计算机就可以和使用 RS-232C 接口的串行设备通信了。UART 作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输

38、数据的 每个字符一位接一位地传输。 其数据传输格式如图 2.4 所示： 图 2.4 UART 数据传输格式 Fig. 2.4 UART data transmission formats 结构图如图 2.5 所示： 图 2.5 UART 结构图 Figure 2.5 UART structure 其工作要求如下： UART 是计算机中串行通信端口的关键部分。在计算机中，UART 相连于产生兼容 RS232 规范信号的电路。当一个微控制器中的 UART 相连于 PC 时，它需要一个 RS232 驱 动器来转换电平。 串口分配器示意图如图 2.6 所示： 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科

39、毕业设计说明书（论文） 10 图 2.6 CR-UART8 8 路串口分配器 Fig. 2.6 CR - UART8 8-way distributor serial port 2.6 小结 本章介绍了不同生物特征识别技术的相关知识及其优缺点，并对其进行相应的对比， 然后介绍了指纹识别技术及其优点，与此同时，介绍了传感器的相关知识为下章指纹传 感器的选用做铺垫。为后面软件调试过程的介绍打好了基础。本章还对 MSP430 单片机 相关知识做了一个简介，为之后硬件电路的设计做了知识的储备，紧接着对 UART 协议 做了相关介绍，这些都是读写器在软件部分的设计与实现中涉及到的内容，为之后的理 解设备

40、的通信过程打下了理论基础。 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 11 第三章嵌入式指纹识别系统硬件的设计 硬件电路的搭建如同房子的地基一样重要，它将直接影响到读写器的性能。硬件电 路的核心是主控芯片有着无可替代的作用，因此选择一款合适的主控芯片至关重要。为 了设计一款功耗低、体积小、有巨大的信息容量、数据处理能力强、测量精度高，本文 选用 MSP430 芯片作为主控芯片，并在此基础上设计指纹识别系统。 3.1 嵌入式指纹识别系统的硬件结构 3.1.1 嵌入式指纹识别系统结构图 嵌入式指纹识别的总体设计框图如下图 3.1 所示： 图 3.1 嵌入式指纹识别系统结构图

41、 Fig.3.1 Embedded fingerprint identification system structure 指纹通过把信息传送到 MSP430 芯片，最后在 LCD 液晶显示器上显示结果。 3.1.2 硬件框图 基于嵌入式指纹识别系统的硬件组成框图如图 3.2 所示： 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 12 图 3.2 嵌入式指纹识别系统的硬件结构 Fig. 3.2 Hardware structure of the embedded fingerprint identification system 首先由 MSP430 单片机完成对指纹的采集

42、并对图像进行处理。然后，TS1011 半导体 指纹传感器将采集到的指纹图像直接转换为数字信号传送给 MSP430 单片机进行处理。 FLASH 存储器用于存放程序代码和指纹特征值。此外利用 UART 串行接口和电脑进行相 应数据交换。 3.2 主控芯片选型 3.2.1 选择具体的主控芯片类型 MSP430单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，内部精简指 令集的CPU通过冯.诺依曼结构的地址总线和数据总线连接到外围设备和可编程的时钟系 统15。MSP430混合信号处理都可以使用是由于它有一种先进的CPU与一个标准组件存储 印象的模拟和数字的外设。本课程设计中选择MSP43

43、0F2370主控芯片，如图3.3所示： MSP430 电源 晶振 Flash SDRAM TS1011 半导 体指纹传感器 键盘 输入 LCD 显示屏 RS232 PHY UART 串行接口 网络 接口 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 13 图3.3 MSP430F2370电路图 Fig. 3.3 MSP430F2370 circuit diagram 其优势如下表3.1中表 表 3.1 MSP430F2370 优势参数 Table 3.1 Track MSP430F2370 advantage 复位1 欠压保护复位包含在所有MSP430 x2xx器件中。 2

44、 由复位引起的PORIFG和RSTIFG标志位已增加到IFG1寄存器。 3 一条指令从0 x0000-0 x01FFH地址取出将复位那器件。 看门狗定时 器 所有MSP430F2370器件都集成了看门狗定时器WDT+。那WDT+确保 时钟源不失效。 时基系统1在LF模式下，LFXT1震荡器已经选择了负载电容。 2在HF模式下，LFXT1支持频率高达16Mhz的晶振。 3在LF模式下，LFXT1振荡器能够对振荡器进行查错。 4XIN和XOUT引脚分享了设备的20引脚和28引脚的部分功能。 5一些型号的设备不支持DCO的一些外部Rosc特性。在这种情况下， 软件不能设置BCSCTL2寄存器的LSB

45、。详尽的叙述还请参照设备手 册的相关章节。设备的温度稳定性明显的被提高了。 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 14 Flash存储器1消息存储起有4个64字节的段组成。段A被LOCKA位所锁定。 2LOCKA位将保护所有的消息被大量的擦除。 3一个中断的发生将能够使得段的擦除被打断。 4一个中断的到来也能够使得FLASH的更新停止。FLASH的编程电 压被降低到了2.2V以下 5烧写和擦除的时间被减少，时钟信号的无效将停止FLASH的更新。 数字I/O1端口1和端口2的内部集成了上拉和下拉电阻。 2P2.6、P2.7的功能已经被加到了设备的20引脚和28引脚上。

46、他们 和XIN、XOUT的一些功能相同。如果晶振的操作被激活，软件将不 能对这些引脚清除P2SEL位。 比较器_A比较器A已经被扩展为一个多路输入的输入电容。 低功耗在3V的情形下，典型的LPM3模式下的功耗将减少为50%。DCO的启 动时间被明显的被减少。 工作频率最大的目标频率是3.3V时达到16Mhz。 BSL一个不正确的指令将引起大量的信息被擦除。BSL的入口次序高于 阻止意外的入口和擦除的次序。 3.2.2 指令系统 430的指令系统具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址） 、 简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令16。由相应的编码和解码的CPU核心指令完

47、 成工作。模拟指令可以使代码更容易阅读和书写，它们不能本身进行编码，但它们可以 被由对应的核心指令，以便进行组装自动替换。双操作数指令、单操作数指令、跳转指 令是三个方面的核心指令。B或W的方式进行扩展。字节指令字节地址可以访问的数据字 节单元或外围设备。外设双字节指令可以访问双字节或双字节数据单元地址，如果该指 令不延伸，该指令是如在下列范围限定的2字节指令的指令源和目的的指令： SRC 源操作数被AS和S-REG所定义； DST 目的操作数被AD和D-REG所定义； AS 寻址位（依赖于所使用的寻址模式）； S-REG 用于源操作指令的工作寄存器； AD 寻址位（依赖于所使用的寻址模式）；

48、 D-REG 用于目的操作指令的寄存器； B/W 字节或者双字节操作位； 0: 双字节模式；1: 字节模式 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 15 3.2.3 寄存器描述 在 MSP430 器件中有的型号有两个通信硬件模块 USART0 和 USART1,因此他们有 两套寄存器如表3.2所示: 表 3.2 寄存器表 Table. 3.2 Track register table USART0 的寄存器 寄存器缩写读写类型地址初始状态 控制寄存器U0CTL读/写070HPUC后001H 发送控制寄存器U0TCTL读/写71HPUC后001H 接受控制寄存器U0RC

49、TL读/写72HPUC后001H 波特率调整控制寄存 器 U0MCTL读/写73H不变 波特率控制寄存器0U0BR0读/写74H不变 波特率控制寄存器1U0BR1读/写75H不变 接受缓冲器U0RXBRUF读76H不变 发送缓冲器U0TXBRUF读/写77H不变 SFR模块使能寄存器1ME1读/写004HPUC后001H FR模块使能寄存器1IE1读/写000HPUC后001H FR模块使能寄存器1IFG1读/写002HPUC后001H USART1 的寄存器 寄存器缩写读写类型地址初始状态 控制寄存器U1CTL读/写078HPUC后001H 发送控制寄存器U1TCTL读/写79HPUC后00

50、1H 接受控制寄存器U1RCTL读/写7AHPUC后001H 波特率调整控制寄存 器 U1MCTL读/写7BH不变 波特率控制寄存器0U1BR0读/写7CH不变 波特率控制寄存器1U1BR1读/写7DH不变 接受缓冲器U1RXBRUF读7EH不变 发送缓冲器U1TXBRUF读/写7FH不变 SFR模块使能寄存器1ME2读/写005HPUC后001H FR模块使能寄存器1IE2读/写001HPUC后001H FR模块使能寄存器1IFG2读/写003HPUC后001H 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 16 UXCTL 控制寄存器 76543210 PENAPEVS

51、PBCHARLISTENSYNCMSWRST PEV奇偶校验位，该位在校验允许时有效，0为奇校验，1为偶校验。 CHAR字符长度。 SYNC为UART模块的模式选择，0UART模式（异步），1SPI模式（同步）。 M多机模式选择位，0线路空闲多机协议，1地址位多机协议。 SWRST控制位，上电时该位置位,此时 USART 状态机和运行标志初始化成复状态 (URXIFG=0,URXIE=0,UTXIE=0,UTXIFG=1)。当一次系统进行复位后，只有通过对 SWRST 的 复位，UART 才能重新被允许。而接收和发送允许标志 URXE 和 UTXE 不会因 SWRST 而更改。SWRST位会使

52、 URXIE、UTXIE、URXIFG、RXWAKE、TXWAKE、RXERR、BRK、PE、OE 及 FE 等复位。 当使用串行端口设置时，起着重要的作用。一次正确的UART模块的初始化程序应该 是这样设置：先在SWRST=1时，设置串行端口，然后设置SWRST=0，最后，如果有必要中 断，设置相应的中断使能。 3.3 指纹模块选型 3.3.1 指纹模块组 本设计采用 TS1011M 系列半导体指纹模组，它是一种接触式单指纹识别设备,主要 由外壳、TS1011 半导体指纹传感器、BIOSEC0701 指纹处理芯片(含指纹存储器 和识别 算法)、通讯接口等组成。模块组如图 3.4 所示： 图

53、3.4 指纹模块组 Fig.3.4 The fingerprint module group 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 17 该指纹模组集成了高性能 ARM 内核指纹处理芯片,集成化高、积更小、功耗更低。 使用了自主研发指纹识别算法, 对指纹的各项工作全部由指纹模组自行独立的处理。在 指纹传感器设计方面,TS1011 采用晶圆塑封技术，产品具备防雾防尘防 破坏能力,有效 解决了人体静电的影响、提高了产品采像质量、增加了产品耐用性。指纹传感器内部采 用 12MHZ 系统振荡器,内置 4KHZ 低功率振荡器。 3.3.2 管脚分配 指纹模块的管脚图如 3.5

54、 所示： 1 6 图 3.5 指纹模块管脚示意图 Fig.3.5 The fingerprint module pin diagram 图中所示的各个管脚信息如下表 3.3 所示： 表 3.3 管脚分配 Table 3.3 Pin assignment 管脚 1 V_TOUCH3.3V 管脚 2 TOUCH_OUT 信号 管脚 3 VCC3.3V 管脚 4 TX OK-300-用户控制 CPU 管脚 5 RX 用户控制 CPU - OK- 300 管脚 6 GND 串口使用的是 3.3V 的 TTL 电平，在连接电脑时需要对电平进行相应的转换,同时 我们需要注意的是 V_TOUCH 需要一直提

55、供电源。 3.3.3 指纹处理芯片 内置 BIOSEC0701 指纹处理芯片如图 3.6 所示： 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 18 图 3.6 BIOSEC0701 指纹处理芯片 Fig.3.6 BIOSEC0701 fingerprint processing chip TA0701 芯片采用低成本，低功耗，小体积芯片设计为控制核心，该系列集成图安 V7 版本最新完整版本算法，基于图像和特征点混合匹配模型的算法，能适应各种指纹， 更高的通过率和更低的误识率，通过率达到 99%以上，误识率在十万分之一以内；1 比 N 比对速度在 4MS/枚；接口有 UAR

56、T 口和 USB 口；提供电脑端的调用接口。 芯片各项参数如下表 3.4 所示： 表 3.4 TA0701 芯片各项参数 Table 3. 4 TA0701 chip parameters 主频 200M 比对速度1:1 比对速度：4ms 指纹模板494 字节（图像和特征点混合匹配） 存储量根据外置 FLASH 大小而定，默认采用 W25Q40，300 个用户 分辨率 500DPI30DPI 匹配传感器光学指纹传感器、半导体滑动指纹传感器、半导体面传感器 拒识率 1% 误识率 8 字节)如下表 4.1，4.2,4.3 所示： CMD 数据格式 1.头部数据 表 4.1 头部数据 Table.4

57、.1 Data head 2.数据包 表 4.2 数据包 Table.4.2 Data Package 3.ACK 数据 表 4.3 ACK 数据 Table.4.3 ACK Data 4.3.3 用户注册模块实现 注册是可以添加新用户到系统中的嵌入式应用的重要一步。在注册模块，我们需要 确定用户的权限，普通用户只是该系统的用户。注册时，如果这是在管理员设置之前注 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 29 册，所有用户都可以行使自己的正常的用户管理系统管理员权限。一旦建立了一个系统 管理员，普通用户只能登录，只有管理员可以访问的信息管理和系统管理等模块。这使 得更

58、容易进行维护和管理系统，提高了系统的安全性。 下面给出用户注册流程如图 4.5 所示： 开始 注册 新注册 输入ID 是 否 ID重复 是 输入姓名 否 确定管理权限 采集指纹 指纹质量 不 合 格 合格 提取特征点保存 完成注册 图 4.5 注册流程图 Fig.4.5 Registration flowchart 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 30 指纹注册具体流程如下： 1.首先新用户利用ID进行注册； 2.判断ID是否重复，如果不重复则准备好执行下一步，否则，重新输入ID； 3.当ID输入完成后开始输入用户姓名； 4.然后确定用户管理权限并采集指纹；

59、5.判断指纹质量是否合格，如果合格就提取特征点并且保存，显示注册完成，否则， 重新采集数据。 在注册前我们首先要设置注册模块，设置数据如下表 4.4 所示： 表 4.4 数据格式 Table 4.4 Data format 设置完模块组后则可以进行新用户注册，注册的数据格式如下表 4.5 所示： 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 31 表 4.5 注册格式 Table.4.5Registered format 采集用户的三次指纹，比对成功后存入到模组的 FLASH 中。其中 USER ID 必须在 1-0XFFF 之间。USER ROLE 必须是 1 或者 2

60、或者 3，各个权限的定义可以由二次开发 者指定。 若是两次按压注册，则分别发命令 (CMD/ACK 都是 8 字节)，第一次命令，系统仅 采集指纹特征值缓存到内存中。第一次注册发送的命令和返回如表 4.6 所示： 表 4.6 第一次注册命令 Table.4.6 Registered for the first time 天津理工大学中环信息学院 2016 届本科毕业设计说明书（论文） 32 第二次按压命令如表 4.7 所示： 表 4.7 第二次注册命令 Table.4.7 Registered for the second time 第二次命令，需要设置 ID 值和权限，当 USER ID 为