（电工理论与新技术专业论文）基于指纹识别和射频ic技术的身份认证系统研制.pdf

盘姿盘生塑茔焦逢垂r a b s t r a c t i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o nh a sb e e nw i d e l ya p p l l e di nd e t e c t i o no fc r i m i n a lc a s e s ， a n do t h e rd o m a i n s ，w h i c hn e e da u t h e n t i c a t i o nt oc o n t r o la c c e s ss u c ha s g o v e r r m l e n t ， c u s t o m ，a n df i n a n c i a ld e p a r t m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ci n t e r c o u r s ea n d a c c e l e r a t i o n ，l i e us u c ha sb a n k s ，s t o c ke x c h a n g et h a tr e f e rm o n e ye x c h a n g i n gh a v eb e e n i n s t a l l e dc r y p t o g r a p h i e s d u et oc e d e s o b l i v i o na n dm o d i f i c a t i o n ，t h e s eu n a v o i d a b l e c r y p t o g r a p h i e sp r o v i d em u c hi n c o n v e n i e n c e f u r t h e r m o r e ，c e d e sc a nb e p r i e da n d d i s m i s s e d h e n c ei tp r o d u c e sp e r s o n a lp r o p e r t yl o s i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r a n dn e t w o r k a n dt h er i s eo f e m a i l ，i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o nh a sa l r e a d yh a v e nn e w a p p l l e dd o m a i n s f o re x a m p l e ，i nt h ea p p l i c a t i o no n e t w o r ka n dd a t a b a s e ，d 1 f e r e n t u s e r sp o s s e s sd i f f e r e n tw a r r a n t i e s ，a n d c o m p u t e r sh a v en oh u m a nb e i n g s i d e n t i f i c a t i o n a b i l i t y h e n c e ，i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o nb e c o m e sa ni n s u r m o u n t a b l e ，b u tm u s tb es o l v e d p r o b l e m t h ed i s s e r t a t i o nf i r s t l yd e m o n s t r a t e st h er e s e a r c hs i g n i f l c a t l 。no fp r o j e e tb a s e d o nd e t a i l e dm a r k e ti n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s a n dt h ew o r ki se m b o d i e di nc h a p t e ro n e c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h ei n t e g r a t e dl a y o u to fs y s t e m c h a p t e rt h r e ef i r s t l yi n t r o d u c e s t h et e c h n i c a lc o n t e n to f f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na tp r a c t i c a ld i s p o s a l ，t h e n d i s c u s s e sa l lk i n d so fd e v i c e sb a s e do nd i g i t a l i n g e r p r i n ta n dd e t a i l e dr e q u i r e m e n t s t h em a i nc o n t e n to fs y s t e mi se m b o d i e di nc h a p t e rf o u ra n dc h a p t e rf i v e ，i e t h e o r y a n a l y s i so fr e a d e r ( m fr c 5 0 0 a n dr fi c ( m f ii cs 5 0 ) ，i nc h a p t e rs i x p r a c t i c a lt e c h n o l o g y o fa n t i j a m m i n gi sa l s od i s c u s s e d + i nt h el a s tc h a p t e r ，w h i c hi sn a m e l yc h a p t e rs e v e n ， s o m ep r o b l e m so fd a t a b a s ea r ed e p i c t e d b e c a u s et h ed e s i g no fs y s t e mc o m e sd o w nt os o m ei n t e r n a t i o n a l n o r m s ，r e l e v a n t c o , t e n ti si n t r o d u c e di n a p p e n d i x 盘1 江盘生塑生焦堡圭 第l 章绪论 “作为个体的人在社会中各自承担不同的义务并享有不同的权利。可以说没有任何两个人 会承担完全相同的义务并享有完全相同的权利有鉴于此，无论在责成其完成义务还是在提供其 享有权利时都需对个人的真实身份做出认证，即保证义务与权利受体的唯一正确性。越是在涉 及重大活动时这种要求就越强烈。” 1 1 指纹作为身份认证的必要性和可能性 在我们日常生活、工作和学习中，经常遇到身份验证的问题，重要考试要用准考证，旅店 住宿要用身份证，银行取款要用身份证或密码，上班签到要打卡，领取工薪奖金要签名。各种 各样的识别卡已不能满足人们重要的机密信息或资料安全管理的需要。尽管使用者相当讨厌安 全检查机制介入他们的工作中，但管理者仍然需要这样的一种检查访问与操作处理的手续与方 法。 现行的许多计算机系统中，都是使用“用户i d + 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。而 且，如果用户忘记了他的密码，他就不能进入系统，当然可以通过系统管理员重新设定密码来 开始工作。但一旦系统管理员也忘记了自己的密码，整个系统就只有重新安装后才能工作。调 查表明，因为忘记密码而产生的问题已经成为i t 厂商售后服务最常见问题之一，密码被别人盗 取则更是一件可怕的事情，因为公司机密数据会被窃取。盗取人可以从银行、a t m 终端上提取 别人的巨额存款。实际上，密码的盗取比较容易，别人只要留意你输人口令时的击键动作，就 可以知道你的密码；密码还可以被破解，众所周知，美国一些军事机构计算机网络曾不止一次 被黑客侵人。前段时间，国际著名网站雅虎也被黑客侵入，使雅虎网站终止工作三四小时，给 美国及世界造成巨大的经济损失。尽管现行系统要求用户及时改变他们的口令，来防止盗用口 令行为，但这种方法不但增加了用户的记忆负担，也不能从根本上解决问题。 除了计算机网络及应用系统外，一些传统需要身份验证的场合，也存在着类似安全性问 题。例如证件的伪造和盗用、不正当的转借等。一些罪犯通过伪造证件进入机密场所，以窃取 机密信息。有的罪犯伪造签证和护照，非法入境或移民，这是因为传统的证件使用了易于伪造、 未经加密的纸制证件，目前很多国家已经开始在身份证上使用指纹。另一个例子是考勤机，它 的使用方便了企业进行职工的考勤管理。但传统的考勤机采用条码卡、磁卡、射频卡等各种识 别卡虽然也给考勤管理带来一定的方便性，但经常有人弄虚作假，代别人打卡等考勤舞弊行为 的发生。 所有这些问题都说明，现行的系统安全性技术已经遭遇严峻的挑战! 要防止以上弊端，采 用新的身份识别系统就显得特别重要了。 由于人体的身体特征具有不可复制的特点，人们把目光转向了生物识别技术，希望可以籍 此技术来应付现行系统安全所面临的挑战。要把人体的特征用于身份识别，这些特征必须具有 唯一性和稳定性。研究和经验表明，人的指纹、掌纹、面孔、发音、虹膜、视网膜、骨架，基 因等都具有唯一性和稳定性的特征，即每个人的这些特征都与别人不同、且终生不变，因此就 可以据此识别出人的身份。基于这些持征，人们发展了指纹识别、面部识别、虹膜识别、声音 识别以及d n a 鉴定等多种生物识g 技术，客户也一直在等待和寻找实用的生物测定技术，如果 价格合适，生物测定技术的直接用户会在今后几年内急速增长。据美国权威部门经过社会调查 而做出的科学估测，生物识别技术将成为未来十年中对人们生活最具影响力和最有发展前途的 十大应用技术之一。由于指纹所含的信息数据比较容易通过机器设备进行处理，而又不会遗忘 和丢失当其他许多技术尚未被用户考虑的时候，指纹识别已经取得先机；同样，许多应用系 统还没有被用户想到时，门禁控制、计算机安全和考勤等领域已经率先开始采用生物测定技术。 生物测定技术已经开始影响着越来越多的组织对于安全性的需求。目前许多技术都逐渐日臻成 熟并得以应用。其中指纹识别具有使用简单方便、识别准确迅速、造价经济实用等优点，因而 盘至三盘茔塑圭生焦缝塞i 指纹识别技术发展和应用远远快干其他生物识别技术的发展和应用，成为近期生物识别技术中 的热点。 g a l t o n 在指纹一书中提出了以大量指纹研究为基础，所形成的关于指纹的三条基本性 质，即： 确定性：每幅指纹的结构是恒定的在一个人的一生中永久不变； 唯一性：两个完全一致的指纹出现的概率非常小，不超过2 “。； 可分类性：可以按指纹的绞线走向进行分类。 指纹鉴定就是检查两个指纹的纹型和细节是否相符。早期的指纹识别都是人工识别，需要 指纹专家迸行鉴别。但是人工识别存在速度慢、效率低、对操作人员技能要求高等问题。上世 纪6 0 年代美国科学家开始研究计算机指纹识别系统。在8 0 年代初推出了商品化成果。在9 0 年代 中期进一步推出了在技术上更为成熟的产品，指纹的存储量和识别的准确性大为提高，已建立 了能够储存几百万乃至上千万人指纹资料的数据库。指纹查询速度也大为加快，并且实现了指 纹信息联网和信息共享，使指纹识别系统进入了商用化阶段。 指纹识别技术的发展得益于现代电子集成制造技术和快速可靠的算法的研究。尽管指纹只 是人体皮肤的一小部分，但用于识别的数据量相当大，对这些数据进行比对也不是简单的相等 与不相等的问题，而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。现代电子集成制造技术使得我 们可以制造相当小的指纹图像读取设备，同日t 个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上 可以进行指纹比对运算的可能。另外，匹配算法可靠性也不断提高，因而指纹识别技术己经非 常实用。 目前已研制成功一种指纹采集芯片，使用时只要把手指压到芯片上，芯片就能检验出这个 人指纹上特有的凹凸图像，并且通过传感器将这种指纹信息传输给相应程序进行处理。当手指 触摸芯片时，手指的皮肤就像一块金属片与芯片间形成一个原始电容。由于手指凸出部分比凹 进部分更接近芯片。所以在芯片上留下的电容就有所不同，只要测量出电容的变化值，就能精 确地采集指纹的多级灰度电子图像。该多级灰度电子图像经过滤波和基于指纹纹理的生物测量 技术，形成表征该活体指纹的特征信息，称为生物代码。对两个生物代码比较，可以得到是或 者不是的结论。对三个生物代码比较，可以得到哪两个最相似的结论。 用户也可以将两只手的两个指纹存储到系统中。其优点在于：当一只手指受伤时，另一手 指还能够提供指纹识别。特别是当两个手指的指纹都用来验证个人身份时，有助于提高识别精 度。 随着科技的进步，指纹识别技术已经开始走人了我们的日常生活之中。目前在世界上许多 公司和研究机构都在指纹识别技术的研究中取得一些突破性技术，从而推出了许多新产品这 些产品已经开始在诸多领域得以运用。北美和欧洲几年来一直是生物识别产品的主要研究和生 产基地，而且这种趋势将会继续，特别是美国将继续维持作为生物测定产品交易活动的主要地 位，其中尤以美国i n d e n t i x 和d i g i t a lp e r s o n a 推出的指纹识别管理系统的综合性能最佳在 全世界的应用范围也最广。 1 2 指纹识别系统的应用 早期的科学研究发现指纹具有两个重要特征：一是两个不同手指的指纹纹脊式样不同，另 外一个是指纹纹脊的式样终生不改变。因而人们在很早以前就开始利用指纹特征的唯一性和终 生不变性来进行犯罪身份的鉴别。2 0 世纪6 0 年代，由于计算机可以有效地处理图形，人们开 始着手研究利用计算机来处理指纹。尽管当时指纹识别系统产品的成本还比较高，但从那时起， 自动指纹识别系统在法律实施方而的研究和应用在许多国家展开。近几年，指纹识别系统产品 的成本电有较大的下降，因而指纹识别系统产品目前已不再只是国家政府和军警机关的使用专 利，已开始在各类企事业单位的门禁、考勤、密码管理等方面得到了广泛的应用。生物识别技 术被广泛接受，意味着生物识别技术在影响千万人的日常生活的各个地方使用。通过取代个人 识别码和口令，生物识别技术可以阻止非授权的访同，可以防止盗用a t m 、移动电话、智能卡、 盘垒盘生塑茔垡煎圭 普通计算机、工作站及其计算机网络；在通过电话、网络进行的金融交易时进行身份认证；在 建筑物或工作场所，生物识别技术可以取代钥匙、证件、图章和各类识别卡阅读器。 由于指纹识别系统系列产品具有其他身份识别系统无以比拟的优越性因而指纹识别系统 产品在国内外得到了广泛的应用，不仅在美国、日本、新加坡、台湾、印尼等国家得到了广泛 的应用，在国内的各行各业的应用也逐渐普及起来了。北京、吉林、厦门、太原等中国人民银 行门禁管理，杭卅l 的中国建设银行、中国工商银行、中国农业银行、深圳发展银行等银行的金 库、重要办公室及保管箱租赁业务中的身份验证，杭州司法系统监狱的门禁管理，杭州华商超 市、乐清电信局、温卅1 正泰集团、温州中国人民银行、宁波奔腾计算机公司、杭州金丝源时装 有限公司等企事业单位的考勤管理等等都已经开始进入实用阶段，并取得了良好的效果，深受 用户单位管理人员的好评。 l3 智能卡发展现状 自i c 卡问世以来，由于它安全性高、可靠性强、存储量大、便于携带，受到人们青睐。随 着全球信息产业快速增长，世界半导体市场的有力反弹，半导体技术的不断发展，i c 卡的发展 将更为迅速，表现在以下几个方面： 1 ) i c 卡使用地区不断扩大 上世纪8 0 年代中期，欧洲许多国家为实施公用电话、移动电话、银行和保健服务方面的围 家规划，纷纷采用i c 卡。到1 9 9 7 年，世界i c 卡的市场份额为：欧洲地区占6 6 9 ，亚洲占1 7 3 ， 美国占1 2 ，7 ，其它国家占3 1 。在亚洲，日本、新加坡、南朝鲜和泰国等国，i c 卡的应用发 展也在不断增加。使用i c 卡的地区在不断扩大。由此可见，全球化是i c 卡发展的一个重要趋 势。 2 ) i c 卡应用领域不断拓宽： i c 卡最初仅被广泛用作预付费的公用电话卡。1 9 9 7 年，电话卡占世界市场份额的7 5 。 在欧洲，i c 卡广泛用在银行和医疗等领域。随着人们对i c 卡的进一步了解和认识，新的应用 领域很快被拓宽。在电信领域中，i c 卡已从公用预付费电话卡扩展到移动通信手机中。以g s m 为代表的第二代移动通信技术已成熟。g s m 中使用一种接触式c p u 卡一s i m 卡，可识别身份、存 储数据。移动电话的迅速发展，为s i n 卡提供了广阔的市场。在中国，对s i m 卡的需求每年约 以i 0 0 0 万张的速度增加。为保护笔记本电脑内的重要信息，带有内置智能卡技术的手提式p c 机已开发出来，使用者只需把i c 卡插入p c 机内，输入密码就能开机使用。这种应用将随着手 提式p c 机的普及，有很好的发展前景。在预付费方面，i c 卡已从电信领域的预付费电话扩展 到水、电、热、燃气等其它领域的应用中。随着非接触式i c 卡的出现，i c 卡应用已扩展到公 交、地铁等交通领域，如香港的“八达通- 卡和韩国釜山的交通一卡通；远距离非接触卡用于高 速公路等收费系统；只读式非接触卡用于防伪系统、电子标签和物流管理等。由于i c 卡应用领 域的不断拓宽，人们随身携带的卡也将多起来，势必带来不方便，此时，多功能卡应运而生。 多功能卡又称一卡通，可一卡多用。这分两种情况，一种情况是在同一领域或行业中一张卡用 作不同的用途；另一种情况是一张卡用于不同领域或行业，即名副其实的多功能卡。多功能卡 的发展是i c 卡迅速发展的又一个重要趋势。 3 ) i c 卡技术不断发展： 1 接触卡、非接触卡和双界面卡 接触式i c 卡技术已经成熟，并在继续发展的时候，迎来了非接触式i c 卡。非接触卡由卡 内天线和芯片模块组成，将射频识别技术和i c 卡技术结合起来。其中芯片模块由射频接口、存 取控制和存储器三个模块组成。非接触卡以无需插拔卡、操作方便、较高的抗环境污染和抗静 电能力、设备无需经常维护等优点，问世仅二、三年就受到人们重视。特别是在环境恶劣、流 动性大的城市公交地铁收费系统中，非接触式卡的优势最为明显。但在一些领域中，如银行业， 已建立了接触式i c 卡的基础结构和设施，具有经过证明的技术，将继续使用接触式c p u 卡。同 时，银行界开始对采用非接触卡领域处理大的交易量很有兴趣，这样结合接触卡与非接触卡优 逝- 正盘兰墅生堡遮塞! 点的双界面卡，或称双接口卡将迅速发展起来。这种双界面卡也更容易达到多功能应用的目的。 现在流行的双界面卡有三种结构类型： a 接触式c p u 卡芯片与非接触式卡芯片，两个芯片封在同一张卡内； b 卡中一个芯片，接触部分由c p u 控制，非接触部分为逻辑加密电路，它们共用一个e e p r o m 存 储器； c 卡中一个芯片，接触与非接触运行由同一个c p u 控制。 第三种结构的双界面卡具有较高的技术水平，是今后发展的方向。 2 存储卡和c p u 卡 c p u 卡的优点比存储卡多，性能比存储卡强，但c p u 卡技术难度大、价格贵。随着半导体 技术的发展，c p u 卡的技术难度和价格都会不断下降，它的应用将会普及起来。由某公司对存 储卡和c p u 卡的市场预测来看，2 0 0 4 年，存储卡与c p u 卡的发卡量将接近。增长状况方面，存 储卡在逐渐下降，c p u 卡在逐渐上升。特别是，未来发展的行业一卡通或城市应用一卡通都要 求比较大的数据存储容量、较高的保密措施、多功能的应用，存储卡不能满足这些要求。因此， c p u 卡将是未来的发展方向。 3 j a v a 卡 j a v a 卡是能运行j a v a 程序的i c 卡，它首先由s u n 公司推出。j a v a 卡系统由j a v a 卡虚拟 机、j a v a 卡框架、j a v a 卡舔加库和j a v a 卡应用程序组成。j a v a 卡虚拟机是建立在特定集成电 路和本机操作系统执行程序上的。它与p c 或工作站上的j a v a 虚拟机不同，j a v a 卡虚拟机可永 远工作，它在e e g r o m 上建立能保存永久信息的对象，它的执行寿命就是j a v a 卡的寿命。j a v a 卡框架的目的是为方便地支持i c 卡系统和应用程序，为开发人员提供相对简单和直接的编程接 口j a v a 卡框架定义了一系列应用程序编程接口，这些接口用来开发j a v a 卡应用程序和为这 些应用程序提供系统服务。j a v a 卡添加库可为企业和特定的行业等用户根据各自的特点和要求， 增加各自所需的数据库。j a v a 卡应用程序称为a d p l e t s ，一个卡上可驻留多个a p p l e t s 而每 一个a p p l e t 都是独立的实体，其选择、执行和功能不受驻留在同一张卡上的其它a p p l e t s 的影 响。卡上的a p p l e t 只有被终端明确选择后，才会处于激活状态。s u n 公司的j a v a c a r d t m 技术 具有平台独立性，可以与具体系统平台无关地存储、更新多种应用以及具有兼容现有i c 卡标准 的能力，实现i c 卡的可互操作性。它使用户在发卡后不必发行新卡就可安装和更新应用，降低 开发成本。由于j a v a 卡技术使用的灵活性，已得到世界主要i c 卡开发和制造商的支持。s u i 公司在1 9 9 9 年第一季度就发放了i 0 0 多万张基于j a v a c a r d t m 技术的i c 卡。 综上所述，非接触式的射频i c 卡将越来越得到重视，在技术上也得到了空前的发展。因 此建立在此基础之上的智能化网络将得到长足的发展，为现代化的企业管理、公共事业以及民 用化的普及提供了极为方便的工具。 当然值得一提的是，由于世界各大公司对其的重视与发展，各自建立平台开发了基于非 接触式r fi c 国际标准的卡片和读写卡机具，虽然在很大程度上推动了社会的发展，但也由此 带给众多用户的烦恼：持卡太多，不便于记忆必要的卡号，给遗失的补办带来困难。 从总体而言，利大于弊，这种局面有待于将来国际标准的进一步统一和细化。 1 4 非接触式i c 卡读写机具的现状 非接触式i c 卡读写机具内设置有r f 电路和天线，难度大一些，同时在市场上出现得较晚一 些，因此能提供产品的厂商还不多主要集中于飞利浦公司的代理商。 t y p ea 型非接触式卡及其读写机具源于飞利浦公司，是该公司的专利，且其有关数据加密 的情况是保密的，所以使用m i f a 口, e 卡还要使用该公司的读写器。 以色列的o t i 公司对非接触式卡系统的发射和接收部分具有深入的研究，处于领先地位。研 制t y p eb 型产品的公司相对来说比较多一些。 国内公司起步较晚，还不能独立提供自制的产品。但是，可以相信改变这样局面的时间不 会太迟，因为公交等系统采用非接触式卡。这一良好的商业机会会加速我国非接触式卡读写机 逝江盘鲎墅堂焦逢塞5 具的研制步伐。 1 5 本文工作和主要内容 本方案采用“射频i c * 指纹识别”技术目的在于： 可以脱机使用 由于个人的指纹信息存储在i c 卡中，比对时不需要通过上位机的指纹数据库调用存档的指 纹信息，所以可以进行脱机使用。 便于携带 适合于流动作业场所要求的特点。如：考勤身份验证系统，汽车驾驶培训身份验证系统等。 不需要大的数据库 由于指纹信息直接存储在射频i c 卡中，因而指纹机具不需要大的数据库存储指纹特征数据。， 采集和验证指纹灵活方便 采用传统的指纹机具需要大的数据存储区存储指纹特征数据，增加了应用程序的复杂性。 同时，降低了比对速度。此外，采集到的指纹数据通过算法并不能保证系统的安全性得到完全 确保。因此，采用“射频i c + 指纹识别”技术使得算法简化，比对速度快，误识别率低。 安全性的提高 每张射频i c 卡具有唯一的卡号，此外可以通过相应的扇区加密i c 卡，因此系统具有极高的 安全性。 降低了成本 该方案对于数据存储区的存储容量要求大大降低同时降低了应用程序的复杂性，所以从 软、硬件两方面角度来说，都降低了成本。 根据市场调研分析，目前国内在基于飞利浦非接触式卡读写核心芯片基础上的开发还有待进 一步的发展。本研究课题涉及指纹识别、非接触式i c 和后台数据库内容，把它们作为一个整体 实现。由于实际情况，本文侧重点放在基于飞利蒲非接触式卡读写核心芯片基础上的开发。就这 一点而言，对加速我国非接触式卡读写机具的研制步伐将起到积极作用。 系统实现的衔接部分是基于射频i c 技术的。在大量比对读写芯片的基础上，决定采用m f r c s 0 0 作为核心元件。因此对于飞利浦非接触式卡读写核心芯片和非接触式i c 卡必须要有一个 总体的认识和把握，这也是本文的重中之重。 设计思路：射频i c 内核由读写芯片和射频i c 卡内核芯片组成，通过微机系统对其控制， 从而构成感应模块。在这基础上与其它常规电路( 如：h m i 、存储电路、同步时钟、通讯接口等) 衔接，然后和上位机数据库系统构成一个完整的系统，可以方便地应用于考勤、出人身份验证、 汽车考试等场合。 此课题中，本人主要参子系统射频硬件电路设计。虽然未详细加入其余部分的具体设计但 考虑到系统的完整性，补充了指纹部分和后台上位机部分的内容以构成一个完整的整体。 本人具体工作内容表现在： 市场调研和分析，这决定了本课题的研究意义和实现可能： 资料的收集、整理和部分文献的翻译工作； 系统整体的规划； 与系统供应商的沟通和联系，这决定了本系统的框架； 系统细节的参予设计和学习，包括：原理图、p c b 、部分下位机程序的设计、射频问题和上 位机部分内容的研究讨论； 成品化的部分工作，包括：部分元器件的采购和产品外形设计的工作； 毖、江盘生塑芏焦硷妻一 e 第2 章数字指纹智能卡复合系统 本章将给出指纹i c 卡复合系统的整体结构图和泼系统的主要功能。并对该系统总体结构进 行简要的描述。对于总体结构图核心部分的详细描述可参见后续几章。 2 1 系统结构描述 如第一章所指出的，就基于数字指纹设备的使用场合而言，大体可分两大类：无i c 卡与有 i c 卡。 系统。 指纹认证系统采集完整的指纹图像，将指纹图像或指纹数据保存在机内，并用读写芯片m f r c 5 0 0 把数据写入卡中。通过串行的接口电路把指纹信息输出给i c 卡读写系统。在选型时，要求 指纹认证系统的指纹误识率f a r o 0 0 0 1 ，指纹拒真率f r r 0 0 1 ，以保证系统运行的可靠性。 i c 卡读写系统通过m c u 对读写芯片哪r c 5 0 0 进行控制，读取i c 卡( m i f a r f , s t a n d a r d ) 中的信 息，然后和来自指纹认证系统的输出指纹信息进行比对，判断个人的身份。读写卡头和e m c 匹 配电路组成本课题的研制重点具体内容参见第4 、5 章。串行接口电路采用常规的r s 2 3 2 r $ 4 8 5 接口，长距离通讯采用r s 4 8 5 电路。由于该系统考虑在人数较多的情况下使用，因此，存储器采 用存储容量较大的f l a s h 装置。系统预留有检测和控制用数字i o 端口，以便提供给诸如起动汽 车控制信号等。具有电源指示灯工作及指示灯错误警告。 2 2 系统主要功能 系统的主要功能应满足如下要求： 1 ) 能够采集完整的指纹图像，并将采集的指纹图像以数据方式存人身份i c 卡中； 2 )能够从i c 卡中读取指纹数据与持卡人指纹进行鉴定并输出相应的信息； 3 能够将指纹图像或指纹数据保存在机内； 浙江大茔硕士学位论文 7 4 ) 指纹数据长度4 0 0 b ( 加密) 指纹误识率f a r 堑江大生项士学位论文! z 高性能高质量图像：要求使用散射技术，使采集图像效果好。采集分辨率为5 0 0 d p ie ： 外型尺寸要求小，可以方便地嵌人到各种设备中； 坚固外壳可以承受强大冲击力； 坚固的棱镜表面可以防止刮伤； 传感器面积要求大； 2 ) c p u 高速1 6 位通用微处理器： 3 ) 高速3 2 位d s p 芯片专用于数字图像处理。具有1 6 位的并行处理单元，处理速度达4 8 0 m i p s 。 支持快速数据迁移和a n s ic 语言，并有很强的定点浮点计算能力，以满足数字滤波需要： 4 ) 数据存贮器是5 1 2 k b 的3 2 位高速同步动态存取存储器； 5 ) 程序存贮器是可改写型只读e e p r o m ，存贮了处理单个活体指纹信息全部程序代码； 6 ) 电源电路由于指纹认证部分可以单独存在，故有相应的电源电路； 7 ) 通信接9 是将指纹传感器所采录的活体数字指纹传送到d s p 的通道，同时也是将经过处理表 征该活体指纹特征的数字生物代码内外传送的通道： 堂江盘生塑圭生焦造圭 2 第4 章读写器芯片系统 读写器采用m fr c 5 0 0 模块作为核心元件。m fr c 5 0 0 是应用于1 3 5 6 z 非接触式通信中高 集成读卡i c 系列中的一员。它利用了先进的调制和解调概念，完全集成了1 3 5 6 m h z 下所有类 型的被动非接触式通信方式和协议。m fr c s 0 0 支持i s 0 1 4 4 4 3 a 所有的层。内部的发送器部分 不需要增加有源电路，就能够直接驱动近操作距离的天线可达l o o m m 。接收器部分提供坚固 而有效的解调和解码电路用： = i s 0 1 4 4 4 3 a 兼容的应答器信号。数字部分处理i s 0 1 4 4 4 3 a 帧和 错误检测奇偶c r c 。此外它还支持快速c r y p t o i 加密算法，用于验证m i f a r e 系列产品。方 便的并行接口可直接连接到任何8 位微处理器。这样给读卡器终端设计提供了极大灵活性。 4 1 读写芯片工作原理 4 1 1 特性和应用场合 高集成度模拟电路用于卡应答的解调和解码 缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线 近距离操作( 可达l o o m m ) 用于连接1 3 5 6 m h z 石英晶体的快速内部振荡器缓冲区 时钟频率监视 带低功耗的硬件复位 软件实现掉电模式 并行微处理器接口带有内部地址锁存和i r q 线 自动检测微处理器并行接口类型 易用的发送和接收f i f o 缓冲区 支持防冲突过程 面向位和字节的帧 唯一的序列号 片内时钟电路 支持m i f a r ep r o 和i s 0 1 4 4 43 a ( 透明模式且t = “c l ”) 支持m i f a r ec l a s s i c c r y p t o l 以及可靠的内部非易失性密钥存储器 支持m i r f a r e 有源天线 适合于高安全性的终端 m fr c 5 0 0 适用于各种基于i s o i e c1 4 4 4 3 a 标准并且要求低成本小尺寸高性能以及单电 源的非接触式通信的应用场合，如： 公共交通终端 手持终端 板上单元 非接触式p c 终端 计量 非接触式公用电话 4 1 2 方框图 并行微控制器接口自动检测连接的8 位并行接口的类型。它包含一个易用的双向f i f o 缓冲区和一个可配置的中断输出。这样就为连接各种m c u 提供了很大的灵活性。即使使用非 盘姿盘生堑堂垡堡圭 静蛞成本的器件也能满足高速菲接触式通信的要求。 数据总线b 。 一c r y p t o1 安l f 一全及密匙存储l 儿儿、e = ：! 竺! i 模拟电路 位解码 地址总线 令 带? i f o 缓存器并 钐 数据处理 输出驱动 。 行微控制器接口 并串行转换 画bc r c 校验生成及检验 帧生成及检验 位编码解码 图4 ，lm fr c 5 0 0 方框图 数据处理部分执行数据的并行串行转换。它支持的帧包括c r c 和奇偶校验。它以完全透 明的模式进行操作，因而支持i s 0 1 4 4 4 3 a 的所有层。 状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响并使性能调节到最佳状态。 当与m i f a r es t a n d a r d 和m i f a r e 产品通信时，使用高速c r y p t o i 流密码单元和一个可 靠的非易失性密钥存储器。 模拟电路包含了一个具有非常低阻抗桥驱动器输出的发送部分。这使得最大操作距离可 达1 0 0 m m 。接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。由于采用了非常先进的技术，接收 器已不再是限制操作距离的因素了。 4 1 3 管脚说明 该器件为3 2 脚s o 封装。器件使用了3 个独立的电源以实现在e m c 特性和信号解耦方面 达到最佳性能。m fr c 5 0 0 具有出色的r f 性能，并且模拟和数字部分可适应不同的操作电压。 图4 2 ( a ) 管脚图图4 2 ( b ) 实体图 澎江盘生塑茎垡逢圭 ! 天线接口 非接触式天线使用以下管脚 名称类型功能 t x l t x 2输出缓冲天线驱动器 w m i d 模拟 参考电压 r x 输入模拟天线输入信号 表4 1m fr c 5 0 0 天线管脚描述 为了驱动天线，m fr c 5 0 0 通过= x l 和t x 2 提供1 3 5 6 m h z 的能量载波。根据寄存器的设 定对发送数据进行调制得到发送的信号。卡采用r f 场的负载调制进行响应。天线拾取的信 号经过天线匹配电路送到r x 脚。m fr c 5 0 0 内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器 的设定进行处理。然后数据发送到并行接口由微控制器进行读取。 并行接口 下面列出的管脚用于控制并行接口 1 名称类型功能 d o d 7 带施密特触发器的i 第4 页：射频定时和通道冗余 地址h e x寄存器名功能 2 0 p a g e选择寄存器页 2 1r x w a i t选择在发送以后，接收器起动前的时间间隔 2 2 c h a m n e l r e d u n d a n c y选择在射频通道完整的数据种类和模式 2 3c r c p r e s e t l s bc r c 寄存器预设的l s b 2 4c r c p r e s e t m s bc r c 寄存器预设的m s b 2 5p r e s e t 25杖磐数值不可改变 2 6m f o u t s e l e c t 选择提供给m o u t 的内部信号 2 7p r e s e t 27杖尝数值不可改变 表4 i 0m fr c 5 0 0 寄存器页4 第5 页：f i f o ，定时器和m q 配置 地址h e x寄存器名功能 2 8 p a g e选择寄存器页 2 9f i f o l e v e l 定义超过或低于f i f o 存储的警告 2 at i m e r c l o c k选择定时器时钟的分配器 2 bt i m e r c o n t r e l选择定时器起动和停止的条件 2 ct 1 m e r r e l o a d 定义定时器的预设值 2 d i r q p r n c o n f i g配置针脚i r q 的输出 2 ep r e s e t z e彼此数值不可改变 2 fp r e s e t 2 f杖蝼数值不可改变 表4 1 1m fr c 5 0 0 寄存器页5 第6 页：r f o ( 保留给未来使用) 第7 页：测试控制 地址h e x寄存器名功能 i 3 8 p a g e选择寄存器页 l 3 9r f u保留给未来使用 3 at e s t a n a s e l e c t选择模拟测试模式 3 bp r e s e t 3 b杖毡数值不可改变 3 cp r e s e t 3 c杖地数值不可改变 3 d t e s t d i g i s e l e c t选择数字测试模式 3 er f u保留给未来使用 3 fr f u保留给未来使用 表4 1 2m fr c 5 0 0 寄存器页7 m fr c 5 0 0 的寄存器集合被分成8 页，每页又有8 个寄存器。不管当前页是否被使用，页寄 存器总是被编址。每一个寄存器对应8 位，具体的位说明参见文献”。 4 1 ，4 2 寄存器编址模式 有3 种机制操作m fr c 5 0 0 ： 初始化功能和通过执行指令控制数据的操纵 通过配置位配置电子和功能行为 通过读取状态标志位监控m fr c 5 0 0 状态 通过微处理器访问指令，配置位和标志。m fr c 5 0 0 可编址6 4 个寄存器( 6 根地址线) 。 4 1 4 3 专用地址和多路( 复用) 地址总线 使用m fr c 5 0 0 专用地址总线，微处理器可以通过地址针脚a o ，a l ，a 2 定义3 个地址线。 这允许在一个页内编址。为了切换不同页内的寄存器，需要使用分页机制。使用多路( 复用) 地址总线，微处理器可以立刻定义所有6 个地址线。在这种情况下，分页机制或线性编址可 以被使用。 4 1 5e e p r o m 存储器组织 e e p r o m 存储器用来存储产品信息域，起动寄存器初始化文件，寄存器初始化文件和 c r y p t o l 密钥。 4 1 5 1 总览 i 块号块地址字节地址访问权存储内容 f 000 0 一0 f 产品信息域 i 1l1 0 - - 1 f r w起动寄存器初始化文件 222 0 - - 2 fr w 寄存器初始化文件 333 0 - - 3 fr w c r y p t o l 密钥 444 0 - 4 f r wc r y p t o l 密钥 555 0 - - 5 fr w c r y p t o l 密钥 块号块地址字节地址访问权存储内容 666 0 6 f r wc r y p t o l 密钥 777 0 ，7 fr h ； c r y p t o l 密钥 888 0 - - 8 f c r y p t o l 密钥 9990 - - 9 f c r y p t o l 密钥 1 0aa d a fc r y p t o l 密钥 1 lbb 0 b ?c r y p t o l 密钥 i 2cc 0 c f c n r p r 0 1 密钥 1 3dd o ，d f c r y p t o l 密钥 1 4ee 0 e f c r y p t o l 密钥 1 5ff 0 f f c r y p t o l 密钥 1 61 01 0 0 - 1 0 f c r y p t o l 密钥 1 7uu 0 ，- - 1 1 f c r y p t o l 密钥 1 81 21 2 0 1 2 f c r y p t o l 密钥 1 91 31 3 0 - 1 3 f c t t p t o l 密钥 2 01 41 4 0 1 4 f c r y p t o l 密钥 2 11 51 5 0 1 5 f c r y p t o l 密钥 2 21 61 6 0 - 1 6 f c r y p t o l 密钥 2 31 7l7 0 r - 1 7 f c r y p t o l 密钥 241 81 8 0 r 18 f c r y p t o l 密钥 2 51 91 9 0 i 9 f c r y p t o l 密钥 2 6l a1 a o 一- - l a f c r y p t o l 密钥 2 7i b 1 8 0 1 b f c r y p t o l 密钥 2 8i cl c 0 - t - i c f c r y p t o l 密钥 2 9 i di d 0 1 d f c r y p t o l 密钥 3 0i e1 e 0 ，1 e f c r y p t o l 密钥 3 1i fi f o - i f f c r y p t o l 密钥 表4 1 3 m fr c 5 0 0e e p r o m 存储器组织 4 1 5 2 产品信息域 产品信息域由1 6 个字节( 0 - 1 5 ) 组成。其中字节。至字节4 用于产品类型识别，对应值为 ( h e x ：3 0 、8 8 、f 8 、0 0 、x x ) 。字节5 至字节7 是r f u 。m fr c 5 0 0 系列每一个产品都有一个唯 一的4 字节序列号，存放在字节8 至字节1 1 。字节1 2 至字节1 4 用于内部修整参数。产品信息域 的内容通过一个c r c ( 字节1 5 ) 字节保护，在起动时棱检查。 4 1 5 3 寄存器初始化文件 使用起动寄存器初始化文件，从1 0 ( h e x ) 到2 f ( h e x ) 的寄存器地址在初始化阶段被 自动初始。此外，用户可以执行提供给寄存器初始化数值的l o a d c o n f i g c o r m , a n d 指令来初 始化m fr c 5 0 0 。 注意： 页寄存器( 带有十六迸制1 0 ，1 8 ，2 0 ，2 8 的地址) 被跳过，不被初始化 确信所有预设寄存器不被改动 逝江盘兰塑芏垡逢童! ! 确信r f u 被设置为0 4 1 5 4 起动寄存器初始化文件内容 在自动初始化阶段，e e p r o m 存储器块地址1 和2 中的内容用来初始化m fr c 5 0 0 寄存器 i 0 ( h e x ) 到2 0 ( h e x ) 的内容。在生产阶段，默认的数值写人e e p r o m 。 e e p r o m寄存器数值描述 字节地址地址 1d1 00 0页：用户自由使用 l l 1 1 5 8t x 控制：发射针脚t x i 和t x 2 关断，桥接驱动配置，来自内部 数字电路的调制器驱动 1 2 1 2 3