基于局域网的指纹IC卡一体机的设计与实现 本科毕业论文

常州工学院毕业设计论文 摘 要 本课题提出了一种以无线方式传送数据的集成电路卡片 本文选择采用 ARM9 系列的 AT91SAM9260 芯片作为主控制器 设计系统工作电源和选择合适的传感器 同时结合射频卡 技术设计指纹传感器和 IC 卡电路并进行局域网通信及传感器数据读取的软件设计 文中对此 算法的各个部分进行了详细的理论分析并绘制电路图 流程图及编写程序 设计中结合了指 纹识别的原理和方法 对一体化指纹非接触式 IC 卡设备的组成 功能进行了理论上的分析和 技术上的应用研究 经过理论证明 可设计出一种以ARM芯片为微处理器的非接触式IC卡通信识别装置 把检 测到的IC卡上的指纹数据通过无线传输实时 准确地进行判断 关键词 指纹识别 非接触式IC卡 ARM 局域网 常州工学院毕业设计论文 I Abstract This project presents a way to transfer data wirelessly IC card the article choose AT91SAM9260 ARM9 family of chips as the main controller power supply design system of work and select the appropriate sensor card technology combined with RF design and IC card circuit fingerprint sensor and the local area network communications and software designed to read sensor data In this paper the various parts of this algorithm is a detailed theoretical analysis and draw circuit diagrams flowcharts and programming Combines the design principles and methods of fingerprint identification fingerprint on the integration of non contact IC card equipment components functions carried out theoretical analysis and application of technology After some reference to relevant information design a chip with ARM microprocessor contactless IC card communication identification device the detected fingerprint IC card data through wireless transmission real time accurate to judge Keywords fingerprint recognition non contact IC card ARM LAN 常州工学院毕业设计论文 II 目 录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 1 课题背景 1 1 1 2 生物特征识别的意义 1 1 2 指纹识别技术的现状及前景 2 1 2 1 国内外自动指纹识别研究现状 2 1 2 2 自动指纹识别技术的优势与前景 3 1 3 指纹识别技术的概述 4 1 3 1 指纹图像处理与识别 4 1 3 2 指纹算法的具体性能评价指标 4 1 4 射频卡读写技术 5 1 5 本文主要研究内容 5 第二章 系统方案设计 6 2 1 系统的基本构架 6 2 2 无线局域网的组建 6 2 3 系统元器件的选择 7 2 3 1 微处理器的选择 7 2 3 2 电源芯片的选择 8 2 3 3 读写器的选择 9 2 3 4 FLASH 存储器的选择 9 2 3 5 射频模块的选择 9 第三章 硬件电路设计 10 3 1 射频卡通信电路整体结构设计 10 3 2 设计芯片及模块 10 3 2 1 ARM 芯片 10 3 2 2 电源电路 11 3 2 3 MAX3232 RS 232 接口 12 3 2 4 nRF403 芯片的介绍 12 3 2 5 nRF403 电路设计 15 3 2 6 JTAG 接口电路 16 3 2 7 FLASH 存储器 17 3 2 8 加密单片机 18 3 2 9 IC 卡认证电路 指纹信息识别电路 19 第四章 软件设计 20 4 1 软件设计的实现 20 4 1 1 软件总体结构流程图 21 4 1 2 多接口协同工作机制 21 4 2 管理协议命令 21 4 3 软件流程图 24 4 3 1 初始化程序流程图 24 常州工学院毕业设计论文 III 4 3 2 识别程序流程图 26 4 3 3 射频卡读写程序 27 4 3 4 部分功能部件程序流程图 28 4 3 5 射频卡收发程序 30 结 论 32 参考文献 33 致 谢 35 附 录 36 附录一 系统硬件电路图一 36 附录二 系统硬件电路图二 37 附录三 实验主程序 38 常州工学院毕业设计论文 0 第一章 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题背景 随着现代经济和社会的不断发展 越来越多的场合需要身份的确认 而传 统的身份识别技术已经远远不能满足这种要求 基于人的身体特征具有不可复 制的特点 人们开始把目光转向了生物识别技术 指纹识别以其独特的特点 成为了众多生物识技别术中备受青睐的一个 射频感应卡也就是非接触式 IC 卡 非接触式 IC 卡相对于以往传统的接触 式卡类 具有更多的优点 1 无源 免接触 免操作 使用寿命长 2 安全可靠 误读或不读卡的机率几乎为零 成百上千亿的密码 无法破 译 3 IC 卡挂失十分简单 如果使用的 IC 卡丢失 可立即用新卡替换 即换 发新卡 旧卡随即自动失效 4 强大的系统管理功能 以门禁为例 管理部门可通过电脑对持卡人开门 权限和进出时间进行设置 射频卡技术是近年来发展起来的技术 就题目本身就有很大的实际意义 同时通过它的研究还能为其它应用开辟新的思路 因此该课题在学术上具有一 定的研究价值 指纹识别技术是生物特征识别领域中最为成熟的一门应用技术 具有悠久的历史 长期以来 指纹识别技术主要应用于刑事侦查与司法鉴定领 域 不被大多数人所了解 计算机与信息处理技术的飞速发展 为这门历史悠 久的应用技术开拓了更为广阔的市场 指纹识别技术与相关产品越来越多地应 用于民用市场 1 1 2 生物特征识别的意义 生物识别技术 Biometric Identification Technology 是利用人体生物 特征进行身份认证的一种技术 生物特征是唯一的 与他人不同 可以测量或 可以自动识别和验证的生理特性或行为方式 分为生理特征和行为特征 生物 常州工学院毕业设计论文 1 识别系统对生物特性进行取样 提取其唯一特征并进行身份认证 典型的生物 识别系统的系统结构如图 1 1 图 1 1 生物识别系统结构框图 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 也容易被别人窃取 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重新 开始工作 但是一旦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 有关机构的调查表明 因为忘记密码而产生的问题已经成为 IT 厂商售后服务的最常见问题之一 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 例如证件的伪造和盗用 不正当的转借等 一些 犯罪通过伪造证件进入机密场所以窃取机密信息 有的犯罪伪造签证和护照非 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 为了防范这类事件的发生 人们需要一种直接的身份认证手段 这就是 人体生物特征识别技术 他根据每个人自身所具有的生物特征来对每个人 的真实身份进行鉴别 这些生物特征大都具有 人格有异 终身不变 和 随身携带 的特点 确保认证的精确性和可靠性 常州工学院毕业设计论文 2 1 2 指纹识别技术的现状及前景 1 2 1 国内外自动指纹识别研究现状 指纹识别技术从被发现起 就被广泛应用到契约等民用领域 由于人体指 纹具有终身稳定性和唯一性 很快就被用于刑事侦查 并被尊为 物证之首 但早期的指纹识别采用的方法是人工识别法 这项工作需要有一些经过专门训 练的专业技术人员和有经验的指纹专家凭经验对指纹逐个对比 从而得出鉴定 的结果 用这种方法进行指纹鉴定 不但效率低 速度慢 查找范围也很有限 远远不能满足现代社会的需要 20 世纪 90 年代末期 价格较低的指纹采集器 快速 匹配的算法发展为 指纹技术用于个人身份识别提供了广阔的市场空间 指纹识别技术被广泛应用 意味着它能在影响亿万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 指纹识别技术可以阻止非授权 可以防止盗用 ATM 蜂窝电话 智能卡 桌面 PC 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可以进 行身份认证 在建筑物或工作场所可以取代钥匙 证件 图章等 指纹识别技 术的飞速发展及其广泛应用开创了个人身份鉴别的新时代 1 1 2 2 自动指纹识别技术的优势与前景 生物特征识别可以采用很多方法 如人像 指纹 虹膜和声纹等 而其中 指纹识别在广泛性 持久性 独特性 防伪性和采集性等多方面都具有很强的 优势 因此也成为了目前应用最为广泛的生物特征识别技术 在惟一性方面 相对于面部 声音等识别技术 指纹因其特征数量较多 且特征定位精确度可以做得更高 故惟一性好 在稳定性方面 由于一个人在 出生时指纹就已经被定型了 随着年龄的增长指纹永久不变 因此不变性较面 部 声音等优越 在方便性方面 与虹膜 视网膜等采样难度较高的情况相比 指纹样本便于获取 采样成本较低 识别系统中硬件部分较容易实现 因此方 便性相对较好 商用指纹识别技术在中国的应用虽然还只有十几年的时间 但已得到了很 大的发展和进步 国内从业公司不断增加 理论研究不断得以增强 国产商品 质量和档次不断提高 产品价格逐渐降低到合理水平 指纹识别应用领域已从 简单的门禁扩展到门禁 考勤 金融 社会福利 计算机信息安全及 ID 证卡等 常州工学院毕业设计论文 3 多个领域 中国庞大的潜在市场吸引着越来越多的国内外投资者涉及这一领域 这一切都显示了中国指纹市场极其广阔的前景 2 1 3 指纹识别技术的概述 1 3 1 指纹图像处理与识别 指纹图像处理与识别是自动指纹识别系统的核心技术 其研究已有很长的历 史了 但是总体的思路变化不大 可以把识别算法大致分为下述 3 个步骤 1 图像预处理 原始指纹图像需要进行滤波除噪 脊线增强 动态二值化 方向信息计算 初分类 背景分割 纹线间隔估计等处理 图像预处理的效果 好坏直接影响系统性能 个别应用还需要指纹图像的压缩编码 2 指纹特征提取 包括纹线细化 特征点 交叉点 断点 中心点 三角 点等 检测与分类 伪特征点消除 特征点特性参数计算 特征参数压缩编码 全局特征 斗 箕 旋向 等 检测等步骤 特征提取算法应能适应噪声 畸变 位移 旋转 缺损 变形等常见的实际情况 3 指纹特征比对 即比较现场提取的某一个指纹特征点集合和原先建立 的数据库中的某一个指纹特征点集合的相似程度 通常用代价函数 或匹配能量 来 表示相似程度 取合适的门限将给出该两组指纹特征是否来自同一枚指头的判断 特征比对的方法有点图松弛匹配方法 最小距离图法和 Delaunay 三角形化变换 等 3 1 3 2 指纹算法的具体性能评价指标 就一个自动指纹识别系统来说 其指纹识别算法的精确度是整个系统性能 指标中最为关键的指标 所谓指纹识别算法的精确度是指其识别与提取的特征 数量与准确率及进行特征匹配时的准确率 下面线介绍一下有关指纹识别的基 本概念 匹配 Matching 匹配也称对比过程 是指将两个指纹特征模板通过相应的 算法求出它们之间的相似程度的处理过程 若相似程度大于一个事先给定的门 限阈值 则该笔对结果被认为接受或者称匹配 反之 则被视为拒绝或不匹配 认证 Verification 认证是指将现场采集的待测指纹样本与标本指纹特 征模板进行 一对一 比对 One to One Matching 简记为 1 1 得出 是否 常州工学院毕业设计论文 4 是同一人 的结论 识别 Identification 识别是指将现场采集到的待测指纹样本与指纹特征 数据库中的标本指纹进行 一对多 的搜索比对 One to Many Matching 简记 为 1 N 得出 有无此人 以及 此人是谁 的结论 门限阈值 Threshold 门限阈值是用于判别两个指纹特征模板相似程度的 分界值 门限阈值定的越高 表示对相似度的要求越严 1 4 射频卡读写技术 射频识别 即 Radio Frequency Identification 以下简称 RFID 技术是从 九十年代兴起的一项自动识别技术 它利用无线射频方式进行非接触双向通信 以达到识别目的并交换数据 与磁卡 IC 卡等接触式识别技术不同 RFID 系统 的电子标签和读写器之间无须物理接触就可完成识别 因此它可实现多目标识 别 运动目标识别 可在更广泛的场合中应用 典型的 RFID 系统由电子标签 Tag 读写器 Read Write Device 以及数据交换 管理系统等组成 电子标 签也称射频卡 它具有智能读写及加密通信的能力 读写器由无线收发模块 天线 控制模块及接口电路等组成 它是无源系统 即电子标签内不含电池 电子标签工作的能量是由读写器发出的射频脉冲提供 电子标签接收射频脉冲 整流并给电容充电 电容电压经过稳压后作为工作电压 数据解调部分从接收 到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑 控制逻辑接受指令完成存储 发 送数据或其它操作 1 5 本文主要研究内容 本文选择采用 ARM9 系列的 AT91SAM9260 芯片作为主控制器 设计系统工作 电源和相关模块 同时结合射频卡技术设计指纹图像传感电路和 IC 卡电路并进 行无线通信及传感器数据读取的软件设计 文中对此算法的各个部分进行了详 细的理论分析并绘制电路图 流程图及编写程序 常州工学院毕业设计论文 5 第二章 系统方案设计 2 1 系统的基本构架 整体方案对系统的具体设计带有指导性的意义 因此 做好系统需求分析 的总体设计是展开具体设计和实现的前提 本章从系统需求入手 介绍了系统 硬件结构框架 图2 1所示 和系统硬件的相关元器件 模块的选择 图2 1 系统硬件结构图 2 2 无线局域网的组建 本论文利用无线射频 IC 卡 指纹一体机及其接收终端进行组建一个无线局 域网 局域网组建分成以下两部分 第一部分是有指纹识别一体机组成的数据 共享网络 通过一个接收终端将各个指纹识别一体机采集到得用户指纹数据进 行共享 第二部分是有指纹一体机上的无线射频模块及无线射频 IC 卡组成 单 部指纹一体机可以有多个无线射频 IC 卡用户 形成一个无线网络 在指纹机上 注册的指纹信息只能在注册的指纹识别一体机上进行识别 只要我们整合上述 所说的两部分 将指纹信息进行共享 实现在一部指纹识别一体机上注册可以 在多部指纹识别一体机上进行识别 常州工学院毕业设计论文 6 每个持卡人先要在指纹识别一体机上进行用户注册并采集指纹 指纹信息 将同时转送到接收终端保存 接收终端作为数据处理及共享中心 可以与多部 不同的指纹识别一体机相连组成一个内部数据共享网络 如图 2 2 所示 每个 指纹识别一体机带有无线射频 可与经过注册的无线射频 IC 卡组成一个无线局 域网 例如在 A 指纹识别一体机注册的无线射频 IC 卡用户 C 除了可以在 A 指纹识别一体机上进行数据交换 通过接收终端的数据共享 在 B 指纹一体机 上设置相应权限 使得用户 C 的无线射频 IC 卡也能在 B 指纹一体机上进行指 纹信息识别等等 在 A 指纹识别一体机上注册 通过修改使用权限 使得用户 可以在网内其他指纹一体机上进行识别 省去了在 B 指纹一体机重复注册用户 指纹的步骤 本局域网使得用户可以在网内各个指纹识别一体机上进行指纹识 别 突破了只能在单一的指纹识别一体机上进行识别的局限 图 2 2 无线局域网搭建示意图 2 3 系统元器件的选择 2 3 1 微处理器的选择 微处理器的内核 处理器是各类节点的计算核心 所有的设备控制 任务调度 功能协调 通信协议转换 数据整合和数据转储都需要在这个模块的支持下完成 所以处 理器的选择在设计中是至关重要的 选择嵌入式系统处理器时主要需要考虑以 下几个方面 处理器性能 所支持的开发工具 所支持的操作系统 过去的开 发经验 处理器成本 功耗 代码兼容性及算法复杂性等 常州工学院毕业设计论文 7 主要从以下几个方面进行了分析 1 微处理器的速度 它以时钟周期或机器周期表示 一般以实际应用要求 为准 本系统功能比较复杂 需运行嵌入式操作系统 并具备很强的 扩展性 因此 对处理器的速度有一定的要求 2 微处理器的位数 目前常用的有8位 16位和32位微处理器 8位微控制 器主要为低价应用设计 片内资源很少 扩展能力弱 性能很低 只 能完成一些基本的任务 无法适应快速发展的节点主控模块的需要 16位微控制器被用于比较精密的应用 这些应用通常需要较长的字长 或是独立的内存和输入输出设备 32位产品是目前的应用主流 能提 供较高的性价比 各个嵌入式处理器厂商都将它作为重点 是实现8位 系统平滑升级的首选 3 指令系统 指令系统强意味着指令丰富 基本指令数多 指令功能强 这给程序设计带来极大的方便 而且可以缩短系统处理数据的时间 有利于整个系统性能的提高 综上所述 本文的主控CPU采用Atmel公司基于ARM926EJS的AT91SAM9260 主频 可达到180 MHz 显著提高了读写器的处理速度 2 3 2 电源芯片的选择 由于系统需要 5V 和 3 3V 两种不同的直流电压 所以本设计中选择了 SPX1117 3 3 和 LM7805 这两款集成的线性稳压器 SPXl117M3 3 3是Sipex公司生产的LDO芯片 其特点为输出电流大 输出 电压精度高 稳定性高 SPXl117系列LDO芯片输出电流可达800mA 输出电 压的精度在 1 以内 还具有电流限制和热保护功能 广泛应用在手持式仪表 数字家电 工业控制等领域 使用时 输出端接入了一个4 7uF C4 的钽电容 来改善瞬态响应和稳定性 LM7805 集成稳压器是固定正输出电压的集成稳压器 输出电压有 5V 最 大输出电流为 1 5A 20 它的内部含有限流保护 过热保护和过压保护电路 采用了噪声低 温度漂移小的基准电压源 工作稳定可靠 用 LM7805 三端稳 压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少 使用起来可靠 方便 而且价 格便宜 LM7805 集成稳压器为三端器件 1 脚为输入端 2 脚为接地端 3 脚 为输出端 常州工学院毕业设计论文 8 2 3 3 读写器的选择 目前读写器主要采用RS232有线通信方式与现场终端设备通信 接口单一 传输速率有限 同时也不能同远程监控主机进行无线通信 限制了读写器的网 络化 本设计增加了USB传输接口 提高数据传输效率 使用方便快捷 采用这 种多接口协同工作的方式 可以保证读写器的可靠性和安全性 2 3 4 FLASH 存储器的选择 由于选用的中央处理器中 ROM 只有 32KB 所以需要外扩存储器来存储软件 代码和指纹特征数据 而在程序运行过程中需要对指纹数据进行存储和删除操 作 如果选用了 ROM 作为存储器 则将不能满足需要 又考虑到价格 性能等 因素 这里选择了 ATMEL 公司的 AT29LV1024FLASH 作为外扩的程序和数据存储 器 2 3 5 射频模块的选择 随着射频技术的发展 无线收发芯片的集成度 性能都大幅度提高 芯片 性能也各有特色 因而 无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的 正确的 选择可以减小开发难度 缩短开发周期 降低成本 更快地将产品推向市场 目前 生产此类芯片的厂家主要有Nordic XEMICS Chipeon n Maxim等 选 择无线收发芯片时 应考虑以下几点因素 功耗 发射功率 接收灵敏度 传 输速度 从待机模式到工作模式的唤醒时间 收发芯片所需的外围元件数量 芯片成本等 在本设计中选择了北欧集成电路公司的 nRF403 虽然与其他芯片相比 它 的功能并不是最强的 但能够满足本文的系统需求 具有很高的集成度 数据 处理能力和很强的抗电磁干扰特性 而且价格便宜 收发灵活 接口电路设计 简单 功耗和发射功率都比较合理 尤其是得到了广泛应用 有较多参考资料 和成熟案例 可以为本文的开发设计节约时间 所以本系统选用了 nRF403 作为 射频读卡芯片 读写芯片是整个读写器的核心 它实现读写射频卡所有必需的 功能 包括 RF 信号的产生 调制 解调 安全认证和防冲突等 作为微处理器 与射频卡通信的中介 NRF403 与射频卡由射频场来建立无线连接并完成数据交 换 常州工学院毕业设计论文 9 第三章 硬件电路设计 3 1 射频卡通信电路整体结构设计 整体设计的电路模块主要由主控 CPU Flash SDRAM 存储器件 射频收发模 块 IC 卡认证电路 通信电路等组成 主控 CPU 采用 Atmel 公司基于 ARM926EJS 的 AT91SAM9260 主频可达到 180 MHz 显著提高了读写器的处理速度 外围扩展 256 MB 容量的 NAND Flash 存储 数据和 2 MB 容量的 NOR Flash 存储代码 实现数据和代码分离 一方面提高数 据的存储容量 另一方面提高了代码的执行效率 目前读写器主要采用 RS232 有线通信方式与现场终端设备通信 接口单一 传输速率有限 同时也不能同 远程监控主机进行无线通信 限制了读写器的网络化 本设计增加了 USB 传输 接口 提高数据传输效率 使用方便快捷 采用这种多接口协同工作的方式 可以保证读写器的可靠性和安全性 3 2 设计芯片及模块 3 2 1 ARM 芯片 AT91SAM9260 基于 ARM926EJ S 处理器 具备 8KB 指令以及 8KB 数据缓存 在 190 MHz 时钟频率下运行时性能可达 210 MIPS 该产品包含了 8KB SRAM 以 及 32KB ROM 在最高处理器或总线速度下可实现单周期访问 该产品还具备外 部总线接口 这些外部总线接口中包含了诸多控制器 用于控制 SDRAM 以及包 括 NAND Flash 和 CompactFlash 在内的静态存储器 其广泛的外围设备集包括 USB 全速主机和设备接口 10 100 Base T 以太网 MAC 图像传感器接口 多媒 体卡接口 MCI 同步串行控制器 SSC USART 主 从串行外围设备接口 SPI 一个三通道 16 位定时计数器 TC 一个双线接口 TWI 以及四通道 10 位模数转换器 三个 32 位并行输入 输出控制器让针脚可以与这些外围设 备实现多路复用 从而减少了设备的针脚数量以及外围设备 DMA 通道 将接口 与片上 片外存储器之间的数据吞吐量提升到了最高水平 其引脚如图 3 1 所 示 常州工学院毕业设计论文 10 图 3 1 AT91SAM9260 芯片引脚 3 2 2 电源电路 AT91SAM9260微控制器的内核和I O使用同一电源电压 因此本系统的主控 板只需单电源3 3V供电 电源电路如图3 2所示 由输入6V交流电源 通过一个 桥式整流电路将电源转化为直流 并用限制电源的导通方向 经过L1限制瞬间 电流 C1 C2滤波 然后通过SPXl117M3 3 3将电源稳压至3 3V 为便于查看检 查系统状态 电路设置了电源指示灯 为了降低噪声 系统模拟电源与数电源 实施了隔离 图3 2中的L2和L3就是用于电源隔离的元件 将数字电源的高频噪 声隔离 输出分为VDD3 3 数字电源 和V3 3A 模拟电源 常州工学院毕业设计论文 11 1 2 J1 CON2 L1 2uH C2 0 1uF R1 3K 1 2 3 4 D1 BRIDGE1 POWER IN 1 OUT 3 GND 2 U1 SPX1117M 3 3 C5 0 1uF VDD C1 4 7uF C4 4 7uF IN 1 OUT 3 GND 2 U1 7805 C6 4 7uF VCC 图3 2 系统电源电路 SPXl117M3 3 3是Sipex公司生产的LDO芯片 其特点为输出电流大 输出电 压精度高 稳定性高 SPXl117系列LDO芯片输出电流可达800mA 输出电压的精 度在 1 以内 还具有电流限制和热保护功能 广泛应用在手持式仪表 数字 家电 工业控制等领域 使用时 输出端接入了一个4 7uF C4 的钽电容来改 善瞬态响应和稳定性 3 2 3 MAX3232 RS 232 接口 MAX3232收发器是采用专有的低压差发送器输出级 利用双电荷泵在3 0V至 5 5V电源供电时能够实现真正的RS 232性能 MAX3232供电电压5V或3 3V 耗电 0 3mA 外接4个0 1uF电容 RS 232是现在主流的串行通信接口之一 具体的电 路如图3 3所示 1 6 2 7 3 8 4 9 5 RS232 LSP C1 1 C1 3 C2 4 C2 5 T1IN 11 T2IN 10 R1OUT 12 R2OUT 9 V 2 V 6 T2OUT 7 R2IN 8 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U4MAX3232 0 1uF CAP 0 1uF CAP C11 0 1uF C12 0 1uF TXD0 TXD1 RXD0 RXD1 RX0IN RX1IN TX0OUT TX1OUT 图3 3 串行接口电路 3 2 4 nRF403 芯片的介绍 本系统的收发模块采用挪威Nordic 公司的一体化无线收发芯片 常州工学院毕业设计论文 12 nRF403 nRF403 工作在433 或315MHz 国际上通用的ISM Industrial Scientific andMedical 频段 双工作频段可以自由切换 FSK 调制解调 采 用直接数字合成DSS 和锁相环稳频PLL 进行频率合成 频率稳定性好 发射数据 时无方向性要求 在高速移动和振动等情况有抗干扰能力 接收灵敏度高达 105dBm 最大发射功率为 10dBm 数据传输速率可达20kbit s 开阔地的使 用距离最远可达1000 米 采用的解调器是DC Data Coding 平衡的 输入数据 可以是各种0 1 序列 无需进行曼切斯特编码 nRF403 另一个非常重要的特 点是接收机的频带阻抗很高 这意味着不需要外部声面波滤波器 外围元件很 少 仅外接一个4MHz 晶振 电感和几个阻容元件共10 个左右 无需调试部件 nRF403 是目前低功率无线数据传输的理想选择 可广泛用于车辆监控 遥 测 小型无线网络 小区传呼 工业数据采集系统 非接触RF 智能卡 小型无 线数据终端 安全防火系统 生物信号采集 水文气象监控 无线232 数据通 信 无线485 422 数据通信 数字音频 图像传输等 其主要技术参数指标如 表3 4所示 芯片内包含有功率放大器 PA 低噪声接收放大器 LNA 晶体振荡器 OSC 锁相环 PLL 压控振荡器 VCO 混频器 MIXER 等电路 在接收模式中 nRF403是被配置成传统的外差式接收机 RF输入信号被LNA放大 经由MIXER变 成中频 IF 在中频级 这个被变换的信号在送入解调器 DEM 滤波 整个过程 的频率稳定性极好 在发射模式中 VCO 的输出信号是直接送入到PA RF 输出 是被送至DIN 端 然后经过数字信号FSK 频移键控 编码发射出去 FSK编码在 工业设计中具有相当的优点 它抗干扰能力强 调制解调技术成熟 且实现方 便 接收灵敏度为 105dBm 发射功率仅为10dBm 常州工学院毕业设计论文 13 表3 4 nRF403主要技术参数指标 引脚排列如图3 5所示 各引脚功能如下 图3 5 nRF403的引脚图 XC1 晶振输入 XC2 晶振输出 这里采用4MHz 基准晶振 与MCU 共享 VDD 芯片电源 2 7 3 6V 一般取3V VSS 电源接地端 FILT1 环路滤波器 VCO1 VCO2 输入电感 DIN 数据输入 DOUT 数据输出 RF PWR 发射功率调节输入端 FREQ 频道选择端 FREQ 0 时 频段为433 92MHz 常州工学院毕业设计论文 14 FREQ 1 则频段为315 16MHz ANT1 ANT2 收发天线终端 PWR UP 节电控制输入端 取值为1时 处于工作状态 取值为0时 处于待机状态 休眠模式 TXEN 收 发控制端 取值为1 时 处于发射状态 取值为0时 处于 接收状态 3 2 5 nRF403 电路设计 nRF403的具体电路图如图3 6所示 1脚和20脚之间连接的是振荡电路 采 用4MHz的高稳定性晶振 9脚是数据的输入引脚 10脚是数据的输出引脚 与主 控板ARM的UARl输入输出接口相连 连接在RF PWR端和Vss之间的电阻R4可设置 输出功率 可以通过选择不同的R15值来调整发射功率 发射功率越大 传输距 离越远 但芯片消耗电流也越大 所以在满足距离要求的前提下 通过设置R15 来选择合适的发射功率 本文系统使用的R15 22k 最大发射功率为 10dBm PLL 回路滤波器是外接的单端 2 阶滤波器 由 C10 C14 和 R13 构成 VC01 引脚端和 VC02 引脚端之间外接高质量片式电感 提高频率的稳定性 18 脚和 19 脚用于控制发射和接收模式 均与主控板的 GPIO 相连 15 脚和 16 脚是环形 天线的连接引脚 天线以差分方式连接到 nRF403 单端天线也可以通过一个差 分转换匹配网络连接到 nRF403 本文设计的电路采用 PCB 环形天线 整个环形 天线做在 PCB 上 对于便携设备接近效应小 比传统的鞭状天线或单端天线节 省了空间和生产成本 机构上也更稳固可靠 常州工学院毕业设计论文 15 XC1 1 VDD 2 VSS 3 FILT1 4 VCO1 5 VCO2 6 VSS 7 VDD 8 DIN 9 DOUT 10 RF PWR 11 FREQ 12 VDD 13 VSS 14 ANT2 15 ANT1 16 VSS 17 PWR UP 18 TXEN 19 XC2 20 U3 NRF403 FREQ PWR UP TXEN C21 3 3pF C22 5 6pF C17 22pF C18 22pF C10 1 5nF C14 820pF Y14MHz R14 1M L4 2nH R13 4 7K R16 C20 220pF C15 100nF C16 1nF C19 CAP VDD3 3 R15 22K 图3 6 nRF403射频模块电路原理图 3 2 6 JTAG 接口电路 JTAG 最初是用来对芯片进行测试的 基本原理是在器件内部定义一个 TAP Test Access Port 测试访问口 通过专用的 JTAG 测试工具对内部节点进 行测试 JTAG 测试允许多个器件通过 JTAG 接口串联在一起 形成一个 JTAG 链 能实现对各个器件分别测试 现在 JTAG 接口还常用于实现 ISP In System Programmable 在线编程 对 FLASH 等器件进行编程 JTAG 编程方式是在线编程 传统生产流程中先对芯片进行预编程后再装到 板上因此而改变 简化的流程为先固定器件到电路板上 再用 JTAG 编程 从而 大大加快工程进度 JTAG 接口可对 PSD 芯片内部的所有部件进行编程 在硬件结构上 JTAG 接口包括两部分 JTAG 端口和控制器 与 JTAG 接 口兼容的器件可以是微处理器 MPU 微控制器 MCU PLD CPL FPGA DSP ASIC 或其它符合 IEEE1149 1 规范的芯片 IEEE1149 1 标准中规定对应于数字集成电路芯片的每个引脚都设有一个移位寄 存单元 称为边界扫描单元 BSC 它将 JTAG 电路与内核逻辑电路联系起来 同 时隔离内核逻辑电路和芯片引脚 由集成电路的所有边界扫描单元构成边界扫 描寄存器 BSR 边界扫描寄存器电路仅在进行 JTAG 测试时有效 在集成电路正 常州工学院毕业设计论文 16 常工作时无效 不影响集成电路的功能 其接口电路如图 3 7 所示 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 P2 JTAG R5 10K R6 10K R7 10K R8 10K R12 10K VDD3 3 TRST TDI TMS TCK RTCK TDO RST 图 3 7 JTAG 接口图 3 2 7 FLASH 存储器 由于选用的中央处理器中 ROM 只有 32KB 所以需要外扩存储器来存储软件 代码和指纹特征数据 而在程序运行过程中需要对指纹数据进行存储和删除操 作 如果选用了 ROM 作为存储器 则将不能满足需要 又考虑到价格 性能等 因素 这里选择了 ATMEL 公司的 AT29LV1024FLASH 作为外扩的程序和数据存储 器 AT29LV1024 图 3 8 所示 是一个 3V 在系统 FLASH 可编程可擦写的只读存 储器 EPROM 1M 位的存储器被分为 16 位的 65536 个字 该芯片由于使用 ARMEL 公司的非易失性 CMOS 技术 提供存取时间为 150 纳秒 功率只有 54 毫 瓦的功耗 当芯片不工作时 CMOS 的闲置电流最多只有 50 A 很大程度上节 省了能耗 芯片可擦写次数可达 10000 次之多 AT29LV1024 的具体特点如下 1 单电压范围 输入为 3V 到 3 6V 2 读写操作都只需 3V 电压 3 软件编程保护 常州工学院毕业设计论文 17 4 很短的读取时间 150ns 5 低功耗 15mA 工作电流 50 A CMOS 闲置电流 6 扇区编程操作 擦除编程同时进行 分 512 个扇区 内部 128 个地址和数据 锁存 7 扇区编程周期短 20ms 8 内部编程控制和计时器 9 DATA 端口作为编程结束的探测端口 10 可擦写次数大于 10000 次 11 CMOS 和 TTL 兼容的输入和输出 12 商业和工业温度范围 图 3 8 AT29LV1024 芯片引脚 3 2 8 加密单片机 为了增加软件的安全性 在模块中增加了一个单片机 来对模块的软件进 行外部的加密 目前使用的是 ATMEL 公司的具有 1k 字节 FLASH 的 AVR 微控制器 TINY12 图 3 9 所示 ATtiny12 是 AVR RISC 结构的 CMOS 8 位微控制器 具有如下特点 1k 字节的 FLASH 64 字节的 EEPROM 多达 6 个的通用 I O 口 32 个通用工作寄存器 一个 8 位的计时器 计数器 内部和外部中断 具有内 部振荡器的可编程看门狗计时器和两个软件可选的节能模式 空闲模式使 CPU 停止工作 但允许计时器 计数器和中断系统继续工作 掉电模式将保存寄存器 内容 但停止振荡器 禁止所有芯片的其他功能直到收到下一个中断或接收到 硬件复位 在保持和掉电模式一样的低能量消耗的同时 ATtiny12 根据引脚上 电压改变发生的唤醒或中断可以对外部事件仍然保持很灵敏的响应 该设备使 用了 ATMEL 的高密度存储器技术制造而成的 它把一个 RISC 的 8 位 CPU 和 常州工学院毕业设计论文 18 FLASH 集成在一块单芯片上 这使得 ATMELATtiny12 成为了一个功能强大的微 处理器 从而可以为许多嵌入式的控制应用提供高灵活性和低成本的解决方案 图 3 9 TINY12 3 2 9 IC 卡认证电路 指纹信息识别电路 IC 卡认证电路包括加密单片机 电擦除式可编程只读存储器和射频信息识 别电路 其中电擦除式可编程只读存储器 Electrically Erasable Programmable Read Only Memory 是 IC 卡技术的核心 该技术使晶体管密度增 大 改善了性能 增加了容量 达到在同样面积上存储更大数据量的目的 作 为数据或程序的存储空间 EEPROM 的数据可以至少保持 10 年的时间 擦写次 数达 10000 次以上 EEPROM 技术还提供了很大的灵活性 通过设置不可修改的 标志位 能够将 EEPROM 单元转变成可编程只读存储器 只读存储器或不可读的 保密存储单元 通过射频识别 RFID Radio Frequency Identification 技术是一种利用电 磁波进行信号传输的识别方法 被识别的物体本身应具有电磁波的接收和发送 装置 RFID 系统使用的通信频段范围为 135kHz 或 300MHz GHz 级 也就是说 射频识别 IC 卡是一种使用电磁波和非触点来与终端通信的 IC 卡 射频识别 IC 卡有主动式和被动式之分 主动式卡是指卡片需要主动靠近读卡器 用户需要 将卡在读卡器上晃过才完成交易 被动式卡不用出示卡片 只要走过读卡器的 范围 即可完成交易 IC 卡中的 CPU 卡采用特殊的加密技术 不仅可以验证信息的正确性 同时 还能检查通信双方身份的合法性 从而保证信息传送的安全性 这是通过 IC 卡 中存储的银行密钥与读卡器兼黑盒子中存储的银行密钥的相互校验来实现的 从而保证了持卡者本身和读卡器双方都具有合法身份 从而达到认证功能 具 体电路图见附录一 附录二 常州工学院毕业设计论文 19 第四章 软件设计 硬件电路设计完毕后 就要着手于软件方面的设计 系统中的应用软件是 根据系统功能要求设计的 应该可靠地实现系统的各种功能 4 1 软件设计的实现 总体软件主要负责各个模块的控制 并协调各个模块之间的工作 在系统 上电后 首先负责对系统各个硬件接口进行初始化 然后进入正常工作循环 在正常工作循环中 可以实时感应射频卡 对射频卡进行读写相关操作 GPRS 采用串口中断方式响应远程监控主机 向远程监控主机发送设备信息 而与现 场设备终端通信的方式可以有 USB 和 RS232 方式 这 3 种方式优先采用 USB 方 式 然后采用 RS232 方式 很好地处理了多接口之间的协同问题 为了实时地实现各项功能 把多个任务合理安排到前后台工作是设计的重 点 一方面采用模块化和结构化的编程思想 使得读写器能够将各程序合理地 组织起来 方便程序的调试 修改和维护 另一方面采用高效的中断机制 串 口中断实时接收来自设备终端或监控主机的命令 定时器中断实现读写器工作 模式的切换 当外界无卡时切换到空闲模式可以有效地降低读写器的功耗它具 有完整的系统管理协议和指纹识别命令集 完整的系统管理协议增强了软件的 强壮性和可移植性 而完整的指纹识别命令集使得该软件可以自动进行指纹的 注册指纹 识别指纹以及输出指纹数据 常州工学院毕业设计论文 20 4 1 1 软件总体结构流程图 开始 初始化硬件端口 有IC卡感应 USB接入 返回错误指 纹信息 Y Y N N 射频IC卡读写子程序 接收设备终端命令 RS232接入 N 命令有效 执行相应命令 成功 返回正确指 纹信息 返回错误指 纹信息 N N Y Y Y 图 4 1 软件总体结构流程图 4 1 2 多接口协同工作机制 有线通信方式用于读写器与现场终端设备的通信 其中 USB 接口方式以其 接口方便和高传输速率优先采用 在现场终端设备无 USB 接口或 USB 接口出现 故障的情况下 可以选择 RS232 方式与设备终端通信 硬件设计上 读写器通 过一个 I O 口状态可以自动探测微处理器接入的接口方式 当 USB 接口和 RS232 接口同时存在时 优先选择 USB 通信方式 4 2 管理协议命令 在本次设计的指纹识别系统中 软件协议中的系统管理为协议命令 常州工学院毕业设计论文 21 1 部件更新下载它向模块传送更新的识别程序 DFP START DOWNLOAD 开始下载 0 x1b0 x5e0 x100 x000 x00 DFP END DOWNLOAD 下载结束 0 x1b0 x5e0 x110 x000 x00 DFP REQ DATA 请求 F W 0 x1b0 x5e0 x120 x000 x00 DFP DATA F W 数据 0 x1b0 x5e0 x13HsizeLsizeData 256Byte Hsize 数据大小的高字节 Lsize 数据大小的低字节 2 设备复位初始化模块 DFP RESET OUT 向模块传送复位命令 0 x1b0 x5e0 xa00 x000 x00 DFP RESET IN 向控制板传送复位命令 0 x1b0 x5e0 xa1VerHVerL VerH 版本号高字节 VerL 版本号低字节 3 部件错误当模块重新初始化 如果识别部件发生错误 则向控制板发送此 命令 DFP DEVICE FAULT 向控制板发送部件错误命令 0 x1b0 x5e0 xa20 x000 x00 4 检测注册的用户数计算并返回模块中注册了的用户数 DFP GET TOTAL USER 0 x1b0 x5e0 xb70 x000 x00 DFP GET TOTAL USER RESULT 0 x1b0 x5e0 xb7User Cnt HUser Cnt L 5 检测存储器信息检测存储器的使用情况以确定要注册的 ID 号是否可用 DFP GET MEM STATUS 常州工学院毕业设计论文 22 0 x1b0 x5e0 xb60 x00ID Number DFP GET MEM STATUS RESULT 0 x1b0 x5e0 xb60 x00Status Status 0 x00 使用了的 ID 0 x01 可用的 ID 0 x03 选择了错误的 ID 6 设置安全级设置 0 到 11 之间的一个安全级 DFP SET SECU LEVEL RESULT 设置模块中的安全级 0 x1b0 x5e0 xb10 x00Level DFP SET SECU LEVEL RESULT 返回模块中的安全级 7 检测安全级返回模块中设置的安全级 DFP GET SECU LEVEL 检测得到模块中当前的安全级 0 x1b0 x5e0 xb40 x000 x00 DFP SET SECU LEVEL RESULT 返回模块中的安全级 0 x1b0 x5e0 xb10 x00Level 8 检