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重庆工学院保险柜指纹遥控器的研制,毕业设计论文
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毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 重庆工学院 2004 届毕业设计论文 题目：保险柜指纹遥控器的研制系 名 称 电子工程系 班 级 0071-4 姓 名 白 明 学 号 34 指 导教 师 胡 文 金 教研室主任 张 莲 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 目录 Abstract 摘要 1 绪论 1 1.1 指纹遥控保险柜的现状与发展 1 1.2 指纹遥控器的设计思路 2 1.3 保险柜指纹遥控器研制的意义 3 2 方案设计 6 2.1 系统需求分析 6 2.2 方案的比较与确定 6 2.3 本设计方案的特点 13 2.4 方案综合论证 14 3 本课题关键技术的试验 16 3.1 红外通信试验 16 3.2 嵌入式系统的应用与试验 18 3.3 指纹模块测试试验 19 4 硬件设计 20 4.1 系统总体设计 20 4.2 功能模块的实现 20 4.3 系统综合电路原理图 28 4.4 实用电路板设计 28 5 软件设计 30 5.1 需求分析 30 5.2 概要设计 30 5.3 详细设计 30 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 6 调试与测试 36 6.1 指纹遥控器硬件的测试 36 6.2 指纹模块的通信测试 36 6.3 指纹遥控器系统测试 37 6.4 保险柜指纹遥控联合测试 38 7 结论 39 8 致谢 40 参考文献 41 附录一 红外通信实验内容 附录二 指纹遥控器电路原理图 附录三 指纹遥控器电路板图 附录四 指纹遥控器部分源程序 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 Abstract This paper is detailed to expatiate the whole process that, making use of the embedding microcontroller of Philips LPC2104/5/6, which according to the structure of the ARM7TDMI-S system, how to design and develop a fingerprint remote controller of the safe kit. Among it, after synthesizing argument design project, the point discussed the process that how to design the hardware of the fingerprint remote controller by using the LPC210x microcontroller. At the same time， it is showed that the basic thinking of that, how to develop the software for the system and how to debug the system. As an embedded system design, the design of this time involves many front along technical, such as the infrared communication technique, the fingerprint identifies technique, the embedded system technique, and so on. As an indivisible part of this design, this paper shows all on the infrared communication technique researching with experiment, and describes the experiment of embedded system and the test of fingerprint module. Keywords: ARM, LPC210x, Embedded, Embedded System, Ifrared Communication Technique, Fingerprint Identifies Technique, Fingerprint Remote Controller nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 摘要 本文详细阐述了， 利用基于 ARM7TDMI-S 体系结构的嵌入式微控制器Philips LPC2104/5/6， 进行保险柜配套指纹遥控器设计开发的全过程。 其中，在综合论证设计方案之后，重点讨论了基于 LPC210x 微控制器的指纹遥控器的硬件设计过程，并给出此系统的软件开发与系统调试的基本思路。作为嵌入式设计的基本特征，本次设计涉及到许多前沿技术的探讨，如红外通信技术，指纹识别技术，嵌入式设计技术等。作为本次设计不可分割的一部分，本文对设计中红外通信的研究与试验进行详尽的阐述，并对嵌入式系统实验与指纹模块的测试试验作了相应的说明。 关键字： ARM， LPC210x，嵌入式，嵌入式系统，红外通信，指纹识别，指纹遥控器 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 1 绪论 在社会飞速发展的今天，经 济发展日新月异。由于中国人口基数 大，平均素质相对不高，经济条件还比较落后，信息技术的发展特别是无币化进程还有待时日， 至少在 5 到 10 年内还不能实现无币化交易。 而经济的蓬勃发展，使得大量现金注入市场，一方面更大程度的促进经济运作，一方面也给资金的使用上带来极大的隐患。这也是保险柜市场在中国不断升级的根本原因。 目前市场上的保险柜系统， 很多还是基于传统技术开发的，综合 性能已明显不足。部分保险柜已经采用比较先进的技术进行设计，甚至有的用上了性能很好的生物识别技术，具有极高的身份识别能力。但由于大都采用用户身份识别及控制器与保险柜控制器一体化的设计结构，因而在防破坏性盗取上存在着先天的不足。 因此，急待一种能够防破坏 性盗取的、综合性能优秀的保险柜系 统，以弥补市场的不足。而实际上，尽管历史上发生的多起保险柜偷盗事件都是采用破坏性盗取的，但是到目前为止，尚未发现有综合性能良好、能够有效防止破坏性偷盗的保险柜系统。 本课题将研制一种能够有效 防止破坏性盗取、综合性能优秀的保 险柜系统。此系统中，采用用户身份识别及控制器即本课题中的指纹遥控器，与保险柜控制器相分离的结构，以加强保险柜柜体构造的方式，利用指纹遥控器、保险柜嵌入式控制器双重身份认证的机制，为用户提供一种真正能够防破坏性盗取、综合性能优越的保险柜系统方案。 1.1 指纹遥控器的现状与发展 基于计算机的指纹识别技术已经有了近 20 年的发展历程。 到如今， 指纹识别技术已经比较成熟， 各项指标都能很好的满足一般用户的基本需求。然而，指纹遥控器的使用还是凤毛麟角。但是，无可否认，指纹遥控器的出现和使用，将使很多使用过程变得简单、安全、可靠、人性化，而且能为用户提供极大的方便。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 今天，指纹遥控器已经在某 些狭窄的领域有所应用。如，有些高 级轿车，已经开始采用便携的指纹遥控器来控制车门的开关，以实现轿车的防盗，并为用户的使用提供方便。这一切，无不预示着，使用指纹遥控器将会给用户带来前所未有的好处和方便。 好的东西总是逐渐被大多数 用户广泛采用的。指纹遥控器也 不例外。现在已经有人提出，希望将指纹遥控的技术应用在保险柜，仓库，门禁等设备或领域中，以便在加强系统安全的同时，使操作过程也变得更加简单、方便和人性化。不难预料，在不久的将来，指纹遥控器将在更为广阔的领域里得到应用。 1.2 指纹遥控器的设计思路 本课题中的指纹遥控器， 将在现有的指纹模块的基础上进行二次开发，并综合嵌入式设计技术，以实现系统的高性能，小体积，与低功耗。 整个指纹遥控器的设计可以采用嵌入 式系统设计的基本流程进行展开。其中，嵌入式系统设计的基本流程如下图 1-1： 体系结构设计硬件设计 执行装置设计 软件设计 系统集成 系统测试 产品 系统需求分析图 1-1 设计 流程 在本课题的具体设计中，重点在硬件设计与软件设计两个方面。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 从硬件角度看，指纹遥控器的系统框图如图 1-2 所示。 嵌入式微处理器系统指纹传感器 指纹功能模块 无线发送模块 图 1-2 硬件 设计思路 用户使用接口 从软件设计角度看，指纹遥控器系统的设计思路如图 1-3 所示。 开始 系统初始化 指纹模块初始化 用户输入检测 状态字检测相应处理 YN 图 1-3 软件 设计思路 1.3 保险柜指纹遥控器研制的意义 保险柜指纹遥控器作为指纹 遥控保险柜的一个主要组成部分，要 求具有可靠性高、安全特性好、反应速度快、使用方便简洁等特性，其研制过程具有涉及知识多，应用技术新等特点。因而，指纹遥控器的研制，具有特别的意义。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 1.3.1 市场前景良好 首先，指纹遥控保险柜的研 制具有良好的市场前景。其良好的市 场前景主要可以从以下几个方面说明： 其一，保险柜市场仍在升级 ，高级保险柜具有比较大的市场。中 国经济快速发展，以及中国目前基本国情，使得大量现金被注入市场的同时，不能很快实现无币化交易，这使得高级保险柜仍有较大得市场空间。 其二，指纹遥控保险柜具有 极高的综合性能，将能更好的满足用 户全方位的需求。该指纹遥控保险柜具有较高的可靠性和安全性，较快的反应速度，并具有易用性等特点，这使得整个系统的综合性能得到了极大的提高。而市场上，用户正在谋求的就是这种能够满足其全方位需求，综合性能好的保险柜。 其三，该指纹遥控器具有较 高的性价比。由于采用嵌入式设计， 使得在保证系统高性能的同时， 较大程度的降低了制造成本与用户的使用成本。 仅从以上几个方面就可以看 出，保险柜指纹遥控器的研制确实具 有良好的市场前景。 1.3.2 专业知识的实践与拓展 指纹遥控器的研制是自动化 专业知识的一次具体实践，也极大的 拓展了个人的专业知识。 指纹遥控器的设计过程中， 将涉及到许多新知识，新技术。其中 涉及的主要技术有指纹识别技术，嵌入式系统与嵌入式设计技术，红外通信技术等。这些技术最显著的特点是专和新。指纹遥控器的设计过程，也是对这些知识技术的研究过程。 指纹遥控器的设计过程也是 一个贯穿了实践的过程。由于嵌入式 设计的基本特点，使得设计过程中贯穿了对各种技术的测试、实验成为必然；这也是嵌入式设计的重要组成部分。因此，指纹遥控器的设计过程，是理论与实践紧密结合的过程：通常，必须依据相关理论来指导实验的进行，而实验的本身又是对相应理论的验证与检验的过程。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 1.3.3 嵌入式开发的探索与尝试 指纹遥控器的研制过程更多 的体现在对嵌入式设计开发的探索与 尝试上。 嵌入式系统公认已有 30 多年发展历程， 然而， 嵌入式系统如此受关注仍然是近两年的事。究其原因，是因为当今社会，嵌入式系统在对社会工具性能的提高上具有前所未有的优越性，并已经、或将要主导我们的生产生活方式。 然而，嵌入式设计的基本特 点决定着嵌入式设计具有知识面杂而 广、应用技术专而新的基本特征，从这一方面讲，嵌入式设计通常是一个非常艰难的过程。如何快速有效的进行嵌入式设计与开发，是众多嵌入式系统的从事者共同关注的焦点。 本课题中研究与开发的指纹 遥控器，仅作为嵌入式系统设计的一 次具体探索与尝试。无论结果如何，都将具有深远的意义。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 2 方 案设计 2.1 系统需求分析 指纹遥控保险柜控制系统， 包括指纹遥控器与嵌入式控制器两个 子系统。本课题研究与开发的保险柜采用特殊的制造结构，保险柜本身采用全封闭双层加厚钢板和特殊夹层加工而成，装配时采用异形螺钉，用户购买后采用异形地脚螺钉进行固定，所以不宜拆卸和搬迁，杜绝毁坏性作案。保险柜的开关门由液压系统控制，具有极大的力量，无法通过人力阻止门的开关动作；柜体采用 5 10 公分的特殊夹层制造，即使是高达 3000以上的炔氧焰也无法割开； 柜身通过四角的异形桩钉与地面连成一体， 因此，一旦保险柜安装完毕，要想移动保险柜将是十分困难的；保险柜采用非通用的螺钉，而且每个保险柜的每颗螺钉的分布的位置均不相同，因而不易拆卸。鉴于保险柜的这种特殊工艺和控制需求，保险柜控制系统则必须可靠。 平均无故障时间 （ MTBF） 很 高的系统才能满足其基本要求， 否则对其维护和检修将是难以想象的。 保险柜通过内嵌的控制器接 收指纹遥控器的命令来实现开关门控 制，这就对指纹遥控器有相应的要求：系统的性能必须非常可靠，确保实现保险柜系统的准确控制；系统要求有极高的安全特性，防窜改、防窃听、防伪造。 此外，作为遥控器，还有相 关的要求：功耗低，便于电池供电； 实时性强，便于处理突发事件；人机界面好，便于操作；体积小，便于使用和携带；成本低，便于规模化生产和市场开拓。 鉴于这些基本需求，采用嵌 入式设计，将能从根本上实现系统的 高性能，低功耗，小体积。在芯片的选型上，尽量采用表贴元件，以实现系统在功耗和体积上的要求。 2.2 方案的比较与确定 依据系统的初步要求，至少 可以有以下几种可行的设计方案，分 别如图 2-1，图 2-2，图 2-3，图 2-4，图 2-5。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 8位单片机指纹模块时钟电路复位电路指示电路ROM 电路RAM 电路EEPROM 电路按键输入电路图 2-1 方案 一 无线电发射装置8 位 嵌入式微 控制器电源管理电路按键输入电路 时钟电路 指纹识别模块 图 2-2 方案 二 EEPROM 电路 无线电装置 复位电路 显示指示电路 8 位 嵌入式微 控制器电源管理电路按键输入电路 时钟电路 指纹识别模块 图 2-3 方案 三EEPROM 电路 蓝牙通信模块 复位电路 显示指示电路 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 8 位 嵌入式微 控制器电源管理电路时钟电路 EEPROM 电路 指纹识别模块 红外通信电路 复位电路 按键输入电路 显示指示电路 图 2-4 方案 四32 位嵌入式微 处理器时钟电路复位电路红外通信电路 指纹识别模块 指示显示电路调试接口 电源管理电路 按键输入电路图 2-5 方案 五以上几种不同的设计方案， 其不同点主要集中在 CPU 的选型与无线通信方式的选择上。其实，不仅如此，就连指纹识别模块的选型，也是一个值得关注的问题。因为，不同的指纹模块往往性能差别比较大，还可能需要不同的软硬件支持与不同的设计结构。 因此，方案的比较与确定，应该集中在 CPU、无线通信方式、以及指纹识别模块等的选型上，这些才是方案的核心所在。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 2.2.1 CPU 的选型 在嵌入式设计中，首先应该确定是应该选择哪种 CPU。采用不同的CPU，将决定着开发环境和开发工 具、以及开发平台的异同。同时， CPU往往也直接或间接的影响着系统的设计结构与模式。因此， CPU 的选型与确定在嵌入式开发中具有举足轻重的地位。 在嵌入式系统设计倍受关注 的今天，已经有很多嵌入式微处理器 可供选择。 其中有： 最流行、 最普遍的 8 位单片机 （如 MCS-51 系列） ， 功能强大的 Power PC 嵌入式微处理器，综合性能突出的 AV R 系列嵌入式微控制器，性能稳定可靠的 68HC0X 系列嵌入式微控制器，以及 PIC 系列嵌入式控制器， TMS320C2000/5000 系列数字信号处理器； 16 位 MCS-96 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 系列嵌入式微处理器，电源效率高、功能强、应用越来越广泛的 32位 ARM 系列嵌入式微处理器等。究竟选择哪种嵌入式 CPU，并不是没有考究的。 要选择一款合适的嵌入式 CPU 往往从以下几个方面来综合考虑： 首先选嵌入式 CPU 的位数，通常，位数的高低往往反映着 CPU 性能的高低；其次选嵌入式 CPU 的技术支持，是否有便于设计和调试的集成开发环境，是不是有比较好的调试方法及调试工具；再者选嵌入式 CPU 的集成外设，能否最大限度的减少周围接口电路的复杂性； 此外， 还应该注意选 CPU 的生命力与以后的发展空间等。 综合考虑之后，我们决定选择基于 ARM 体系结构的嵌入式 CPU。其优势在于： ARM 是基于精简指令系统 （ RISC）的 32 位内核， 代码效率高，运行速度快， 综合性能强； ARM 公司是靠出售内核许可权赢利的 IP 公司，本身并不生产芯片，这使得其能更加专注于设计，提供更加完善的服务；ARM 公司在全球拥有 100 多个合作伙伴， 包括半导体工业的著名公司，这使得各个公司能够根据自己的优势，在芯片集成各种富有特色、性能突出的外设，提高系统的综合性能， 从而普遍具有较高的性能价格比； ARM提供开放的设计平台， 这样， 其他公司或个人可以根据 ARM 的特点设计出nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 各种 ARM 的支持系统， 这包括各种开发环境， 调试、 测试工具， 实用文档等； 此外， 基于 ARM 体系结构的嵌入式微处理器普遍具有较低的价格和高性能，已经有比较完善的集成开发环境 (如 SDT， ADS 等 )和调试测试手段 (如 JTAG， EmbeddedICE， RealMonitor 等 )。 在基于 ARM 体系结构的嵌入式 CPU 中， 我们优选了基于 ARM7TDMI体系结构的 S3C44B0X 嵌入式微处理器和基于 ARM7TDMI-S 体系结构的LPC210X 系列的嵌入式微控制器。这两款嵌入式微处理器在国内拥有较好的技术支持。 基于 ARM7TDMI 的 S3C44B0X 嵌入式 CPU Samsung S3C44B0X微处理器是三星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案，它使用 ARM7TDMI核，工作在 66MHZ。 为了降低系统总成本和减少外围器件， 这款芯片中还集成了下列部件： 8KB Cache、外部存储器控制器、 LCD控制器、 4 个 DMA通道、 2通道 UART、 1 个多主 I2C总线控制器、 1 个 IIS总线控制器， 5 通道 PWM定时器及一个内部定时器、 71 个通用 I/O口、 8 个外部中断源、实时时钟、 8 通道 10 位 ADC等。 基于 ARM7TDMI-S 的 LPC210X 嵌入式 CPU 基于 ARM7TDMI-S 的 LPC210X 嵌入式 CPU 具有以下特点：ARM7TDMI-S 处理器； 128K 片内 Flash 程序存储器带 ISP 和 IAP 功能；Flash 编程时间 1ms 可编程 512 字节扇区擦除和整片擦除只需 400ms； 最多可达 64K 静态 RAM；向量中断控制器；仿真跟踪模块支持实时跟踪；标准 ARM 测试 /调试接口兼容现有工具； 双 UART 其中一个带有完全的调制解调器接口；高速 I2C 串行接口 400kb/s； SPI 串行接口；两个定时器分别具有 4 路捕获 /比较通道； 多达 6 路输出的 PWM 单元； 实时时钟； 看门狗定时器； 通用 I/O 口； CPU 操作频率可达 60MHz； 双电源 (CPU 操作电压范围： 1.651.95 (1.8V 8.3%)； I/O 操作电压范围： 3.03.6V(3.3V 10%)；两个低功耗模式空闲和掉电；通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；外设功能可单独使能 /禁止实现功耗最优化；片内晶振的操作频率范围nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 10MHz25MHz；片 内 PLL 允许 CPU 以最大速度运行可以在超过整个晶振操作频率范围的情况下使用。 对于本系统的指纹遥控器， 由于对体积，功耗要求相当严格，根 据系统设计的具体情况，我们最终选用了 LPC210X 系列微控制器。 2.2.2 指纹模块的选择 指纹识别技术是生物识别技 术中的一种，也是其中技术比较成熟 、效果最为可靠的一种。 当今，指纹采集主要基于三 种不同的技术基础：基于光学录入， 基于晶片录入，基于超声波录入。而基于晶片录入的指纹识别技术又可以分为基于生物电容、基于生物电感等几个类型。基于不同指纹识别技术的指纹识别模块在功能、效果、以及开发难度上存在着差异，这也是市场上指纹识别模块价格迥异的根本原因。 在本系统中，指纹识别是用 户身份识别的主要途径，选择何种指 纹识别模块，直接影响着本系统的综合性能，特别是系统的安全性能。 考虑之后，我们选择了基于 生物电感晶片录入技术的活体指纹识 别，由杭州中正公司推出的 SM-2B 指纹识别模块。 选择这种模块至少有以下优点： 基于生物电感的晶片录入技术已经比较成熟， 灵敏度高， 识别效果好，而且指纹识别速度快；基于活体指纹识别技术，拥有更高的识别效果和安全特性； 此指纹识别模块的默认认假率只有 0.01%， 拒真率只有 1%，而 且认假率和拒真率宽范围内可调。 2.2.3 通信方式的选择 要更好的实现遥控的功能， 选择哪种无线通信方式显的至关重要 。综合比较了红外线通信、无线电通信、蓝牙通信等几种方案，结合本系统的应用特点，我们最终优选了红外通信作为本系统的无线通信方式。 之所以优选了红外通信方式，可以从以下几个方面谈： 通信速率上，红外通信有其自身的优势。早在 IrDA 协会成立的第二年， IrDA1.0 协议就已在串口上实现了最高速率达 115.2kbps 的红外通信速率；随后的 IrDA1.1 版协议，就能够实现 4Mbps 的通信速率；而依照最nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 新发布的 IrDA1.4 协议，则可以实现高达 16Mbps 的红外通信。蓝牙技术，描述了传输速率达 1Mbps 的通信方案； 通用无线电通信通信速率往往较低。 可靠性上， 红外通信有着得天独厚的长处。 蓝牙通信因为采用了跳频技术，并采用了复杂的协议作保障，因而传输的可靠性比较高。但是，蓝牙通信归根结底仍是一种无线电通信，在苛刻的环境内，仍可能受到电磁干扰。 安全性上， 红外通信也占据了有利的优势。 红外通信以防窃听著称，只在理论上存在窃听的可能。蓝牙技术设计成：在有效的范围内，任何运行中蓝牙产品均可以自动实现相互之间的连接。通用无线电通信是一种广泛采用的技术。鉴于此，采用红外通信有利于增强系统的安全性。 在通信的有效距离上： 红外通信最短， 大都在 10m 的范围之内， 利用专门的装置进行大功率的发射的情况下， 也可以实现近 200m 的直线无线通信，但实现相当困难；蓝牙通信次之，通常可以实现几十米之内的有效通信距离，并且中间可以有障碍物，在功率适当加大的情况下，可以实现 100m200m 的有效通信距离； 通用无线电通信距离较远， 通信的有效距离随发射功率与通信频率改变。本系统中，红外通信已经能够满足系统通信距离的需求。 功耗上， 红外通信最低。 用于红外通信的红外发光管， 工作功率大都不到 0.2W； 而蓝牙通信的需求功率普遍要高于这个值； 通用无线电功率要求大多较高。 体积上，红外通信只需要两个发光二极管大小的发射管与接收管，辅助简单的电路即可。 2.2.4 设计方案的比较与确定 通过比较，我们优选了如图 2-6 的方案。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 32 位 嵌入式ARM LPC210X时钟电路复位电路红外通信电路 SM-2B 模块 指示显示电路调试接口 电源管理电路 按键输入电路图 2-6 优选 方案 在本指纹遥控器设计方案中： 采用基于生物电感的活体指纹识别模块，利用基于 ARM 体系结构的嵌入式微处理器， 综合嵌入式设计技术， 通过红外通信的方式，实现对保险柜控制器的控制。并以此实现系统的高性能，小体积，与低功耗。 2.3 本设计方案的特点 之所以选择本方案，是因为 采用这种方案设计出来的指纹遥控器 ，将具有非常突出的特性： 实时性强。由于采用了 32 位基于 ARM 的嵌入式微控制器，将远远超出 8 位 CPU 的运算速度与数据传输速度。 这使得系统具有极好的实时特性、实现系统的高性能成为可能。 可靠性高。由于采用嵌入式 设计，并采用红外通信作为系统的无 线通信方式，使得系统具有极高的安全特性的同时，也具有极强的可靠性。 安全性好。由于采用了基于 活体指纹识别技术的指纹模块，使得 系统具有更高的安全特性；这是采用干指纹所不能比拟的。此外，采用红外通信作为无线通信方式，使得系统的安全性能得到加强。 功耗低。 采用基于电源效率高的 ARM 体系结构的微控制器， 将使系统具有超低的功耗成为可能。 人机界面友好。由于普遍采 用了基于表贴的芯片，并结合了嵌入 式设计的特点，使得本系统具有小巧的体积与人性化的用户接口。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 2.4 方案的综合论证 2.4.1 市场分析 在社会飞速发展的今天，经 济发展日新月异。由于中国的基本国 情，至少在 5 到 10 年内还不能实现无币化交易。 为了促进经济运作， 大量现金被注入市场。然而，现金的使用具有极大的隐患，从而引起保险柜的市场需求不断升级。 目前市场上的保险柜系统， 往往不能满足用户在各个方面的综合需求。许多保险柜已经采用了性能很好的生物识别技术，具有极高的身份识别能力，却由于大都采用用户身份识别及控制器与保险柜控制器一体化的设计结构，而在防破坏性盗取上存在着先天的不足。按照本方案设计出的指纹遥控保险柜系统，采用用户身份识别及控制器即指纹遥控器，与保险柜控制器相分离的结构， 以加强保险柜柜体构造的方式， 利用指纹遥控器、保险柜嵌入式控制器双重身份认证的机制，为用户提供一种真正能够防破坏性盗取、综合性能优越的保险柜系统方案，必将能够满足这些高级用户的需求。 而且本系统采用嵌入式设计 ，在保证系统综合性能的前提下，极 大的降低了系统的制造成本以及用户的使用成本，这将大大提高整个系统的性能价格比，使得本系统拥有广泛的市场前景。 2.4.2 技术可行性分析 本设计方案的关键技术主要 有：嵌入式设计，指纹识别，红外通 信。嵌入式设计引起社会的极大关注虽只是近两年的事，但其广泛认可的发展历史， 已近 33 年。 30 多年来， 嵌入式设计已经积累了许多宝贵的经验和资料，并成功研制出了种类繁多的嵌入式产品，这些都给嵌入式设计提供了宝贵的资源。此外，这些年来，市场上已经出现各式各样的性能杰出、运行可靠的嵌入式微处理器以及周围电路接口，给嵌入式开发提供了广泛选型的空间。 指纹识别技术是生物识别中 发展较早的技术之一，目前在技术上 已经比较成熟。 本方案中优选的杭州中正科技有限公司的 SM-2B 系列指纹识别nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 模块，认假率和拒真率都非常低，且运行速度快，完全可以满足本系统设计的指标需要。本方案采用指纹模块进行二次开发，将能在一定程度上降低因直接开发所带来的难度，特别是能很好缩短设计开发周期。 对于红外通信技术， 目前已经比较成熟。 以 IrDA 为代表的红外数据通信协会，已经研究出了可靠性好、通信速率高的红外通信技术，这些技术将给本系统的设计提供极有价值的参考。此外，市场上已经可以很方便的买到各式各样的、 用于红外通信的红外发射管和接收管， 而且廉价， 可靠。 以上分析可知，本方案在技术上不存在不可逾越的障碍。 2.4.3 开发环境的分析 开发环境上，已经有很多针对 ARM 的性能强大的集成开发环境，如SDT 与 ADS，等。利用它们开发基于 ARM 的应用程序乃至系统程序，具有开发周期短，代码效率高等优点 。而且，在调试测试手段上， ARM7 以后的版本通常都提供 EmbeddedICE的嵌入式片上调试逻辑及 TraceMicracell跟踪宏单元等片上调试支持；而这些硬件支持国际上广泛采用的 JTAG 调试测试， 并由于其内部固化了 RealMonitor 等实时跟踪调试程序， 使得调试测试有法可依。 因此， 选择基于 ARM 体系结构的微处理器， 在开发环境与调试测试手段上完全可行。 通过以上多方面的综合论证 ，可以看出，本设计方案无论是在市 场效益上，还是在技术条件、开发环境的支持上，均是可行性的。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 3 相关技术的试验 嵌入式系统的设计以涉及知识杂而 广，技术新而专为其基本特征。因此，在嵌入式设计中，必要的试验是难免的；同时，这也是设计开发顺利进行的基本保障。 在本课题的设计中，将要涉及的主 要试验包括：红外通信系列试验，嵌入式系统的应用与试验，指纹模块测试试验。 3.1 红外通信试验 3.1.1 电视遥控器红外接收试验 为了更好的体会红外通信的 机理，把握红外通信的关键，我们首 先做了电视遥控器红外接收试验。 (要了解更详细的试验内容，可参考附录一 )，试验电路如图 3-1 所示。 GND1VCC2Vout3RXHS0038AR1330R333kC04.7uTTSAL6200V5.0通用 遥控 器部 分R21kR451kC10.033uR5680R6510PC420uC30.01uC21u482761 53U1555. . 图 3-1 电视 遥控器红外接收实验 试验结论：通过电视遥控器的红外接收试验可知，在通用遥控器 9m、60的范围以内，红外接收电路能够收到红外信号；在有效的范围内，在遥控器发送红外命令时，红外接收电路的红外接收管输出端有电平变化。 3.1.2 无调制型红外通信试验 为了实现真正意义上的红外 通信，利用红外线实现无线数据传输 ，我们首先做了无调制型的红外数据通信试验。 (要了解更详细的试验内容，可参考附录一 )，实验电路如图 3-2 所示。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 图 3-2 无调 制型红外通信实验 R010kR110kR210kQC00.01u2|53|61|784U1LM358R5100TTSAL6200Q1NPNR4100R31kV5.0 V5.0VoutVin单片 机数 据发送接收 管发射 管输入到 单片 机.试验结论：通过无调制型的红外通信 试验可知，利用红外发光管 与红外接收管的基本特性， 在无调制的模式下， 可以实现低速的无线数据传输；无调制型的红外通信距离比较近， 在试验电路中， 只能实现 30cm 左右的无线数据传输，而且传输速率很低，综合性能有待提高。 3.1.3 调制 型 红外通信试验 为了实现长距离、高速率的 红外通信，我们利用调制解调的机制 ，做了基于调制的红外通信。 (要了解更详细的试验内容， 可参考附录一 )，试 验电路图 3-3 所示。 图 3-3 调制型 红外通信试验 GND1VCC2Vout3RXHS0038AR1100R210kC4.7uV5.0Vin输入 到单片机.TTSAL6200.Q1NPNR4100R31.5kV5.0发射管Rp200123U1ANDPWM.38kHz脉 冲 输 出I/O口发射 输出nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 试验结论：本次红外试验并没有实 现真正意义上的红外通信；通过调制型的红外通信试验可知，利用红外发光管与带解调的红外接收管，运用调制解调的机制， 可以实现 2.5m 以内的连续数据传输； 辅助必要的硬件机制， 能够实现可靠的红外通信； 红外通信的有效距离与红外数据传输速率、发射管的发射功率、以及单次数据传输时间长短有密切关系；传输速率越低， 通信距离越远； 单次传输时间越短， 则通信距离越远， 传输速率越高；通过将长串数据分段简写式传输的方式， 可以实现的红外通信的距离越远，数据传输速率越高。 总之，调制可以实现比无调制方式 综合性能好得多的红外通信，主要体现在通信的距离更远，数据传输的速率更高，性能更稳定，为本课题的红外通信设计提供了相应的依据。 3.2 嵌入式系统的应用与试验 嵌入式系统的设计涉及到许 多新知识，新内容，必要的设计是嵌 入式设计的根本保障。在本课题设计中，我们主要针对嵌入式系统做了以下三个方面的试验。 3.2.1 ARM 嵌入式系统及开发系统的试用 在 ARM 嵌入式系统及开发系统的试用中，我们主要做的工作有：熟悉 SDT 集成开发环境，了解其基于 ARM 的嵌入式软件设计的基本方法与流程， 以及实际开发中必须注意的问题； 熟悉 ADS 集成开发环境， 了解其基于 ARM 的嵌入式软件设计的基本方法与流程， 以及实际开发中必须注意的问题；了解 S3C44B0X 开发板的运行模式，以及应用程序的烧写过程；了解基于 S3C44B0X 的 JTAG 调试方法与过程；了解 LPC2104 开发板的运行模式， 以及其在系统编程的特点与方法； 了解 LPC210X 系列微控制器的JTAG 调试方法与过程。 通过这些试验，主要收获有：掌握了如何利用 SDT 及 ADS 进行基于ARM 体系结构嵌入式软件的初步设计； 掌握了 S3C44B0X 开发板的程序固化过程， 以及 LPC210X 系列微控制器的在系统编程的应用； 掌握了如何通过 JTAG 接口，利用 AXD 等调试软件进行在系统调试与测试。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 3.2.2 S3C44B0X 嵌入式系统的实验 我们利用了 S3C44B0X 嵌入式系统的测试程序对其进行了实验， 验证了基于 S3C44B0X 设计的嵌入式系统可以具有的基本性能。 3.2.3 LPC210X 嵌入式系统的实验 我们首先利用了 LPC210X 嵌入式系统的测试程序对其进行了实验， 验证了 LPC210X 系列微控制器的整体性能，以及各个集成外设的具体性能。 接着， 我们利用自己编写的应用程序， 对其 IO 口的应用， 通用定时器的应用， PWM 定时器的应用，外部中断口的应用，通用异步串口的应用，以及 SPI 接口控制器的应用，做了相应的应用实验。 3.3 指纹模块测试实验 指纹识别模块负责本系统的 主要身份识别任务，与系统的安全性 能，可靠性能直接相关。做好指纹模块的测试与试验，对系统的综合开发有着举足轻重的意义。 3.3.1 利用模块服务软件进行测试 为了了解指纹模块的工作模 式，熟悉指纹模块的工作流程，我们 利用模块演示程序对其做了相关功能的测试实验。实验证明：指纹识别模块综合性能良好，能够准确的进行身份识别，反应速度较快。 3.3.2 利用 PC 机及串口调试程序进行测试 为了探索指纹模块的内部工作机理 ，熟悉指纹模块的指令系统及运行模式，我们利用功能强大的 PC 及串口调试程序对指纹模块进行了测试实验。 由实验可知， 指纹模块按照 16 进制的指令码进行工作， 各项指令按照预定的模式进行应答与数据的交换，系统综合性能良好。 3.3.3 利用嵌入式 CPU 的串口进行测试 为了更加贴切本次设计的内容， 我们进一步利用嵌入式 CPU 的串口对指纹模块进行了测试实验。 实验证明： 嵌入式 CPU 利用自己的串口和指纹模块进行通信，不存在根本性问题。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 4 硬 件设计 计算机系统中，硬件被看作 基础，软件被识为灵魂。如果脱离了 硬件系统，软件将无所依托，不能运行。由于嵌入式系统具有软硬件可裁减的基本特征，在嵌入式系统中，硬件系统的基础地位尤其突出：硬件系统的确定，直接决定着软件的编写；在嵌入式设计中，要求硬件工程师要有软件设计的思想，就是强调嵌入式设计中硬件与软件的密切相关性。对于指纹遥控器来说，硬件设计的主体是硬件电路的设计。 4.1 总体设计 指纹遥控器要能够实现以下 几个基本功能：利用指纹模块识别用 户身份，让合法的用户能够进行相应的操作；通过用户的密码进一步确认用户身份，从而让合法的用户能够进行相应的控制操作；能够给用户提供相关的输入接口，并能给用户操作及用户所处的状态给予相应的指示；能够让合法的用户以红外通信的方式向保险柜控制器发送“开门”等高级命令。 此外，遥控器的设计还要注 意以下几个方面要求：要求系统具有 高的可靠性和安全性；要求系统用电池供电，功耗尽量低；要求系统具有小巧的体积，并具有容易操作的界面。 基于 ARM 的 32 位微处理器，综合性能一般都比较出众，能够实现系统要求的控制功能。 鉴于上面的要求， 设计的系统应包括： 电源管理电路，系统时钟电路，指纹模块接口，用户接口包括键盘输入电路与显示指示电路，备用存储电路，红外发射电路，调试接口等。 综合嵌入式设计方法， 采用 LPC210X 系列嵌入式微控制器设计的指纹遥控器结构如图 4-1 所示。 4.2 功能电路的实现 系统硬件结构确定之后，如 何实现各个功能模块电路，成为硬件 设计的核心内容。要实现同样的功能，采用不同的电路和模式，其效果并不是完全相同的。 nts毕业设计论文 重庆工学院 保险柜指纹遥控器的研制 基于ARM7TDMI 体系结构PHILIPS LPC210X 系列MCU 电源管理电路 时钟电路 复位电路 红外发射电路 备用存储电路 调试接口 键盘输入电路 指纹模块接口 图 4-1 硬件 总体设计框图 指示显示电路 4.2.1 电源管理电路的设计 电源需求分析 在指纹遥控器系统中，主要 用电设置有：嵌入式微控制器，指纹 识别模块（包括功能模块与指纹传感器） ，红外发射管，其它辅助功能电路等。这些电路或新片需要用到的电源电压有 5.0V、 3.3V 和 1.8V 等 3 个等级，具体需求如下： 嵌入式微控制器 LPC210X： 核电源为 1.8V 8.3%， IO 端口： 3.0V 10%，最大功率 P 1.5W； 指纹识别模块 SM-2B： 工作电压， 5.0V 5%； 工作电流， 100mA；峰 值电流， 150mA； 红外发射管： 正向电流， 100mA； 正向峰值电流， 200mA， 消 耗功率， P 210mW； 辅助功能电路：预计其它辅助功能电路消耗功率， P 0.3W 综上所述，系统功率要求在 2.5W 以内，最大不会超过 3.0W。 电源管理芯片组的选择 鉴于指纹遥控器的电源需求 ，参照使用电池供电的基本方案，最 难满足的将是系统的最高
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