基于ARMcortex-m3指紋識別系統(tǒng)

1、基于ARMcortex-m3指紋識別門鎖控制系統(tǒng)摘要指紋識別系統(tǒng)是基于生物特征識別技術的一項高科技安全設施，近年來在國內外得到了廣泛的應用，它可以提供高效、智能、便捷的授權控制，并已成為設備現(xiàn)代化與管理智能化的標志之一。由于指紋具有攜帶方便、人人各異、終生不變的特點，因此利用指紋識別作為身份認證的手段，與傳統(tǒng)的鑰匙、密碼相比，大大提高了安全性與可信性。本系統(tǒng)是基于Cortex-M3內核的STM32微控制器的指紋識別系統(tǒng)，主要用于對個人信息的采集與識別，并起到防盜作用。本設計采用高性能、低功耗的STM32F107VCT6主控制器和TFT彩色液晶顯示屏，另外還有語音模塊ARP9600完成語音采集、

2、提示報警功能以及DS1302時鐘模塊等。該設計穩(wěn)定性好，實用性強，并且性價比高，可廣泛應用于辦公樓，銀行，機場等各種公共場所與機構。關鍵詞：指紋識別 微控制器 報警目錄第一章 緒論1.1設計方案的提出隨著社會經(jīng)濟與科技的發(fā)展，人類對生活質量的要求也不斷地提高，一些老舊的設備與操作方式不可避免的被社會所淘汰。同時，在現(xiàn)代化快速發(fā)展的今天，信息的安全性與可靠性越來越重要。據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，每年由于證件或密碼遺失而造成的損失巨大。比如美國，由于證件的丟失或管理失誤，每年就有上億美元的福利款被冒領；全球知名的信用卡巨頭MasterCard公司估計每年約有4.5億美元的信用卡詐騙案。而因為密碼被破解，則使

3、移動通信每年至少損失10億美元，單單自動取款機即ATM業(yè)務，其相關的詐騙案每年損失就不下3億美元。這是因為，各種密碼被破解的概率越來越高，因為通常由于記憶的原因，46%的人會選用自己或親人的生日、家庭地址、電話號碼作密碼并長期使用，而這些很容易被一些不法分子獲取。    比爾·蓋茨曾做過這樣的斷言：生物識別技術，即利用人的生理特征，例如指紋、虹膜等來識別個人的身份，將成為未來幾年IT產(chǎn)業(yè)的重要革新。蓋茨這段言論的背后支撐是，越來越多的個人、消費者、公司乃至政府機關都承認，現(xiàn)有的基于智能卡、身份證號和密碼的身份識別系統(tǒng)是遠遠不夠的，生物特征識別技

4、術將在未來提供解決方案方面占據(jù)重要的地位。而隨著鎖具方式不斷地發(fā)展，從機械鎖到電子鎖，給人類的生活帶來了重大的改進。而如今，“生物識別技術”在全球范圍內的興起，正在推動此行業(yè)的又一次技術革新，即“指紋鎖”時代的到來。在這樣的市場背景下，我們設計了基于STM32微控制器的指紋識別系統(tǒng)。1.2課題研究的內容基于ARM Cortex-M3的指紋識別電子門鎖系統(tǒng)，主要是以ARM Cortex-M3處理器為核心，能實現(xiàn)以下功能：1、根據(jù)不同的場合，通過對進入人員指紋的采集與預先存儲于該系統(tǒng)的指紋信息進行對比、識別，來判斷是否準許該人員進入。2、設有管理員身份對該系統(tǒng)進行權限管理，可根據(jù)實際需要來對指紋信

5、息進行查看、修改、增加、刪除、開啟、關閉等操作，以做到對其進行人性化管理。3、良好的人機交互系統(tǒng)，完美的時鐘界面和紅外報警等功能皆由 32寸彩色TFT顯示模塊以及按鍵語音提示模塊所完成，便于用戶操作和管理。4、當該系統(tǒng)電量不足時，具有弱電提醒功能，提示您及時更換電池。1.3課題研究的意義基于ARMcortex-m3的指紋識別門鎖控制系統(tǒng)，用于對家庭，企業(yè)，學校，銀行，政府等人員進行智能化管理，在學校里可安裝于學生宿舍，實驗室，教學樓或其他重要場所的門口，保證了在無人的情況下，對室內重要設施進行監(jiān)控管理，保障了其安全性，防止他人盜取學校及個人的設備、信息，而且增強了學校的硬件條件。同時在本次課程

6、設計時，我們大量用到了所學的內容，從C語言到電子電路，從單片機到ARM，都有涉及。知識面廣，應用性強是本次設計的核心特點，在沒有任何實踐經(jīng)驗的情況下，我們通過自己的動手能力和鉆研精神將課本知識運用到實踐中來，雖然在設計上或者功能實現(xiàn)上存在不足，但對于在校園中的我們來說，最重要的是一種鍛煉，培養(yǎng)一種理論與實踐相結合的能力，希望能對將來步入社會奠定基礎，實現(xiàn)人生價值！第二章 方案的提出目前，ARM系列芯片的在國內的日益成熟及它的廣泛應用，本次硬件設計中，我們采用STM32作為控制器的核心，隸屬ARMcortex-m3系列，通過它來控制系統(tǒng)中的各個模塊，實現(xiàn)其功能。2.1系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)總體設計中，

7、我們采用如圖1.1所示，以ARMcortex-m3為主控芯片控制系統(tǒng)中各個模塊，在工作時各個模塊根據(jù)得到的信息發(fā)送給該處理器，通過單片機把得到的信息處理后反饋給各個模塊，并執(zhí)行。通過輸入指紋進行驗證身份信息，從而控制電子鎖開門。圖1.1 系統(tǒng)總體框圖2.2微控制器的選擇隨著單片機的發(fā)展，他的性能也在不斷地提高，人們越來越關注和追求成本低、性能高、功耗低的微控制器。新一代微控制器STM32是基于ARMcortex-m3系列的32位微控制器，與傳統(tǒng)的單片機相比，它的性能有明顯的提高。就拿它的位數(shù)來說，不管是51系列單片機還是AVR、PIC單片機，它都是8位的，而STM32微控制器位數(shù)則躍升至32位

8、，并且采用RISC結構，它的最高頻率可達72MHz，是PIC的兩倍，AVR的四倍多，51的幾十倍，可見它的速度及性能有多強。另外它的存儲量大，實時性好，價格便宜也是其超越其他微控制器的決定性因素，因此我們選擇STM32系列的STM32F107VCT6微控制器作為主芯片。本次設計采用的STM32F107VCT6微控制器，是STM32系列性能較強的一種芯片，它使用高性能的ARMcortex-m3的32位RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器（高達256K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM），豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。內置2個16通道ADC、4個16位通用定時器和1

9、個PWM定時器，并且包含標準的先進的通訊接口：1個I2C和2個SPI，3個USART和2個UART（3+2），OTGUSB和2個CAN。具備1個以太網(wǎng)接口和LQFP100/BGA100的封裝結構。它的管腳圖如圖2.2.1所示圖2.2.1 STM32F107VCT6微控制器管腳圖第三章 電路設計我們所設計的電路，通過STM32微控制器對各個模塊進行控制，下面我們對各個模塊逐一進行分析。3.1溫度檢測模塊3.1.1方案設計與論證溫度傳感器的種類眾多，在應用與高精度、高可靠性的場合時DALLAS（達拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器當仁不讓。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附

10、加功能強，使得DS18B20更受歡迎。對于我們普通的電子愛好者來說，DS18B20的優(yōu)勢更是我們學習單片機技術和開發(fā)溫度相關的小產(chǎn)品的不二選擇。因此在課題的設計中選取DS18B20。3.1.2 DS18B20簡介DS18B20的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。其特點： 全數(shù)字溫度轉換及輸出。 先進的單總線數(shù)據(jù)通信。 最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度。 12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。 可選擇寄生工作方式。 檢測溫度范圍為55°C +125°C (67°F +257&

11、#176;F) 內置EEPROM，限溫報警功能。 64位光刻ROM，內置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接。 多樣封裝形式，適應不同硬件系統(tǒng)。序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 DS18B20引腳功能表3.1.3 DS18B20電路在課題中的應用1、使用方法由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序

12、、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。2、DS18B20在硬件應用電路中的注意事項(1) 較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件補償，由于DS18B20與微控制器采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。(2) 對于在單總線上所掛DS18B20的數(shù)量問題，一般人們會誤認為可以掛任意多個DS18B20，而在實際應用中并非如此。若單總線上所掛DS18B20超過8個時

13、，則需要解決微處理器的總線驅動問題，因此，在進行蓄電池單體多點測溫系統(tǒng)設計時該問題要加以注意。(3) 在DS18B20測溫程序設計中，當向DS18B20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS18B20的返同信號。這樣，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，在程序讀該DS18B20時就沒有返回信號，從而使程序進入死循環(huán)。因此在進行DS18B20硬件連接和軟件設計時，應當給 系統(tǒng)抗干擾設計。3.1.4 DS18B20在課題中的硬件電路圖硬件電路圖如圖3.1.1圖3.1.1 DS18B20溫度模塊3.2語音模塊3.2.1方案設計與論證臺灣公司最新推出的APR9600語音錄放芯片，是繼美國IS

14、D公司以后采用模擬存儲技術的又一款音質好、噪音低、不怕斷電、可反復錄放的新型語音電路，單片電路可錄放32-60秒，串行控制時可分256段以上，并行控制時最大可分8段。與ISD同類芯片相比它具有：價格便宜，有多種手動控制方式，分段管理方便、多段控制時電路簡單、采樣速度及錄放音時間可調、每個單鍵均有開始停止循環(huán)多種功能等特點，同時保留了ISD2500芯片的一些特點，都是DIP28雙列直插塑料封裝，在管腳排列上也基本相同。 3.2.2 ARP9600簡介在APR9600芯片的內部，錄音時外部音頻信號通過話筒輸入和線路輸入方式進入，話筒可采用普通的駐極體話筒，在芯片內話筒放大器（Pre-Amp ）中自

15、帶自動增益調節(jié)（AGC），可由外接阻容件設定響應速度和增益范圍。如果信號幅度在100mV左右即可直接進入線路輸入端，音頻信號由內部濾波器、采樣電路處理后以模擬量方式存入專用快閃存儲器FLASHRAM中。由于FLASHRAM是非易失器件，斷電等因素不會使存儲的語音丟失。放音時芯片內讀邏輯電路從FLASHRAM中取出信號，經(jīng)過一個低通濾波器送到功率放大器中，然后直接推動外部的喇叭放音。廠家要求外接喇叭為16歐姆，實際試驗用8-16歐姆均可，一般音量下輸出功率12.2mW(16歐）。圖3.2.2為它的管腳排列圖如圖該語音芯片共28個引腳：16：六段控制，低電平有效； 7：OSCR 振蕩電阻89：七八

16、段控制及操作模式選擇 10：BUSY 忙信號輸出11：BE 鍵聲選擇 1213：數(shù)字及模擬電路電源地1415：外接喇叭正負端 16：模擬電路正電源17：MICIN 話筒輸入端 18：MICREF 話筒輸入基準端19：ACC 自動增益控制端 2021 ANA-IN/OUT 線路輸入端/輸出端22：STROBE 工作期間閃爍指示燈輸出端 23：CE 復位/停止鍵或啟動/停止鍵2425：模式設置端 26：EXDCLK 外接振蕩頻率端27：RE 錄放選擇端 28：VCCD 數(shù)字電路正電源 圖3.2.2 ARP9600引腳功能圖下圖為其實物圖 圖3.2.3 ARP9600實物圖3.2.3 ARP9600

17、的實際應用1、使用方法簡介APR9600的每種操作模式都有對應的有效鍵，而且同一個鍵在不同操作模式下可能有不同的功能。因此在芯片設計、使用前用戶應詳盡了解芯片的各種操作模式，選擇最合適自己的方式設計，電路也會變得非常簡單。2、工作模式 并行控制模式    在ISD芯片中要實現(xiàn)某鍵對某段的多段并行控制是十分復雜的，一般需要大量的二極管譯碼陣或單片機來輔助實現(xiàn)，另外在分段錄音時也存在很多困難。而在APR9300芯片中卻十分簡單，每段都有對應的鍵控制，按哪一鍵就錄、放哪一段，而且可以方便地對任意一段重新錄音不影響其它段、對任意一段循環(huán)放音等。只是每段錄音的最大

18、時間是等分的，而且最多只能分八段。 串行控制模式    串行控制方式用到的鍵要少得多，它僅需要一、二個鍵來控制所有的語音段錄放，而且段數(shù)可以足夠多，每段也沒有時間限制。只是在選段上沒有并行控制模式方便。將全功能應用電路板上撥碼開關的第2位開關向下?lián)?，?位開關向上撥，第4位開關向上撥，將撥碼開關的第1位置向上撥進入錄音模式，按住/M1即開始錄第一段，松鍵即停止。再按住/M1即錄第二段，如此一直分段錄音，直到芯片溢出。在放音時（/RE=1）有兩種狀態(tài)，/M8置1為串行順序控制方式，按一下/M1即放音第一段，再按一下即放第二段，如此順序逐段放音，到最后一段結

19、束時即停止放音，必須按一下CE鍵復位，然后再按/M1鍵就可以又從第一段放音。這種方式下的段不可選擇只能按錄音的順序播放，適合走馬燈、流程控制等電路使用；/M8置0為串行選段控制方式，按一下/M1只能放音第一段，再按還是放音第一段。這時的/M2有效成為快進選段鍵，每按一下/M2即向后移動一段，例如現(xiàn)在按了三下/M2，再按/M1就放音第四段。因此可以實現(xiàn)選段放音。按/CE鍵復位為第一段。APR9600芯片的其它幾種控制方式，用戶可根據(jù)需要自行實驗設計。    APR9600的電性能參數(shù)：電源電壓4.5-6.5V，靜態(tài)電流1uA ，工作電流25mA。其外接振蕩電阻與采樣率、語音頻帶、錄放時間的關系見下表，該電阻可以根據(jù)用戶需要的時間和音質效果無級調節(jié)。 振蕩電阻（7腳OSCR）采樣頻率錄放音頻帶錄放音時間44K4.2KHZ2.1KHZ60s38K6.4KHZ3.2KHZ40s24K8.0KHZ4.0KHZ32s 表3.2.3 ARP9600語音芯片采樣頻率、錄放時間、錄放音頻帶關系