基于无线网络的指纹考勤机的设计

1、北京化工大学北方学院毕业设计（论文）诚信申明本人申明：我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 年 月 日基于无线网络的非接触式考勤仪的设计门岩恒自动化专业 自控0805班 学号080204149指导教师 何建军讲师，母俐丽助教

2、摘 要近几年来，无线通信技术出现了如火如荼的发展态势，无线通信的最大好处就是节省布线的繁琐，不受地域限制，随时随地都能进行数据传输。随着指纹识别技术发展的相对成熟，该项技术也被逐步应用到身份识别。指纹的最大优势就在于其不可替代性，并且相对固定，不易发生改变。针对当前企、事业单位考勤管理的需要，本文基于指纹识别技术和无线通信技术，采用C8051F930单片机为主控制器协调并管理指纹识别模块 VFDA02 和无线通信模块Si4432，实现具备独立完成考勤及无线传输考勤信息等功能的无线指纹考勤系统。该系统能够实现对考勤现场数据的实时录入、多点采集和无线传输等功能，具有数据传输有效距离远、移动性强、安

3、装简单和扩展性好等优点。关键词：无线通信技术 指纹识别技术 考勤系统 Based on the Wireless Fingerprint Attendance System DesignAbstractIn recent years, wireless communication technology development speedly.Wireless communications biggest advantage is save wiring trival, not is limited by region, can at any time and place for data tr

4、ansmission. Along with the development of the fingerprint identification technology, the technology was also gradually applied to the identification. The great advantage of the fingerprint is that its non-substitutability, and relatively fixed, not easy to change, Given the current has the administr

5、ation and institution units got to the fingerprinting techniques and based on the wireless communications technology, C8051F930 monolithic integrated circuits, controls and coordination and management of fingerprint identification module VFDA02 and radio communication modules Si4432, To be finished

6、independently roll and wireless transmission of information and got a roll of fingerprints. The system will be able to register with the data inputted more real-time, gathering and wireless transmission of data transmission for functions, the effective distance, mobility strong, simple to install an

7、d extensibility better advantages of the promotion of values.Key words: Wireless Communication Technology Recognition Technology Of Fingerprint Attendance System目 录前 言1第1章 考勤仪的总体结构设计3第1.1节 考勤仪的模型结构3第1.2节 考勤仪的功能简介4第2章 考勤仪的硬件设计5第2.1节 考勤仪的硬件组成5第2.2节 无线收发系统的设计5第2.3节 考勤仪的终端的设计8第3章 考勤仪的软件设计19第3.1节 考勤仪的软件设

8、计思想19第3.2节 初始化程序20第3.3节 无线发送程序21第3.4节 无线接收程序22第4章 考勤仪的测试与分析25第4.1节 PCB设计注意事项25第4.2节 考勤仪的实验测试25结 论27参考文献28致 谢3030前 言考勤系统是指一套管理公司的员工的上下班考勤记录等相关情况的管理系统。是考勤软件与考勤硬件结合的产品，一般为HR部门使用，掌握并管理企业的员工出勤动态。现在企、事业管理的一项重要组成部分就是其人事考勤制度，它的好坏直接影响到单位的经济、社会效益以及员工的薪资等诸多方面。因此，对单位员工的出勤情况进行有效、科学地管理已经成为每个单位面临的重要课题。传统的考勤方式如手工签到

9、、打卡钟、IC 卡或磁卡考勤方式，经常出现代打卡现象。即便采用人工干预方式，但由于受到技术手段本身的限制，这就决定了传统考勤方式是一种低效率、难管理、易假冒、高人情的不科学管理手段，因此考勤管理起不到较好的效果。随着生物技术的发展，尤其是随着指纹识别技术发展的相对成熟，该项技术也被逐步应用到身份识别其中就包括指纹考勤等领域。指纹的最大优势就在于其不可替代性，并且相对固定、不易发生改变，通过分析指纹特征点，获得的信息就足以可靠地确认一个人的身份。指纹考勤系统利用指纹识别技术，并集成先进计算机考勤管理软件。单位员工不必保管和携带各种证件(如纸卡或 IC 卡等)，只要轻轻一按手指就可自动记录员工的考

10、勤情况。管理人员可随时通过管理系统轻松打印人事考勤报表，财务部门根据考勤数据进行处理，轻松输出薪资报表，从考勤到工资管理全部电脑化，保证了企业考勤管理的公证性、严肃性、纪律性。实现人、地、时三者合一，从而去除了虚假考勤，提高了考勤效率。目前，市面上指纹考勤系统常见的有两种。一种是联机式产品，其工作时须有电脑支持，多个系统共享指纹识别设备，需要建立大型的数据库存储指纹信息，并且指纹的比对需要由后台计算机支持。后台 PC 负担被大大加重，而且无论考勤机、传路、计算机出现任何故障，都会导致整个考勤系统的瘫痪，降低系统处理能力和处理进度。另一种是脱机型产品，单机就可完成考勤全部过程，使用方便，所以脱机

11、型产品得以广泛应用，本课题研制的指纹考勤系统就属于该类型。另外，现有脱机型产品在对考勤信息进行统计时都是 485 网络与管理计算机连接起来，因而，就要求考勤地点附近有一台管理计算机，且对于地势不好的地点铺设线路非常麻烦。另外如果企业比较庞大的话考勤系统的布线将变的十分繁琐，而且移动性和扩展性较差。随着科技的发展，指纹识别技术和无线通信技术的日益成熟，我们可以将其运用到考勤系统中来解决上述的缺点。本文基于指纹识别技术和无线通信技术，采用C8051F930单片机为主控制器协调并管理指纹识别模块 VFDA02 和无线通信模块Si4432，实现具备独立完成考勤及无线传输考勤信息等功能的无线指纹考勤系统

12、。该系统能够实现对考勤现场数据的实时录入、多点采集和无线传输等功能，具有数据传输有效距离远、移动性强、安装简单和扩展性好等优点。不仅单机就可完成考勤管理的全部过程，包括指纹采集、比对、时间管理、进出状态管理等多种功能，无需计算机的支持，节省了用户投资，使得系统总体成本降到最低，而且可以将考勤记录通过无线通信模块上传至计算机处理中心，从而有效地解决了架设相应网络造成的不便，减少了由于线缆故障造成的损失，并在传统 PC 通信流程基础上做出了改进，通信质量得到很大提高，系统管理更加方便、高效。考勤系统的发展将趋向于无线化，智能化。无线指纹考勤系统与传统考勤方式相比具有“三杜绝”、“三减少”、“三实现

13、”等优势,解决了以往传统考勤方式的弊端,消除了考勤虚假,避免了不合理费用付出,提高了单位考勤效率。无线网络传输与传统的电缆布线方式相比，可实现对考勤的现场数据的实时录入、多点采集、无线传送，适合于人员多和指纹采集地点发散的场合。所以把指纹识别技术和无线网络传输技术运用到考勤系统中是一种发展趋势。将三者融为一体，可以更好的促进考勤系统的发展。第1章 考勤仪的总体结构设计第1.1节 考勤仪的模型结构本考勤仪由计算机考勤系统、考勤终端系统、无线通信系统三部分组成。其中无线通信系统包括无线发送模块和无线接收模块两部分。考勤机计算机员工信息管理班次管理数据管理规则设置员工工作安排处理考勤数据系统维护通信

14、管理计算机考勤系统上传考勤记录指纹识别下载指纹数据指纹采集上传指纹数据考勤机设置考勤终端系统无线通信系统图1.1 考勤仪模型结构第1.2节 考勤仪的功能简介1.2.1计算机考勤仪的功能介绍员工信息管理。包括员工信息的录入、修改、删除、查询等功能。数据管理：随着考勤数据的不断增加, 数据库容量不断增大, 这样增加了数据处理时的开销。我们将临时不用的数据导出数据库, 减少数据库的容量, 提高数据的处理速度; 当用到这部分数据时, 再将其导入到数据库。规则设置：考勤系统中一些规则的设置, 如考勤规则设置、奖罚规则设置、通信规则设置、指定员工的考勤规则等。员工工作安排：给员工设定具体的工作安排, 作为

15、处理考勤数据的依据。处理考勤数据：将员工工作安排的数据与员工实际的考勤数据比较, 根据考勤规则, 确定考勤的结果(正常、迟到、早退、脱岗等) 。再根据奖罚规则, 确定出一段时间内员工的实际薪水。班次管理：将各个上下班时间段指定为不同的班次,可以方便地给员工安排班次。系统维护：系统管理的功能, 包括用户权限管理、修改用户密码、帮助等。通信管理：考勤机通过无线通信系统与计算机保持通信。员工在考勤之前, 需要把他的指纹登录到考勤机,形成指纹模板,即指纹模板采集; 只有考勤机识别了员工的指纹模板,才能记录下当前员工的考勤时间, 形成考勤记录。考勤机与计算机通信, 需要进行考勤机设置, 将考勤机与计算机

16、连通, 才能进行上传考勤数据、上传指纹模板、下载指纹模板。1.2.2无线通信系统功能介绍主要负责传递计算机考勤系统和考勤终端系统的数据和控制指令。1.2.3考勤终端系统功能介绍主要负责上传考勤记录，上传指纹数据，考勤机设置，下载指纹数据，指纹采集和指纹识别。第2章 考勤仪的硬件设计第2.1节 考勤仪的硬件组成如图2.1所示，本考勤系统由PC机考勤管理系统、无线收发系统、和考勤机终端三部分组成。主控机PC通过USB-RS232转接线和无线接收通信模块相连，考勤机终端通过RS232与无线发送模块相连，由无线发送模块和无线接收模块组成无线收发系统。PC机与考勤机通过无线收发系统实现数据交换、实时处理

17、和控制网络信息传递状态。无线收发系统是本文考勤系统重点设计的部分。RS232USB-RS232PC机考勤管理无线接收模块考勤机终端图2.1 考勤仪的硬件组成无线发送模块第2.2节 无线收发系统的设计无线收发系统的主要作用是实现PC机与考勤机终端之间的控制指令和数据信息无线实时传输。本文无线收发系统是一种基于无线收发芯片Si4432和C8051F930单片机的无线射频收发系统。该系统由无线发送模块和无线接收模块组成。发送模块主要将考勤机要发送的数据经C8051F930处理后，通过Si4432发送出去；在接收模块中，Si4432则将数据正确接收后经C8051F930处理后通过USB-RS232串行

18、通信线路将数据传递给PC机，从而实现短距离的无线通信。该系统实现了低功耗、小体积、高灵敏度条件下的高质量无线数据传输。无线收发系统的结构如图2.2所示，由C8051F930单片机控制Si4432实现无线数据的收发。发送模块中的C8051F930将数据传送给 Si4432进行编码处理，并以特定的格式经天线发送给接收模块。接收模块对接收到的射频信号放大、解调之后，再将数据送给主控制器C8051F930进行相应的处理，通过USB-RS232接口实现与PC机通信。RSTC8051F930单片机电源模块复位模块USB-RS232 串行通信图2.2 无线收发系统结构Si4432模块RSTC8051F930

19、单片机复位模块Si4432模块电源模块RS232串行通信接收模块发送模块Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的EZRadioPRO系列无线收发芯片。其工作电压为1936 V，20引脚QFN封装(4 mm×4 mm)，可工作在315433868915 MHz四个频段；内部集成分集式天线、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、64字节的发送和接收数据FIFO，以及可配置的GPIO等。 Si4432在使用时所需的外部元件很少，1个30 MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单，且成本低。Si4432的接收灵敏度达到-

20、117 dB，可提供极佳的链路质量，在扩大传输范围的同时将功耗降至最低；最小滤波带宽达8 kHz，具有极佳的频道选择性；在240960 MHz频段内，不加功率放大器时的最大输出功率就可达+20dBm，设计良好时收发距离最远可达2 km。Si4432可适用于无线数据通信、无线遥控系统、小型无线网络、小型无线数据终端、无线抄表、门禁系统、无线遥感监测、水文气象监控、机器人控制、无线RS485RS232数据通信等诸多领域。主控芯片选用Silicon Labs公司推出的单片机C8051F930。C8051F930有4 KB的RAM和64 KB的Flash，片上集成了丰富的外围模块(包括串口、SPI、1

21、0位AD转换器等)，很好地满足了本系统对微控制器的要求；支持快速唤醒和最低 09 V的供电；有多种电源管理模式(如正常模式、空闲模式、休眠模式等)，内部集成的2个内建欠压检测器分别适用于休眠模式和正常模式，典型休眠模式下电流仅为50 nA。C8051F930包含1个高效率直流升压转换器，最多提供65 mW给内部微控制器和其他元器件，为了减少正常模式下的电池耗电，C8051F930的省电架构能将操作模式下的电流减小到170AMHz。C8051F930可以通过内置增强型SPI对Si4432的内部寄存器进行读写操作，灵活配置各项参数。通过SPI接口完成对Si4432的初始化配置、读写数据、访问FIF

22、O等操作。使用4线SPI，即MOSI、MISO、SCK和nSEL。MOSI用于从C8051F930到Si4432的串行数据传输；MISO用于从Si4432到C8051F930的串行数据传输；SCK用于同步 C8051F930和Si4432之间在MOSI和MISO线上的串行数据传输；nSEL作为片选信号，只有片选信号为低电平时，对Si4432的操作才有效。硬件设计原理如图2.3所示。图2.3 考勤基站电路原理图图2.3 硬件设计原理图芯片Si4432的1316脚是标准的SPI接口，17脚(nIRQ)是中断状态输出引脚。当FIFO溢出、有效的数据包发送或接收、CRC错误、检测到前导位和同步字、上电

23、复位等情况发生，且相应的中断被使能时，17脚都会产生一个低电平以通知C8051F930有中断产生。20脚(SDN)决定了 Si4432芯片的工作状态。当SDN接地(SDN=0)时，芯片处于常规工作模式；接高电平(SDN=1)时，芯片处于掉电模式。掉电模式下寄存器中的内容会丢失，且不允许SPI访问，但芯片的电流损耗只有10 nA，功耗很低，因此适合要求极低功耗的应用。在连接到电源后，在SDN的下降沿上电复位，根据指令转换到其他工作模式。为了达到较好的通信效果，Si4432的接收低噪声放大器匹配电路和发射功率放大器匹配电路的阻容参数，应严格按照数据手册提供的参数选型。前端的分集式电路采用SKY13

24、267，其V1脚和V2脚分别连接Si4432的GPIO1和GPIO2。通过这款交叉开关实现分集式天线发送和接收通道的自动切换。第2.3节 考勤仪的终端的设计2.3.1指纹识别系统分类自动指纹识别系统的工作模式可以分为两类：验证模式(verification)和辨识模式(identification)。验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进行一对一的比对(one-to-one matching)，来确认身份的过程。作为验证的前提条件，他或她的指纹必须在指纹库中已经注册。指纹以一定的压缩格式存储，并与其姓名或其标识(ID，PIN)联系起来。随后在比对现场，先验证其标识，然后，利用

25、系统的指纹与现场的指纹比对来证明其标识是否是合法的。所以指纹考勤系统属于验证。验证过程如图2.4所示： 指纹库用户指纹指纹特征值指纹特征值比对用户ID登记图2.4 指纹验证过程比对用户ID指纹库指纹特征值用户指纹指纹特征值用户ID登记图2.5 指纹辨识过程辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹。这也叫“一对多匹配(one-to-many matching)”。辨识过程如图2.5所示。2.3.2指纹识别系统工作原理一般来讲，自动指纹识别算法体系大致由指纹图像采集、指纹图像预处理、特征提取、指纹分类和指纹比对几个部分组成。如图2.6所示：指纹图像输入

26、预处理特征提取特征比对结果输出图2.6 指纹识别系统框图(1)指纹图像采集较早出现的活体指纹采集设备是光电式的，现在仍为大多数自动指纹识别系统所使用。后来出现的电容式和电感式的采集设备，在某些条件下可提高指纹采集的质量，但在耐磨性和稳定性等方面还存在一些问题。对干、湿、脏的指头或磨损严重的指纹均能可靠、正确的进行采集和尽量减少采集时的变形是指纹采集技术需要解决的主要问题。到目前为止，光学采集头提供更加可靠的解决方案。通过改进原来的光学取像技术，新一代的光学指纹采集器更是以无可挑剔的性能与相对非常低的价格使电容方案相形见绌。光学技术需要一个光源从棱镜反射到按在取像采集头上的手指，光线照亮指纹从而

27、采集到指纹。光学取像设备依据的是光的全反射原理(FTIR)。光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由CCD去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂和水分。光线经玻璃射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这样就在CCD上形成了指纹的图像。由于最近光学设备的革新，极大地降低了设备的体积。这些进展取决于多种光学技术的发展而不是FTIR的发展。例如：可以利用纤维光束来获取指纹图像。纤维光束垂直射到指纹的表面，它照亮指纹并探测反射光。另一个方案时把含有微型三棱镜矩阵的表面

28、安装在弹性的表面上，当手指压在此表面上时，由于脊和谷的压力不同而改变了微型三棱镜的表面，这些变化通过三棱镜光的反射而反映出来。(2)预处理通常，指纹采集器采集到的指纹是低质量的，存在的噪声较多。通过预处理，将采集到的指纹灰度图像通过预滤波、方向图计算、基于方向图的滤波、二值化、细化等操作转化为单像素宽的脊线线条二值图像，基于此二值图像对指纹的中心参考点以及细节特征点特征等进行提取。指纹图像预处理是自动指纹识别系统基础，是进行指纹特征提取和指纹识别不可缺少的重要步骤。好的预处理方法可以使得到的单像素宽脊线线条二值图像更接近被提取者的指纹，更准确地反映被提取指纹的特征。因此可以使后续处理中提取的指

29、纹特征更准确，特征提取更迅速。指纹图像预处理的一般过程如图2.7所示。指纹图像的预处理一般采用图像增强、二值化和细化的方法来抽取脊的骨架。这类方法受指纹图像质量的影响比较大，难以得到令人满意的结果。很多研究者提出了不同的预处理方法，这些方法是用局部脊方向和局部自适应阈值来增强指纹图像，但各自都有一些局限性。例如，用分块的方法实现局部自适应阈值并得到该块内的脊方向。这些方法通常是分别得到骨架和方向流结构，缺乏相关性。预处理预滤波方向图方向滤波二值化细化图2.7 预处理框图(3)特征提取指纹的特征点分为全局特征和(如奇异点、中心点)和局部特征(指纹细节点)。在考虑局部特征的情况下，英国的(E. R

30、 .Herry)认为，在比对时只要13个特征点重合，就可以确认是同一个指纹，对于不同的应用情况，要求匹配的特征点的个数会有所不同，如：用在公安刑侦时要求匹配特征点的个数就要比用在指纹考勤时多。指纹的细节特征可以有150种之多，但这些特征出现的概率并不相等，很多特征是极其罕见的。一般在自动指纹识别技术中只使用两种细节特征：纹线端点与分叉点。纹线端点指的是纹线突然结束的位置，而纹线分叉点则是纹线突然一分为二的位置。大量统计结果和实际应用证明，这两类特征点在指纹中出现的机会最多、最稳定，而且比较容易获取。更重要的是，使用这两类特征点足以描述指纹的唯一性。通过算法检测指纹中这两类特征点的数量以及每个特

31、征点的类型、位置和所在区域的纹线方向是特征提取的任务。(4)指纹分类指纹分类的主要目的是方便大容量指纹库的管理，减小搜索空间，加速指纹匹配过程。指纹分类技术越完善，能够划分的类型越细，样本数据库每个类别中所包含的样本数量就会越少，对一次识别任务来讲，需要比对的次数和时间开销就会越少。在大部分研究中，指纹一般分为五类：漩涡型(whorl)、左环型(left loop)、右环型(right loop)、拱型(arch)、尖拱型(tented arch)。对于要求严格的指纹识别系统，仅按此分类是不够的，还需要进一步更加细致的分类。 (5)指纹比对指纹比对指的是通过对两枚指纹的比较来确定它们是否同源的

32、过程，即两枚指纹是否来源于同一个手指。指纹比对主要是依靠比较两枚指纹的局部纹线特征和相互关系来决定指纹的唯一性。指纹的局部纹线特征和相互关系通过细节特征点的数量、位置和所在区域的纹线方向等参数来度量。细节特征的集合形成一个拓扑结构，指纹比对的过程实际就是两个拓扑结构的匹配问题。由于采集过程中的变形、特征点定位的偏差、真正特征点的缺失和伪特征点的存在等问题，即使是两枚同源的指纹，所获得的特征信息也不可能完全一样，指纹比对的过程必然是一个模糊匹配问题。(6)可靠性问题计算机处理指纹图像时，只是涉及了指纹有限的信息，而且比对算法不是精确的匹配，因此其结果不能保证100%准确。指纹识别系统的重要衡量标

33、志是识别率，它主要由两部分组成：拒判率(false reject rate，FRR)和误判率(false accept rate，FAR)。我们可以根据不同的用途来调整这两个值，FRR和FAR是成反比的，可以用 11.0的数或百分比来表示。图2.8的ROC(Receiver Operating Curve)曲线给出FAR和FRR之间的关系。尽管指纹识别系统存在可靠性问题，但其安全性也比相同可靠性级别的“用户ID十密码”方案的安全性高得多。例如采用四位数字密码的系统，不安全概率为0.01%，如果同采用误判率为0.01%指纹识别系统相比，由于不诚实的人可以在一段时间内试用所有可能的密码，因此四位数

34、密码并不安全，但是他绝对不可能找到一千个人去为他把所有的手指(十个手指)都试一遍。正因为如此，权威机构认为在应用中1%的误判率就可以接受。FRR实际上也是系统易用性的重要指标。由于FRR和FAR是相互矛盾的，这就使得在实际应用系统的设计中，要权衡易用性和安全性。一个有效的办法是比对两个或更多的指纹，从而在不损失易用性的同时，最大限度地提高了系统的安全性。图2.8 FAR和FRR之间的ROC关系曲线2.3.3指纹考勤系统硬件介绍指纹考勤系统的硬件是以CPU中央处理器为中心进行设计的。CPU根据用户的指令，在控制软件的指挥下，统一管理各模块或设备，使整个指纹考勤机有序地运行。图2.9指纹考勤机的硬

35、件结构框图。LCD液晶显示器4×4键盘蜂鸣器CPU中央处理器232联网通信接口指纹识别模块电源供电实时时钟大容量存储器图2.9 指纹考勤机硬件结构框图指纹考勤系统除了核心的CPU及其控制软件外，主要有指纹识别模块、液晶显示器、4×4键盘、大容量存储器、实时时钟、通讯接口等设备模块。指纹识别模块是指纹考勤机与其他类型考勤机最不同的特征。指纹识别模块通过指纹采集传感器采集指纹图像，对指纹图像进行锐化等预处理后，从指纹图像中提取指纹特征，然后压缩存储在模块中。指纹识别时，同样是采集、预处理、提取指纹特征等步骤，之后与已经存储在模块中的所有指纹特征进行比对，根据设置的识别率，判断是

36、否有相同或相似的指纹，并返回识别结果。4×4键盘、大屏幕LCD液晶显示器和蜂鸣器是指纹考勤机的人机交互接口设备。用户通过键盘输入用户信息；液晶显示器可显示当前日期、时间，以及识别的用户编号、错误代码等信息；蜂鸣器可以给用户提示操作状态和识别结果。大容量存储器用来存储考勤记录和设备参数。由于采用大容量、掉电不丢失数据的存储器，指纹考勤机可以同时存储6000多条考勤记录，省去频繁读取和清除考勤记录的麻烦。实时时钟用于实时产生系统时间，即使停电也不会影响实时时钟的运行，提高考勤记录的准确性。232通讯联网接口是指纹考勤机与管理PC机通讯的通道。通过联网接口，指纹考勤机可以将考勤记录或指纹数

37、据通过无线收发系统上载到管理PC机，管理PC机也可以设置指纹考勤机的各项参数，下载新的指纹等。指纹考勤机的硬件是以CPU中央处理器为中心进行设计的。CPU根据用户的指令，在控制软件的指挥下，统一管理指纹识别模块、液晶显示器、4×4键盘、大容量存储器、实时时钟、通讯接口等设备模块，使整个指纹考勤机有序地运行。(1)CPU控制处理器指纹考勤机的CPU选用集成度和性能比较高的MCS51兼容系列单片机AT89C52。AT89C52单片机内集成有8K Flash ROM程序存储器，256字节内部RAM，2个外部中断，3个定时器，1个串行通讯口，32个通用双向I/0端口，非常适合作为指纹考勤机这

38、种设备的内嵌控制处理器。AT89C52单片机的8K Flash ROM程序存储器，可以重复编程擦写1000次以上，特别适合用来开发和调试控制程序，而且8K的容量足以设计开发相当复杂的控制逻辑。256字节的内部RAM可以用来保存控制过程中产生的参数，以及与指纹识别模块或计算机进行通讯时的临时数据。串行通讯口用来与指纹识别模块和计算机进行通讯。其他通用双向I/O口用来检测键盘的按键信号，以及控制液晶显示器的显示、大容量存储器和实时时钟的读写操作。(2)指纹识别模块本系统采用的是具有32位处理器的VFDA02指纹识别模块，该模块包括指纹采集器和指纹处理单元。指纹识别模块VFDA02具有以下性能：能脱

39、机存储1760枚指纹，提供1: N(N<100)和1:1比对方式，采用RS-232串口通讯或者韦根信号输出，指纹采集比对响应时间：1秒，指纹特征为400Byte，可以协同FDU/FDP联机模块系统工作。VFDA02指纹处理单元包括一个32位处理器和为提供性能的指令缓存和数据缓存，脱机处理系统的内置处理器有2MB的FLASH和32位处理器连接，程序处理协议通过串口连接，指纹特征数据被存储在FLASH中。由于FLASH处理速度慢，如果数据被处理使用，数据被转移到RAM，正在进行的程序保存在RAM中，VFDA02的RAM容量为8MB，PLD可编程逻辑控制设备内置在处理单元中，使用简单的逻辑连接

40、电路控制光学采集器，电源需接5V直流电。指纹采集器采用的是CMOS指纹采集传感器，它通过光学指纹采集头采集指纹信息，采用紧凑化设计、表面增强漫反射光学菱镜设计、指纹图像采集无畸变、防刮擦涂层、高速采集数字化指纹图像、防静电、干手指解决效果良好。(3)人机接口键盘、显示器和蜂鸣器是指纹考勤机的人机交互接口设备。用户通过键盘输入指令，如登记、修改、识别等；液晶显示器可显示当前日期、时间，以及识别的用户编号、错误编号、错误代码等信息；蜂鸣器可以给用户提示操作状态和识别结果。键盘采用行列式的接口设计，由4个I/O线组成4行输入口，令4个I/O线组成4列输出口，在行列线的每个交点上，设置一个按键，共组成

41、4×4=16个有效按键。读键值方法采用扫描方式，即4个输出口按位轮流输出低电平，同时从输入口读入4位按键信息，最后用软件方法获得按键码值。这种方法占用的I/O口线比较少，并且需要采用位操作，因此在单片机系统中是最为常用的。(4)大容量数据存储器大容量数据存储器主要用来保存考勤记录，由于考勤记录必须在一段时间内有效保存，并且不能因断电而丢失数据，因此选用E2PROM芯片作为存储器。(5)实时时钟指纹考勤机中的实时时钟是所有考勤记录的时间基准，实时时钟不仅要满足时间的准确性，同时还要求在停电时仍能正常计时。作者选用DALLAS公司的DS1302芯片作为实时时钟。(6)联网通讯接口指纹考勤

42、机的联网通讯接口采用RS232接口方式。2.3.4软件功能介绍指纹考勤机系统的软件，根据系统结构划分，可分为指纹考勤机上的控制软件和计算机上的通讯接口管理设置软件这两种。指纹考勤机的控制软件功能主要包括四类：考勤识别验证、用户指纹管理、考勤机设置、联机管理。计算机上的通讯接口管理设置软件包括：与指纹考勤机进行串行通讯的接口动态连接库，与指纹考勤机的联机管理功能相配套的管理设置程序。指纹考勤机系统的控制软件功能主要包括四类：考勤识别验证、用户指纹管理、考勤机设置、联机管理。控制软件全部采用Keil C51语言设计。以下是控制软件功能的详细说明。(1)考勤识别、验证：根据用户输入的组号(0-9)和

43、指纹，自动识别验证用户，并记录该用户的考勤信息，包括：进出状态、组号、编号、时间等。可在管理员的干预下进行手工考勤。在5分钟内重复考勤，只记录一次考勤数据。(2)用户指纹管理：用户管理功能必须先验证管理员的指纹。管理员的编号、指纹的登记、修改、删除。普通用户的组号、编号、指纹的登记、修改、删除。每个普通用户可登记1-2枚指纹。统计管理员和普通用户的指纹登记总数。(3)考勤机设置：设置考勤机的进出状态。设置当前日期、时间。(4)联机管理：设置考勤机的日期、时间。设置考勤机的网络地址码。设置考勤机的进出状态。获取考勤机中用户指纹总数和指纹编号详细列表。删除考勤机中指定用户指纹或所有指纹。获取和设置

44、考勤机中指定用户指纹的特征数据。获取考勤机中考勤记录总数和详细考勤记录。删除考勤机中所有考勤记录。控制软件的功能管理循环、控制软件主循环的及控制软件的考勤操作如图2.10、2.11、2.12所示。用户管理确认键进入相应功能返回取消键键等待按键验证管理员指纹时间设置删除指纹修改指纹添加指纹人工考勤切换显示“人工”“添加”“修改”“删除”“时间”设置状态 图2.10 控制软件的功能管理循环进/出状态切换不分组考勤分组考勤用户管理初始化0-9确认按键等待按键进出功能键图2.11 控制软件的主循环分组考勤指纹识别显示指纹编号输入用户指纹编号返回保存考勤记录（日期，时间，指纹编号，）进出状态显示组号不分

45、组考勤验证管理员指纹人工考勤图2.12 控制软件的考勤操作2.3.5指纹考勤机的特性(1)指纹识别，考勤时只需轻压手指，杜绝作弊可能。(2)无需考勤卡，不存在制卡和磨损问题。(3)单机独立运行，考勤时不需要电脑支持，尽可能降低整体系统故障点。(4)系统整体成本低廉，无需制卡，考勤软件对计算机无特别要求。(5)适应不同企业规模，可单机运行，也可以多台机器联网运行。(6)大屏幕液晶显示，淡黄色背光，清晰直观。(7)具有掉电数据保护功能，断电后数据可以保存10年。(8)蜂鸣器及时反映不同操作状态。(9)提供门禁输出接口。第3章 考勤仪的软件设计第3.1节 考勤仪的软件设计思想无线指纹考勤系统的软件按

46、照安装位置的不同分为下位机指纹考勤机的无线收发控制软件和上位机 PC 机的考勤信息管理软件。 下位机控制软件在 Keil C51 开发环境下编写完成，上位机管理 PC 机上的考勤信息管理软件在 Delphi7.0 集成开发环境下完成。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51是一种专门为C51单片机设计的高效率C语言编译器，它能够产生极高速度和简洁的目标代码，在效率和执行速度上完全可以与汇编语言相比，

47、并且拥有十分丰富的库函数可供直接调用，从而提高了程序的编写效率。C51编译器支持模块化设计，各模块原程序可以用符合ANSI标准的C语言编写，然后各模块在编译正确后，由连接器进行连接定位，产生可执行的目标文件。因此，主体程序部分采用C语言编程实现要比汇编容易和有效的多，个别子程序部分可以采用汇编编写。Delphi实际上是Pascal语言的一种版本，但它与传统的Pascal语言有天壤之别。一个Delphi程序首先是应用程序框架，而这一框架正是应用程序的“骨架”。在骨架上即使没有附着任何东西，仍可以严格地按照设计运行。我们所需要的工作只是在“骨架”中加入自己的程序。因此，可以说应用程序框架通过提供所

48、有应用程序共有的东西，为用户应用程序的开发打下了良好的基础。Delphi已经做好了一切基础工作程序框架就是一个已经完成的可运行应用程序，只是不处理任何事情。您所需要做的，只是在程序中加入完成您所需功能的代码而已。在空白窗口的背后，应用程序的框架正在等待用户的输入。由于您并未告诉它接收到用户输入后作何反应，窗口除了响应Windows的基本操作(移动、缩放等)外，它只是接受用户的输入，然后再忽略。Delphi把Windows编程的回调、句柄处理等繁复过程都放在一个不可见的覆盖物下面，这样就可以不为它们所困扰，轻松从容地对可视部件进行编程。本文主要介绍无线收发控制软件的编写。无线收发系统的软件编程采

49、用模块化设计思想，系统中各主要功能模块均编成独立的函数由主程序调用。功能模块包括：初始化程序(包括初始化C8051F930、SPI、 Si4432)，无线发送程序，无线接收程序等。无线发送程序负责写入数据载荷，并根据通信协议为数据载荷加上前导码、同步字、数据载荷长度及CRC校验字节，形成数据包将其发送出去；无线接收程序负责接收并检验数据包中的CRC字节，以确保接收到的数据的正确性。无线收发模块之间的通信是以数据包的形式发送的，系统定义的数据包格式如下：PreambleSync WordPacket LengthPAYLOADCRC8n位2字节0或1字节用户配置2字节其中，Preamble(前导

50、码)是一连串的10101010，其数量为8n位，n的大小由用户编程决定。数据包在传输过程中会在每个包的前面加上可设置长度的前导码；接收端为了识别帧的到来，需要前导码进行帧同步，从而确定收发系统之间何时发送和接收数据。SyncWord(同步字)在前导码之后，要用设定好的同步字来作为同步模式的标志码。本系统设定的同步字为2个字节，同步字内容为0x2DD4，接收端在检测到同步字后才开始接收数据。Packet Length是数据载荷长度。PAYLOAD(有效数据载荷)是用户所发送的数据。CRC(CRC校验和)由内置CRC校检。Si4432内部集成有调制解调、编码解码等功能，从而Preamble、Syn

51、cword、Packet Length和CRC都是硬件自动加上去的，用户只需设定数据包的组成结构和部分结构的具体内容(如前导码和同步字)。本文以半双工通信为例，介绍通信的实现过程。第3.2节 初始化程序初始化程序包括C8051F930的初始化，SPI的初始化，以及Si4432的关于无线收发频率、工作模式、发射速率等内部寄存器的初始化配置。系统上电后，C8051F930处于默认状态，根据系统功能需求重新进行初始化配置。C8051F930的数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口 IO引脚，可通过设置交叉开关控制寄存器，将片内资源配置到具体的端口IO引脚上。这一特性允许用户根据自己的特定应用选

52、择通用端口IO和所需数字资源的组合，提高了应用的灵活性。本系统中，主要配置了SPI通信的4线，液晶LCD的数据线接口、控制线接口和RS232串口数据输入输出等。初始化SPI时，可以通过对SPI1CFG寄存器和SPI1CN寄存器的配置来选择具体使用规则。这里，选择主SPI，4线模式，时钟极性为低电平，在时钟上升沿时对数据采样；通过配置SPI1CKR寄存器，可将同步时钟频率设为晶振频率的14。上电之初，Si4432也处于默认状态，需要进行配置才能工作。Si4432有70多个寄存器需要配置，它们决定了Si4432的工作模式，具体配置可以参考Si4432的数据手册。Si4432的初始化是一个重要的部分

53、，配置的恰当与否对系统最终的通信效果有很大的影响。主控制器C8051F930通过 SPI配置Si4432的1ch、1dh等寄存器，写入相应的初始化RF控制字(主要是频率、传输速度、传输方式等)；通过配置33h、34h等寄存器来设置包的结构、前导码长度、同步字内容等。本系统采用同步传输模式，以0x2DD4作为同步模式的标志码，传输完同步字后才开始传输数据载荷。每次发送数据必须以同步字0x2DD4作为发送数据的同步标志，接收端在检测到同步字后才开始接收数据。第3.3节 无线发送程序无线发送程序流程如图3.1所示。完成C8051F930、SPI和Si4432的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF

54、控制字。接下来，通过配置 Si4432的寄存器3eh来设置包的长度，通过SPI连续写寄存器7fh，往TX FIFO里写入需要发送的数据。然后打开“发送完中断允许”标志，将其他中断都禁止。当有数据包发送完时，引脚nIRQ会被拉低以产生一个低电平从而通知 C8051F930数据包已发送完毕。完成中断使能后，使能发送功能，数据开始发送。等待nIRQ引脚因中断产生而使电平拉低，当nIRQ引脚变为低时读取中断状态并拉高nIRQ，否则继续等待。如果数据发送成功，指示灯会变亮。一次数据发送成功后，进入下一次数据循环发送状态。开始初始化C8051F930初始化SPI初始化Si4432设定数据包的长度及结构清除

55、TX FIFO向TX FIFO写入数据包长度8和数据内容（TESTING）开关发送功能数据发送成功指示灯亮读中断状态 拉高nIRQnIRQ引脚被拉低nIRQ=0开发送功能自动发送关闭除有包发送中断外的所有中断NY图3.1 无线发送程序流程图第3.4节 无线接收程序无线接收程序流程如图3.2所示。程序完成C8051F930、SPI接口和Si4432的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化RF控制字。通过访问寄存器7fh从RX FIFO中读取接收到的数据。相应的控制字设置好之后，若引脚nIRQ变成低电平，则表示Si4432准备好接收数据。完成这些初始化配置后，通过寄存器 4bh读取包长度信息。然后，打开“有效包中断”和“同步字检测中断”，将其他中断都禁止。引脚nIRQ用来检测是否有有效包被检测到，若引脚nIRQ变为低电平，则表示有有效的数据包被检测到。本系统用Ox2DD4作为同步模式的标志码，接收模块通过检测这个同步字来同步接收数据。最后，使能接收功能，数据开始接收。等待 nIRQ引脚因中断产生而使电平拉低，读取中断标志位复位nIRQ引脚，使nIRQ恢复至初始的高电平状态以准备下一次中断触发的检测。通过SPI读取 RX FIFO中的数据，将数据送至PC机的数据管理系统，之后进入下一次数据接收状态。开始初始