指紋識別系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖集錦 —電路圖天天讀（200）

　　隨著電子信息技術(shù)應(yīng)用面日益拓展，不少場合需要對特定用戶群體進(jìn)行身份識別或身份記錄，如門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、安全認(rèn)證系統(tǒng)等，在各種系統(tǒng)中運(yùn)用的技術(shù)形式多樣，如視網(wǎng)膜識別、面相識別、指紋識別、RFID射頻識別應(yīng)用等。其中，生物特征識別方式以其方便性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)得到了越來越多人的認(rèn)可和接受，特別是指紋識別技術(shù)方式，現(xiàn)已發(fā)展成為應(yīng)用最廣泛的生物識別技術(shù)之一。因此，研究基于嵌入式架構(gòu)的指紋識別系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

　　ARM光學(xué)指紋識別系統(tǒng)

　　系統(tǒng)采用光學(xué)指紋傳感器（內(nèi)建格科微電子有限公司的光學(xué)GC0307 CMOS 圖像采集芯片）與ARM Cortex M3 內(nèi)核意法半導(dǎo)體公司的32 位高性能單片機(jī)STM32F205RE 組成功能主體，采用Sobel 邊緣檢測算子、Gabor 濾波、圖像二值化等圖像采集與處理算法對指紋圖像進(jìn)行識別，構(gòu)建了小體積的嵌入式指紋識別模塊，具有積木式嵌入、微功耗、程序接口簡單易用、便于二次開發(fā)、識別準(zhǔn)確度高、高性價(jià)比等特點(diǎn)。整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成了一體化光學(xué)指紋識別模塊。模塊設(shè)計(jì)采用光學(xué)暗背景成像原理，加入特有活體檢測芯片，在解決干手指效應(yīng)的同時解決殘留指紋誤識別、橡膠假指紋等問題。

　　圖1 所示為格科微電子有限公司的光學(xué)GC0307 CMOS 圖像采集芯片應(yīng)用電路原理圖。該款CMOS 圖像采集芯片是高精度、低功耗、微體積的高性能相機(jī)的內(nèi)置式組件，它把實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)VGA 影像的CMOS 影像傳感器與高度集成的影像處理器、嵌入式電源和高質(zhì)量的透鏡組結(jié)合在一起，輸出JPEG 圖像或圖像視頻流，支持8/10 位數(shù)字傳輸JPEG 圖像和YCbCr 接口，提供了完整的影像解決方案。

　　CMOS 圖像采集芯功能輸出串行數(shù)據(jù)引腳、時鐘信號引腳、復(fù)位引腳、串行總線引腳等都接入到STM32F205RE的GPIO 口， 通過GPIO 口模擬時序讀取CMOS 芯片采集到的圖像信息。由于STM32F205RE 的GPIO 口工作頻率可達(dá)120 MHz，因而可以非常準(zhǔn)確高效地模擬時序，實(shí)測640&TImes;480 的原始圖像能以10 幀/s 的速度采集到主處理器STM32F205RE 中進(jìn)行圖像處理。

　　采用ARM處理器作為控制核心，構(gòu)建指紋識別算法的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及過程。該系統(tǒng)采用光學(xué)指紋傳感器（內(nèi)建格科微電子有限公司的光學(xué)GC0307CMOS圖像采集芯片）與ARM Cortex M3內(nèi)核的意法半導(dǎo)體公司32位高性能單片機(jī)STM32F205RE組成功能主體，采用Sobel邊緣檢測算子、Gabor濾波、圖像二值化等圖像采集與處理算法對指紋圖像進(jìn)行識別。經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐證明，該方案適合嵌入式組件開發(fā)中需要進(jìn)行生物指紋特征提取、識別，指紋身份認(rèn)證、比對等場合。系統(tǒng)具有高性價(jià)比且交互簡易、識別率高、擴(kuò)展性強(qiáng)，便于嵌入式應(yīng)用。

　　MBF200固態(tài)指紋傳感器

　　MBF200是富士通公司推出的一款先進(jìn)的固態(tài)指紋傳感器，它除可自動檢測指紋外，還帶有多種接口模式，為電容性傳感器，其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當(dāng)一個電容板，接觸的手指充當(dāng)?shù)?個電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當(dāng)手指觸摸傳感器表面時，指紋的高低不平就會在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。采用標(biāo)準(zhǔn)C13MS技術(shù)的電容性固態(tài)器件，具有500 dpi的分辨率，傳感器面積為1.28 cmxl.50 cm.具有自動指紋檢測能力，內(nèi)含8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可提供3種總線接口形式。5 V工作電壓下的功耗小于70 mW. 1.2以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)AT91SAM7X256內(nèi)部集成有MAC控制器，可支持MII接口和RMII接口。RTL820lBL則是工業(yè)級帶有MII接口的10/100 Mb/s低功耗以太網(wǎng)收發(fā)器，25 MHz時鐘輸出，智能降功耗模式，可為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)解決方案，為工廠企業(yè)及其他惡劣的操作環(huán)境架設(shè)可支持實(shí)時傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)，符合IEEE 802.3u的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)接口電路原理圖如圖2所示。

　　圖2以太網(wǎng)接口電路原理圖

　　運(yùn)用單片機(jī)指紋識別系統(tǒng)電路模塊設(shè)計(jì)

　　利用指紋識別傳感器進(jìn)行指紋采集與識別，在單片機(jī)中對指紋進(jìn)行處理，用按鍵標(biāo)志當(dāng)前指紋識別的狀態(tài)，錄入狀態(tài)，識別狀態(tài)，清除狀態(tài)，用液晶1602能夠顯示當(dāng)前指紋識別的狀態(tài)信息;用繼電器對當(dāng)前信息進(jìn)行判斷，例如提醒當(dāng)前指紋識別錯誤;利用蜂鳴器和LED等提醒當(dāng)前指紋識別是否正確。

　　該系統(tǒng)首先由數(shù)字?jǐn)z像頭ov6620采集指紋，并將指紋圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像;然后用16位的飛思卡爾X128單片機(jī)對指紋數(shù)字圖像進(jìn)行預(yù)處理，再通過圖像增強(qiáng)、分割、平滑、細(xì)化等處理過程得到便于指紋特征提取的數(shù)字圖像：接著提取細(xì)化后的圖像細(xì)節(jié)特征點(diǎn); 然后將指紋信息數(shù)據(jù)送入STC89C52單片機(jī)中，一塊液晶1602與STC89C52單片機(jī)相連，液晶用于顯示當(dāng)前指紋采集系統(tǒng)的工作狀態(tài)和經(jīng)對比后指紋采集的信息是否正確，用一個蜂鳴器和LED指示燈指示當(dāng)前采集的指紋信息正確。當(dāng)采集到的指紋信息正確，蜂鳴器發(fā)出響聲并且LED指示燈點(diǎn)亮。
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　　FPS200固體指紋識別傳感器設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)有的光學(xué)傳感器的體積都較大，成像結(jié)果要經(jīng)過變換才可以使用。該采集系統(tǒng)采用Veridicom公司的FPS200固體指紋識別傳感器設(shè)計(jì)而成。 FPs200是一種性能優(yōu)越，功耗低，價(jià)格便宜的指紋識別傳感器。由于其特殊的EDS保護(hù)，特別窄小的物理尺寸，以及獨(dú)特的省電特性，使傳感器尤其適合嵌入式系統(tǒng)使用。主要原理是，在指紋圖像感知區(qū)域集成了二維金屬電極陣列，每根電極充當(dāng)電容一極，在傳感器表面，二極之間有一層鈍化層作為電容的介電層。由于指紋的脊和谷與傳感器接觸時會產(chǎn)生不同的電容值，測量這些不同的數(shù)值即形成圖像。

　　與同類產(chǎn)品相比，F(xiàn)PS200的性能特點(diǎn)如下：

　　（1）支持多接口模式。FPS200有3種接口模式，8位的系統(tǒng)總線接口，集成全速的USB接口和集成的串行外設(shè)接口，使芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)更加靈活。芯片集成USB控制器，大大減少了USB電路設(shè)計(jì)的工作量，同時USB接口協(xié)議支持更高的傳輸速率；（2）自動指紋檢測功能。FPS200可自動檢測手指是否放在傳感器上，如果有，則進(jìn)入工作狀態(tài)；否則，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此設(shè)計(jì)不需輪詢檢測指紋，提高了芯片的丁作效率；（3）FPS200內(nèi)部包括一個新的二階的A／D轉(zhuǎn)換器，功耗低（75％）；FPS200傳感器單元間距變小，提高了傳感器陣列的機(jī)械強(qiáng)度。

　　系統(tǒng)采用USB接口模式，設(shè)計(jì)中請注意：①FPS200的工作電壓是3.3~3．6 V，而USB的供電電壓是5 V，所以要用電壓轉(zhuǎn)換芯片實(shí)施電壓轉(zhuǎn)換；②FPS200通過MODEl和MODEO 2個引腳來實(shí)現(xiàn)接口模式的選擇。在USB接口模式下，將微處理器接口模式和SPI予以屏蔽。此時MODE［1：0］=l0b，采用FPS200內(nèi)部 ROM；其他部分引腳CS0，CSl，MOSI，MOSO被屏蔽，引腳懸空；XTAL1與XTAL2之間接12MHz晶體電路；FPS200內(nèi)部的多頻振蕩器不工作。圖2給出FPS200傳感器和系統(tǒng)的連接電路。

　　系統(tǒng)微處理器模塊采用ARM2440開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Samsung公司的ARM處理器S3C2440，由6層板設(shè)計(jì)。該開發(fā)系統(tǒng)在盡可能小的面板上 （120mmx90mm）集成64MBSDRAM，64MB NAND Flash，lMB B00T Flash，RJ一45 網(wǎng)卡，音頻輸入和輸出，USB Host，USB Slave，標(biāo)準(zhǔn)串口，SD卡插座等設(shè)備接口，支持LCD／STN液品屏接口，可以接各種單色，偽彩，真彩液晶屏，并含有觸摸屏接口。通過預(yù)留的USB口可實(shí)時地將數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)盤或者PC機(jī)硬盤中?，F(xiàn)在的SD卡成本低，容量大，所以存儲模塊采用SD卡進(jìn)行圖像存儲。液晶顯示模塊采用Samsung公司的3．5寸TFT（帶觸摸），通過液晶屏的觸摸功能或USB鼠標(biāo)，可以方便的對測試系統(tǒng)進(jìn)行窗口化操作。

　　指紋識別系統(tǒng)電路

　　工作原理：當(dāng)指紋傳感器收到指紋信息，將通過串口給單片機(jī)發(fā)送命令，單片機(jī)同意并接收相應(yīng)的信息，指紋傳感器采集的指紋轉(zhuǎn)換成RGB格式，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)通過存儲在EEPROM中的固化程序執(zhí)行大量的模式識別和圖像處理相關(guān)計(jì)算，當(dāng)用戶的指紋被確認(rèn)，單片機(jī)將命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，開關(guān)開。硬件特性：80C51單片機(jī)是在8051的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，8051單片機(jī)與80C51單片機(jī)從外形看是完全一樣的，其指令系統(tǒng)、引腳信號、總線等完全一致（完全兼容），主要差別就在于芯片的制造工藝上。80C51的制造工藝是在8051基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。 8051系列單片機(jī)采用的是HMOS工藝：高速度、高密度； 80C51系列單片機(jī)采用的是CHMOS工藝：高速度、高密度、低功耗；

　　采用8051作為指紋識別系統(tǒng)的核心處理器，使用單片機(jī)內(nèi)部的4K程序存儲器，接+5V電源。 復(fù)位電路則采用簡單RC復(fù)位電路，同時又可與一些需要復(fù)位的外圍電路相連，達(dá)到復(fù)位與單片機(jī)同步。 /EA/Vpp為訪問內(nèi)部或外部程序存儲器的選擇信號。由于8051單片機(jī)有4K的內(nèi)部程序存儲器，又外接了128Kx8的EEPROM存儲器，故該引腳必須接+5V高電平。/PSEN為外部程序存儲器讀選通控制信號。此電路中無擴(kuò)展程序存儲器。故該腳懸空。 串口通信接口設(shè)計(jì)采用MAX232實(shí)現(xiàn)TTL與RS-232的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信。

　　電源電路

　　當(dāng)指紋識別系統(tǒng)工作時，需要+5V電源，為了使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，在本設(shè)計(jì)中，將220v交流電源到+5V直流電的轉(zhuǎn)換電路和識別控制器集成在一塊電路板上，其中的電路原理圖：

　　當(dāng)220V通過變壓器后，得到10伏電源Vi，在電路的輸入端與公共地之間，加上經(jīng)整流后的不穩(wěn)定直流電壓Vi，在輸出端便能得到固定的輸出電壓。為了改善紋波特性，在輸入端外接電容，一般i C取值為0. 33uF，并緊接在穩(wěn)壓塊的 輸入端；在輸出端連接電容0 C，這樣可以改善輸出電壓的紋波特性，一般0 C選 為0. 1 uF 。

　　編輯點(diǎn)評：針對目前的指紋識別設(shè)別存儲量小、處理速率慢的現(xiàn)狀，采用高性能的51系統(tǒng)單片機(jī)作為處理核心，實(shí)際實(shí)現(xiàn)了一款高性能的網(wǎng)絡(luò)指紋采集識別終端。系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)處理服務(wù)器海量存儲及處理速度高，可實(shí)現(xiàn)快速復(fù)雜匹配算法的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采集蘇率高，識別性能好。總的來看，本文主要介紹了ARM光學(xué)指紋識別系統(tǒng)、MBF200固態(tài)指紋傳感器、FPS200固體指紋識別傳感器以及8051指紋識別系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，側(cè)重于電路路原理分析與過程詳解，以供讀者品讀。