《傳感器原理及應(yīng)用》課件1第12章

12.1指紋識(shí)別基礎(chǔ)知識(shí)12.2幾種指紋傳感器的結(jié)構(gòu)、功能及原理12.3指紋識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用思考題第12章指紋傳感器及識(shí)別系統(tǒng)

12.1指紋識(shí)別基礎(chǔ)知識(shí)

當(dāng)今社會(huì)對(duì)個(gè)人身份的自動(dòng)識(shí)別需求越來(lái)越迫切，各種各樣的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在諸多方法中，指紋識(shí)別技術(shù)以其獨(dú)特的防偽性、可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性和兼容性成為目前研究成熟、應(yīng)用廣泛的一種識(shí)別技術(shù)。

人的指紋由突起的脊和凹陷的谷組成，脊是一連串的突出的皮膚，谷卻是在兩個(gè)脊中間凹陷的部分。每個(gè)人擁有的脊和谷的樣式都不同，指紋識(shí)別技術(shù)通過(guò)分析指紋的脊、谷及終點(diǎn)、分叉點(diǎn)或分歧點(diǎn)等特征點(diǎn)可靠地確認(rèn)一個(gè)人的身份。從指紋中抽取的特征值可以非常的詳盡。

每個(gè)指紋都有可測(cè)量的特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)都有近十個(gè)特征，我們的十個(gè)手指產(chǎn)生成千上百個(gè)獨(dú)立可測(cè)量的特征，這足夠來(lái)確認(rèn)指紋識(shí)別是否是一個(gè)更加可靠的鑒別方式。12.1.1指紋結(jié)構(gòu)及識(shí)別的方法

指紋結(jié)構(gòu)包括核心點(diǎn)、三角點(diǎn)、紋數(shù)、式樣線、終結(jié)點(diǎn)等。

核心點(diǎn)(CorePoint)：位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，是讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)的參考點(diǎn)，如圖12-1所示。

三角點(diǎn)(Delta)：位于從核心點(diǎn)開(kāi)始的第一個(gè)分叉點(diǎn)或者斷點(diǎn)，或者是兩條紋路會(huì)聚處。三角點(diǎn)提供了指紋紋路的計(jì)數(shù)和跟蹤的起始位置，如圖12-2。圖12-1核心點(diǎn)圖12-2三角點(diǎn)紋數(shù)(RidgeCount)：模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。一般認(rèn)為連接核心點(diǎn)和三角點(diǎn)的這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即是指紋的紋數(shù)，如圖12-3所示。

式樣線(TypeLines)：是在包圍模式區(qū)的紋路線開(kāi)始平行的地方所出現(xiàn)的交叉紋路。式樣線通常很短，但它的外側(cè)線會(huì)連續(xù)延伸，如圖12-4所示。圖12-3紋數(shù)圖12-4式樣線圖12-5分別畫(huà)出了紋路的幾種類(lèi)型。其中：A為終結(jié)點(diǎn)(Ending)，表示一條紋路在此終結(jié)；B為分叉點(diǎn)(Bifurcation)，表示一條紋路在此分開(kāi)成為兩條或更多的紋路；C為分歧點(diǎn)(RidgeDivergence)，表示兩條平行的紋路在此分開(kāi)；D為孤立點(diǎn)(DotorIsland)，表示一條特別短的紋路，以至于可以看作是一點(diǎn)；E為環(huán)點(diǎn)(Enclosure)，表示一條紋路分開(kāi)成為兩條之后，立即又合并成為一條；F為短紋(ShortRidge)，表示一條較短但不能看做是一點(diǎn)的紋路。圖12-5紋路類(lèi)型12.1.2指紋獲取方法及比較

指紋識(shí)別技術(shù)主要涉及四個(gè)功能：讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對(duì)。

在一開(kāi)始，通過(guò)指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像之后，要對(duì)原始圖像進(jìn)行初步的處理，使之更清晰。獲得優(yōu)質(zhì)的脊和細(xì)節(jié)圖像是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。指紋的表面積相對(duì)較小，日常生活中手指的磨損在指紋的脊圖像中表現(xiàn)得最為明顯。最先進(jìn)的指紋錄入和拾取方法也在研發(fā)的過(guò)程中，目的都是為了獲得足夠的指紋細(xì)節(jié)并使指紋圖像達(dá)到較高的分辨率。當(dāng)今所使用指紋錄入技術(shù)有光學(xué)取像、晶體傳感器硅芯片錄入和超聲波錄入技術(shù)。光學(xué)取像設(shè)備有最悠久的歷史，可以追溯到20世紀(jì)70年代。光學(xué)取像設(shè)備依據(jù)的是光的全反射原理(FTIR)。光線照到壓有指紋的玻璃表面，反射光線由CCD去獲得，反射光的量依賴(lài)于壓在玻璃表面指紋的脊和谷的深度和皮膚與玻璃間的油脂和水分。光線經(jīng)玻璃射到谷的地方后，在玻璃與空氣的界面發(fā)生了全反射，光線被反射到CCD，但射向脊的光線不發(fā)生全反射，而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，這樣就在CCD上形成了指紋的圖像。光學(xué)錄入設(shè)備有著許多優(yōu)勢(shì)：它經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，能承受一定程度的溫度變化，成本相對(duì)較低。由于光學(xué)設(shè)備的革新，極大地降低了設(shè)備的體積。20世紀(jì)90年代中期，傳感器可以裝在6×3×6英寸的盒子里，在不久的將來(lái)更小的設(shè)備是3×1×1英寸。這些進(jìn)展取決于多種光學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不是FTIR的發(fā)展。我們可以利用纖維光束來(lái)獲取指紋圖像。纖維光束垂直射到指紋的表面，它照亮指紋并探測(cè)反射光；另一個(gè)方案是把含有一微型三棱鏡矩陣的表面安裝在彈性的平面上，當(dāng)手指壓在此表面上時(shí)，由于脊和谷的壓力不同而改變了微型三棱鏡的表面，這些變化通過(guò)三棱鏡的光反射而反映出來(lái)。晶體傳感器出現(xiàn)的較晚，這些含有微型晶體的平面通過(guò)多種技術(shù)來(lái)繪制指紋圖像。最常見(jiàn)的硅電容傳感器在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100000個(gè)電容傳感器，其外面是絕緣的表面，當(dāng)用戶(hù)的手指放在上面時(shí)，皮膚組成了電容陣列的另一面。電容傳感器根據(jù)指紋的脊和谷與半導(dǎo)體電容感應(yīng)顆粒形成的電容值大小不同，來(lái)判斷什么位置是脊什么位置是谷。其工作過(guò)程是通過(guò)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)上的電容感應(yīng)顆粒預(yù)先充電到某一參考電壓。當(dāng)手指接觸到半導(dǎo)體電容的絕緣表面上時(shí)，因?yàn)榧故峭蛊鸬亩仁前枷?，根?jù)電容值與距離的關(guān)系，所以會(huì)在脊和谷

的地方形成不同的電容值，然后利用放電電流進(jìn)行放電。因?yàn)榧购凸葘?duì)應(yīng)的電容值不同，所以其放電的速度也不同。脊下的像素(電容量高)放電較慢，而處于谷下的像素(電容量低)放電較快。根據(jù)放電率的不同，可以探測(cè)到脊和谷的位置，從而形成指紋圖像數(shù)據(jù)。

另一種晶體傳感器是壓感式的，其表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料，它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號(hào)。屬于晶體傳感器的還有溫度感應(yīng)傳感器，它通過(guò)感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像。晶體傳感器技術(shù)最大的弱點(diǎn)在于，它們?nèi)菀资艿届o電的影響，這使得晶體傳感器有時(shí)會(huì)取不到圖像，甚至?xí)粨p壞，另外，它們并不像玻璃一樣耐磨損，從而影響了使用壽命。超聲波掃描被認(rèn)為是指紋取像技術(shù)中最好的一類(lèi)，很像光學(xué)掃描的激光掃描。超聲波首先掃描指紋的表面，緊接著接收設(shè)備獲取了其反射信號(hào)，測(cè)量它的范圍，得到脊的深度。超聲波掃描不像光學(xué)掃描，它積累在皮膚上的臟物和油脂對(duì)超音波獲得的圖像影響不大，所以這樣的圖像是實(shí)際脊地形(凹凸)的真實(shí)反映，應(yīng)用起來(lái)更為方便。

總之，各種技術(shù)都具有它們各自的優(yōu)勢(shì)，也有各自的缺點(diǎn)。表12-1為不同芯片指紋采集設(shè)備的比較。指紋提取特征其實(shí)是比較復(fù)雜的，指紋辨識(shí)軟件建立指紋的數(shù)字特征數(shù)據(jù)，是一種單方向的轉(zhuǎn)換，可以從指紋轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)但不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為指紋，而兩枚不同的指紋不會(huì)產(chǎn)生相同的特征數(shù)據(jù)。指紋識(shí)別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖像上找到并比對(duì)指紋的特征。我們定義了指紋的兩類(lèi)特征來(lái)進(jìn)行指紋的驗(yàn)證：總體特征和局部特征。

總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征，包括指紋結(jié)構(gòu)、基本紋路圖案。依靠圖案類(lèi)型來(lái)分辨指紋只是一個(gè)粗略的分類(lèi)。模式區(qū)(PatternArea)是指指紋上包括了總體特征的區(qū)域，即從模式區(qū)就能夠分辨出指紋是屬于哪一種類(lèi)型的。通過(guò)分類(lèi)使得在大型數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋指紋更為方便。局部特征是指指紋上的節(jié)點(diǎn)。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特征，但它們的局部特征節(jié)點(diǎn)卻不可能完全相同。節(jié)點(diǎn)(MinutiaPoints)指紋紋路并不是連續(xù)的、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或打折。這些斷點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱(chēng)為“節(jié)點(diǎn)”，正是這些節(jié)點(diǎn)提供了指紋唯一性的確認(rèn)信息。指紋上的節(jié)點(diǎn)有不同特性，最典型的是終結(jié)點(diǎn)和分叉點(diǎn)。軟件從指紋上找到被稱(chēng)為“節(jié)點(diǎn)”的數(shù)據(jù)點(diǎn)，也就是那些指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置，這些點(diǎn)同時(shí)具有七種以上的唯一性特征。因?yàn)橥ǔＪ种干掀骄哂?0個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以這種方法會(huì)產(chǎn)生大約490個(gè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通常稱(chēng)為模板，保存為1kB大小的記錄。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)模糊比較的方法，把兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，計(jì)算出它們的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果。12.1.3系統(tǒng)問(wèn)題

有效的指紋辨識(shí)系統(tǒng)不僅僅依賴(lài)于辨識(shí)算法，還有其他的一些重要因素，這里稱(chēng)之為“系統(tǒng)問(wèn)題”。系統(tǒng)問(wèn)題包括注冊(cè)和辨識(shí)過(guò)程、速度、用戶(hù)信息的反饋、反欺騙和安全考慮。為

了得到較好的識(shí)別率，重要的一步是在注冊(cè)時(shí)盡量獲得最好的指紋圖像，這是因?yàn)樽?cè)一般只進(jìn)行一次，而以后的辨識(shí)是經(jīng)常的。一個(gè)較好的指紋識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)要求用戶(hù)在注冊(cè)時(shí)多次提供

指紋，然后，把最好的指紋或每次獲得指紋的綜合結(jié)果作為注冊(cè)的指紋。系統(tǒng)的速度是很重要的。比如刷卡或輸入ID號(hào)的過(guò)程，在0.5~1.5s間被認(rèn)為是可接受的時(shí)間；另外，拒判的重復(fù)次數(shù)不應(yīng)超過(guò)3次。正確的反饋信息非常有用，如“手指放得太高”，“手指按得不夠重”等，提示用戶(hù)手指怎樣放置可獲得高質(zhì)量的指紋圖像。

在指紋識(shí)別系統(tǒng)中，反欺騙的措施用來(lái)阻止人造指紋、死指紋和殘留指紋。殘留指紋是由于皮膚油或其他原因殘留在傳感器上。傳感器應(yīng)建立反欺騙對(duì)策，使得其有能力識(shí)別真實(shí)的皮膚溫度、阻力或電容。指紋識(shí)別系統(tǒng)是為安全而考慮的，節(jié)點(diǎn)模板數(shù)據(jù)庫(kù)必須是安全的，確保主機(jī)接收的識(shí)別結(jié)果是來(lái)自真正的合法用戶(hù)，以防止一個(gè)冒名頂替的人將自己的指紋存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)而成為合法的用戶(hù)。對(duì)于自動(dòng)化程度較高的指紋自動(dòng)識(shí)別鑒定系統(tǒng)AFIS

(AutomaticFingerprintIdentificationSystem)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)必須對(duì)輸入的指紋圖像進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)指紋的分類(lèi)、定位，提取指紋形狀和細(xì)節(jié)特征，然后才根據(jù)所提取的特征進(jìn)行指紋的比對(duì)和識(shí)別。在一個(gè)完整的指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)中，解決好系統(tǒng)問(wèn)題有助于成功地建立有效的系統(tǒng)，否則可能會(huì)使高明的技術(shù)被束之高閣，甚至導(dǎo)致應(yīng)用系統(tǒng)最后的失敗。12.2幾種指紋傳感器的結(jié)構(gòu)、功能及原理

12.2.1指紋傳感器FCD4B14

1.概述

FCD4B14是Atmel生產(chǎn)的FingerChipTM系列指紋傳感器芯片中的一種，它以CMOS工藝制造，不需要棱鏡、光源等光學(xué)部分。FCD4B14是一個(gè)基于溫度物理效應(yīng)的單片、高性能、低價(jià)格的指紋傳感器芯片。為了捕捉到指紋，該芯片允許手指滑行越過(guò)敏感區(qū)域。當(dāng)捕捉到幾個(gè)指紋圖像后，Atmel公司提供的軟件可以將這些圖像重新構(gòu)成完整的8bit指紋圖像。芯片每秒可獲取交付的指紋圖像是可編程的。

A/D轉(zhuǎn)換器提供的數(shù)字信號(hào)適合于EPP并行端口、USB微控制器接口，還可以直接與微處理器接口，能夠很容易地在不同識(shí)別系統(tǒng)中應(yīng)用。

FCD4B14特征如下：

具有8×280=2240像素，像素尺寸為50μm×50μm(500dpi)；像素時(shí)鐘高達(dá)2MHz，1780幀/s。

工作電壓為3~5.5V；功耗為20mW；20腳DIP陶瓷或COB(ChiponBoard)封裝；耐磨損，可進(jìn)行1×106次以上滑動(dòng)操作；ESD靜電防護(hù)大于16kV；工作溫度范圍為0~+70℃。

FCD4B14可廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：手機(jī)通路、訪問(wèn)、入門(mén)控制、數(shù)據(jù)保護(hù)；附加在筆記本計(jì)算機(jī)、PC上的入門(mén)控制、數(shù)據(jù)保護(hù)、電子商務(wù)；PIN碼交換；ATM、POS機(jī)指紋識(shí)別；建筑物出入口控制；汽車(chē)、家庭等電子鎖等。

2.引腳功能

FCD4B14有20腳DIP陶瓷或COB兩種封裝形式，如圖12-6和圖12-7所示。引腳功能如表12-2所示。圖12-6

DIP封裝形式圖12-7

COB封裝形式

3.內(nèi)部結(jié)構(gòu)

FCD4B14的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12-8所示。從圖12-8可見(jiàn)，芯片內(nèi)部電路分為傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換兩個(gè)主要部分。在傳感數(shù)組中，當(dāng)280行中的某一行被選中時(shí)，被選擇行的每一個(gè)像素的電信號(hào)傳送到放大器(一次一列)放大。在有兩列(奇數(shù)列和偶數(shù)列)被同時(shí)選中時(shí)，兩個(gè)特定的像素信息被傳送到兩個(gè)4位A/D轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)像素就可在同一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)間內(nèi)被讀出。圖12-8

FCD4B14的內(nèi)部結(jié)構(gòu)每一個(gè)像素本身就是一個(gè)傳感器。傳感器可檢測(cè)從啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集到讀取信息之間的溫度變化。整個(gè)時(shí)間從像素復(fù)位到預(yù)定的初始狀態(tài)開(kāi)始(這是一個(gè)時(shí)間的積分過(guò)程)。速度取決于焦熱電層(pyroelectriclayer)的靈敏度。在復(fù)位到積分時(shí)間結(jié)束之間的溫度變化和在積分時(shí)間的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，像素上的電荷被產(chǎn)生。

A/D轉(zhuǎn)換器將像素的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以被微處理器使用的數(shù)字信號(hào)，重構(gòu)8位的指紋圖像。并行端口和USB接口的數(shù)據(jù)傳輸率為1MB/s，重構(gòu)指紋圖像最低需要500幀/s的速率。

兩個(gè)4位ADC輸出兩個(gè)像素的內(nèi)容，一次一個(gè)字節(jié)。4.芯片應(yīng)用

1)啟動(dòng)時(shí)序

FCD4B14的啟動(dòng)時(shí)序如圖12-9所示，它由以下步驟組成：

(1)設(shè)置RST為高；

(2)設(shè)置RST為低；

(3)發(fā)送4個(gè)時(shí)鐘脈沖；

(4)發(fā)送1124個(gè)時(shí)鐘脈沖讀第一幀。圖12-9啟動(dòng)時(shí)序應(yīng)當(dāng)注意的是，第一幀不包含有關(guān)的數(shù)據(jù)，在采集每一幀數(shù)據(jù)之間復(fù)位不是必需的。

讀一幀數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖12-10所示。讀取幀數(shù)據(jù)時(shí)，一幀包括280個(gè)真實(shí)的行和一個(gè)虛擬的行，每行8個(gè)像素。由于一次輸出兩個(gè)像素，因此系統(tǒng)必須發(fā)送281×4=1124個(gè)時(shí)鐘才能讀完一幀。當(dāng)讀幀數(shù)據(jù)時(shí)，RST必須為低電平。

讀一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖上升沿輸出。在啟動(dòng)時(shí)序之后，對(duì)于每個(gè)時(shí)鐘脈沖，引腳Do0~3和De0~3上都將輸出新的字節(jié)。字節(jié)內(nèi)容包含兩個(gè)像素：在Do0~3上的4位為奇像素；在De0~3上的4位為偶像素。圖12-10讀一幀數(shù)據(jù)的時(shí)序輸出數(shù)據(jù)時(shí)，輸出使能OE引腳必須為低電平。當(dāng)輸出使能OE引腳為高電平時(shí)，Do0~3和De0~3都處于高阻狀態(tài)。輸出使能OE引腳可與微處理器直接連接，不需要附加電路。應(yīng)注意的是：FCD4B14芯片只能發(fā)送數(shù)據(jù)，不支持讀/寫(xiě)模式。

從引腳AVE和AVO也可得到模擬信號(hào)。應(yīng)注意的是：視頻信號(hào)輸出比相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出早一個(gè)時(shí)鐘(因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換有一個(gè)時(shí)鐘的延遲)。

2)像素次序

對(duì)于每一行的8個(gè)像素，1、3、5、7由Do0~3輸出；2、4、6、8由De0~3輸出。最高位為3，最低位為0。

3)虛擬行

附加在傳感器的虛擬行作為一個(gè)特殊的模式用于檢測(cè)第一個(gè)像素。所以每一幀需要讀出280個(gè)真實(shí)的行和一個(gè)虛擬的行數(shù)據(jù)。虛擬行有4個(gè)字節(jié)，最初的兩個(gè)字節(jié)具有固定的模式，后兩個(gè)字節(jié)包含溫度信息，如表12-3所示。虛擬行第三個(gè)字節(jié)DB3和第四個(gè)字節(jié)DB4包含傳感器的溫度信息。DB3的偶數(shù)半位元組nnnn被用來(lái)表示芯片溫度的增加或減少，即用來(lái)表示同一個(gè)器件兩次測(cè)量之間的溫度差異。代碼1111~0001表示絕對(duì)溫標(biāo)11.2~-11.2(每個(gè)代碼差1.4絕對(duì)溫標(biāo))，0000表示小于絕對(duì)溫標(biāo)-16.8。

在手指與傳感器之間的溫度差很低的時(shí)候，圖像對(duì)比度也低。通常使用溫度穩(wěn)定電路去增加手指與傳感器之間的溫度差代碼，最少增加1.4絕對(duì)溫標(biāo)，以獲得足夠的對(duì)比度，來(lái)保證指紋的正確識(shí)別。

4)時(shí)間積分和時(shí)鐘抖動(dòng)(變化)

FCD4B14對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)(變化)不很敏感。最重要的要求是規(guī)則的積分時(shí)間，以保證幀讀取速率的穩(wěn)定，從而獲得一致的指紋圖像片段。如果積分時(shí)間是不規(guī)則的，則各個(gè)幀的對(duì)比度將會(huì)發(fā)生變化。

在每一串1124個(gè)時(shí)鐘之間可以設(shè)置等待時(shí)間，但每一幀總的讀取時(shí)間要保持是規(guī)則的。

5)電源管理

FCD4B14具有睡眠模式，可減少電源消耗。如圖12-11所示。用以下方法可啟動(dòng)睡眠模式：

(1)設(shè)置RST端為高，使器件內(nèi)部的模擬部分為低功耗狀態(tài)；

(2)設(shè)置時(shí)鐘PCLK端為高(或低)，關(guān)閉整個(gè)數(shù)字部分；

(3)設(shè)置TPE端為低或斷開(kāi)TPP端，關(guān)閉溫度穩(wěn)定電路；

(4)設(shè)置OE端為高，迫使輸出端為高阻狀態(tài)。

在睡眠模式下，芯片內(nèi)部的所有的晶體管為關(guān)閉模式，僅有漏電流流過(guò)。圖12-11睡眠模式控制

6)靜態(tài)電流消耗

當(dāng)設(shè)置時(shí)鐘為1和復(fù)位為0時(shí)，如果芯片的輸出被連接到標(biāo)準(zhǔn)的CMOS輸入，則模擬部分將消耗一些電流，而數(shù)字部分不消耗電流。此時(shí)電流消耗為5mA(電源電壓為3~5.5V)。

7)動(dòng)態(tài)電流消耗

當(dāng)時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)，數(shù)字部分也消耗電流。如果連接到USB芯片，運(yùn)行速度為1MHz，F(xiàn)CD4B14在VCC端的電流消耗小于

7mA。

8)溫度穩(wěn)定電路的電源消耗

當(dāng)TPP端設(shè)置為1時(shí)，電流經(jīng)TPP端流入。這個(gè)電流被內(nèi)部的等效電阻和可能存在的外部電阻限制。在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，TPP端為0，電流不流入TPP端。當(dāng)圖像對(duì)比度很低時(shí)(當(dāng)在手指與傳感器之間的溫度差低于一個(gè)絕對(duì)溫標(biāo)時(shí))，TPP端設(shè)置為1，電流經(jīng)TPP端流入，在芯片中消耗功率，溫度被提升，使圖像獲得足夠的對(duì)比度，來(lái)保證指紋的正確識(shí)別。增加一個(gè)絕對(duì)溫標(biāo)的芯片溫度所必需的時(shí)間取決于消耗功率，以及在傳感器和環(huán)境之間硅傳感器和熱敏電阻的熱容量。一般在芯片中消耗功率300mW，提升一個(gè)絕對(duì)溫標(biāo)的溫度需要1s。12.2.2指紋傳感器FPS200

FPS200是Veridicom公司推出的第三代半導(dǎo)體指紋傳感器。它是在吸收了已廣泛應(yīng)用的FPS110系列傳感器優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，全新推出的新一代指紋傳感器。FPS200在性能、尺寸、

集成度等指標(biāo)上建立了一套新的標(biāo)準(zhǔn)，是Veridicom半導(dǎo)體指紋傳感器家族中重要的新成員。圖12-12所示為FPS200半導(dǎo)體指紋識(shí)別儀。圖12-12

FPS200半導(dǎo)體指紋識(shí)別儀

FPS200芯片內(nèi)直接提供以下三種接口電路：

(1)USB。FPS200已內(nèi)置了高速USB的核電路，不需要外部的USB控制器，因此使FPS200成為標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備。FPS200在USB模式下可支持13幀/秒的指紋圖像采集傳輸速度。

(2)微處理器總線(MCU)。通過(guò)增加自動(dòng)遞增列和地址寄存器的值以及模數(shù)轉(zhuǎn)換的路徑優(yōu)化功能，F(xiàn)PS200內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)8位微處理器總線的性能大大加強(qiáng)，圖像傳輸速度達(dá)到30幀/秒，可以滿(mǎn)足對(duì)連續(xù)指紋圖像采集和比對(duì)的需要。

(3)串行外設(shè)接口(SPI)。FPS200內(nèi)置的SPI接口可極大地減小FPS200對(duì)硬件的依賴(lài)，只需要6條線就可以連接到帶SPI接口的微處理器。在SPI模式下，F(xiàn)PS200的圖像傳輸速度為10幀/秒。

FPS200具有以下特性：

(1)高分辨率。256×300陣列；1.28cm×1.50cm傳感面積；500dpi分辨率。

(2)高速圖像傳輸速度。30幀/秒(MCU模式)；13幀/秒(USB模式)；10幀/秒(SPI模式)。

(3)堅(jiān)固耐用的表面工藝。

(4)異常堅(jiān)固的表面涂層。

(5)ESD容忍度>12kV。

(6)方便集成。

(7)電容感應(yīng)固態(tài)傳感器。

(8)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。

(9)USB、MCU、SPI三個(gè)總線。

(10)低供耗。

工作模式：35mA;

待命模式：20μA。

(11)專(zhuān)為便攜設(shè)備設(shè)計(jì)的更小的封裝。

FPS200的圖像搜索技術(shù)(ImageSeekTM)即使在手指過(guò)干或過(guò)濕時(shí)仍能獲得高精度的識(shí)別。其內(nèi)置的USB核、MCU模式和SPI通信模式，降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。高強(qiáng)度的表面保護(hù)可以有效防止敲擊、磨損、化學(xué)腐蝕等對(duì)芯片的損壞。手指自動(dòng)檢測(cè)(AFD)功能可以喚醒CPU，節(jié)約電能的消耗。內(nèi)置8位A/D轉(zhuǎn)換電路，最高可節(jié)約75%的電源消耗。

FPS200封裝為只有1.4mm厚的塑料外殼，非常適用于各種Internet設(shè)備、便攜設(shè)備和手機(jī)等。12.2.3指紋傳感器AT77C101B/4B

Atmel公司推出了用于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的彩色指紋傳感器AT77C101B和AT77C104B。AT77C101B是并行輸出傳感器，而AT77C104B則是SPI輸出傳感器。這些新功能傳感器基于Atmel傳統(tǒng)和已驗(yàn)證的單色傳感器，采用全壓縮型堅(jiān)固耐用的封裝，用于移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)品中。

AT77C104B線性指紋傳感器通過(guò)掃描傳感區(qū)的手指捕捉指紋圖像。傳感器區(qū)域?yàn)?.4mm×11.6mm，圖像陣列為8×232=1856像素，像素間距為50×50μm，分辨率為500dpi。

片內(nèi)有8位ADC，有兩種串行外設(shè)接口(SPI)，其傳輸速度分別為快模式下16Mb/s，慢模式下200kb/s。芯片尺寸為

1.5mm×15mm，工作電壓為2.3~3.6V。圖像采集時(shí)的功耗為6mA，工作溫度為20~70℃，指紋掃描速度為2~20cm/s。AT77C104B具有高度防靜電保護(hù)，硬保護(hù)涂層能掃描多達(dá)

400萬(wàn)多次。AT77C104B可用在PDA、蜂窩手機(jī)和智能手機(jī)的私人和機(jī)密數(shù)據(jù)存取的用戶(hù)識(shí)別以及手提指紋采集系統(tǒng)中。12.2.4微型指紋傳感器

富士通于2002年2月27日宣布開(kāi)發(fā)出面積為12.8mm×1.6mm(長(zhǎng)×寬)的微型指紋傳感器“MBF300”(見(jiàn)圖12-13)。由于此前的指紋傳感器一般通過(guò)將手指按在傳感器上來(lái)檢測(cè)指紋，因此傳感器一般要比指紋大一些。但MBF300通過(guò)采用在傳感器表面滑動(dòng)手指檢測(cè)指紋的“掃描型”方式，成功地開(kāi)發(fā)出了呈長(zhǎng)方形的微型傳感器。而且，耗電量也控制到了10mA以下。該產(chǎn)品體積小、省電，廣泛推廣在便攜終端中的嵌入運(yùn)用。圖12-13

MBF300

MBF的指紋檢測(cè)通過(guò)“靜電容量方式”進(jìn)行：將手指放置在并列電極傳感器的表面，通過(guò)計(jì)算手指表面與電極之間的靜電容量來(lái)檢測(cè)指紋。雖然法國(guó)Atmel公司此前已開(kāi)發(fā)出了通過(guò)使用溫度傳感器檢測(cè)指紋的“熱感方式”掃描型指紋傳感器，但在靜電容量方式傳感器方面，MBF300尚屬世界首創(chuàng)。

檢測(cè)出的指紋將通過(guò)軟件的處理篩選出指紋的特點(diǎn)，并根據(jù)其位置關(guān)系來(lái)認(rèn)證個(gè)人身份。此傳感器的分辨率為500dpi。

12.3指紋識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用

12.3.1社保指紋認(rèn)證管理系統(tǒng)

社保指紋認(rèn)證管理系統(tǒng)由指紋識(shí)別系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、信息管理系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)依據(jù)人體指紋生物特征的唯一性，通過(guò)光學(xué)取像設(shè)備采集指紋圖像，由計(jì)算機(jī)處理后轉(zhuǎn)化成代表指紋生物特征的數(shù)據(jù)，通過(guò)比較指紋特征數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證。使用指紋認(rèn)證技術(shù)比對(duì)存檔指紋和待驗(yàn)指紋是否相同，可確定待驗(yàn)人員和存檔人員是否為同一個(gè)人。在社保應(yīng)用中，比對(duì)成

功意味著投保人存活，比對(duì)不成功有可能是冒名頂替或投保人已經(jīng)死亡。指紋認(rèn)證系統(tǒng)可以完全杜絕惡意領(lǐng)取養(yǎng)老金的現(xiàn)象發(fā)生，保證了社保資金的安全使用。社保指紋認(rèn)證管理系統(tǒng)采用了指紋核心識(shí)別技術(shù)，具有識(shí)別精度高、比對(duì)速度快、硬件可靠耐用、系統(tǒng)穩(wěn)定、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，它提供了紙面比對(duì)的輔助功能，使指紋整體可識(shí)別

率、指紋管理面達(dá)到99%以上，同時(shí)為異地生活的投保人員實(shí)現(xiàn)了指紋管理。統(tǒng)計(jì)管理軟件可以方便地進(jìn)行比對(duì)記錄的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)，迅速查找、統(tǒng)計(jì)出有可能已經(jīng)死亡人員的名單供進(jìn)一步調(diào)查。

系統(tǒng)功能模塊主要有：指紋存檔錄入、投保人信息管理、指紋比對(duì)、信息導(dǎo)入、比對(duì)記錄管理統(tǒng)計(jì)、打印報(bào)表、掃描紙面錄入、掃描紙面比對(duì)。圖12-14所示為系統(tǒng)功能圖。圖12-14系統(tǒng)功能圖在中心城市或地區(qū)、全省社保局的大范圍應(yīng)用中，該系統(tǒng)可提供遠(yuǎn)程通信功能，采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)圖如圖12-15所示。圖12-15網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能圖12.3.2指紋門(mén)禁機(jī)

鑒于目前普通門(mén)禁、門(mén)鎖已經(jīng)很難滿(mǎn)足銀行、公安、公司財(cái)務(wù)室等安全系數(shù)要求較高部門(mén)的要求，使用具有唯一性的指紋生物識(shí)別系統(tǒng)作為門(mén)鎖、門(mén)禁，成了大家的共識(shí)和社會(huì)發(fā)

展的趨勢(shì)。指紋門(mén)禁機(jī)即是應(yīng)此需求而設(shè)計(jì)的一款具有很高性?xún)r(jià)比、安全、方便、實(shí)用的指紋門(mén)禁系統(tǒng)。圖12-16所示為HF-FPM100A/B型的指紋門(mén)禁機(jī)。圖12-16

HF-FPM100A/B型指紋門(mén)禁機(jī)

1.安全

安全性體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

人類(lèi)60億人口300年才可能出現(xiàn)一枚重復(fù)指紋的高度唯一性；

在指紋驗(yàn)證的同時(shí)又可以支持密碼驗(yàn)證，雙重的安全措施可保萬(wàn)無(wú)一失；

內(nèi)建防撬報(bào)警開(kāi)關(guān)，當(dāng)設(shè)備遭非法破壞或侵入時(shí)，可自動(dòng)報(bào)警；

采用高分子聚碳酸脂材料鏡片，具有極高的強(qiáng)度和耐久力，較強(qiáng)的抗沖擊力；

當(dāng)使用者遭非法脅持或遇到緊急突發(fā)事件時(shí)，使用第三指功能可啟動(dòng)報(bào)警或通過(guò)其他設(shè)定信號(hào)尋求援助。

2.方便

超大的液晶顯示窗，支持中文簡(jiǎn)體、中文繁體、英文等多種語(yǔ)言，菜單式界面提示，使用者即使不看說(shuō)明書(shū)也能輕松上手；無(wú)需帶一大串的鑰匙、記一大串的密碼，只需手指輕輕一按，即可開(kāi)門(mén)。

3.實(shí)用

有兩種不同的安裝使用方式供用戶(hù)選擇：一體式(方便、易安裝)或分體式(加門(mén)內(nèi)控制器，使用更安全保險(xiǎn))；

支持300個(gè)用戶(hù)(900枚指紋)，可擴(kuò)充；

配備6個(gè)I/O端口，方便功能擴(kuò)充，如出口按鈕、門(mén)觸點(diǎn)、紅外線探測(cè)器、報(bào)警器等；

RS232、RS485和RJ45(TCP/IP)的通信端口可連接到計(jì)算機(jī)控制中心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程配置管理；

可上傳開(kāi)門(mén)及管理記錄，方便使用者查詢(xún)及管理。

4.規(guī)格

通訊方式：TCP/IP，RS232、RS485；

驗(yàn)證方式：指紋，指紋+按鍵；

用戶(hù)容量：300人(900枚指紋)；可再增加；

提示方式：超大中文液晶顯示(128×64)，LED顯示，語(yǔ)音提示；

顯示語(yǔ)言：中文簡(jiǎn)體、繁體和英文三種；

存儲(chǔ)記錄：6000條；

指紋模塊：光學(xué)式(CMOS)；

比對(duì)時(shí)間：小于1s；

分辨率：500dpi；功耗：1000mA；

采集面積：13mm×13mm；

誤識(shí)率(FAR)： ＜1/100000；

拒真率(FRR)： ＜1/100；

使用溫度：-20~55℃；

外型尺寸：室外機(jī)：127mm×164mm×58mm；室內(nèi)機(jī)：115mm×108mm×34mm(分體式)。

5.特性

指紋識(shí)別方式，使用更安全、方便、快捷；

高分子聚碳酸脂材料鏡片，具有極好的高強(qiáng)度和耐久力；

特有的指紋儀防護(hù)蓋設(shè)計(jì)，防塵、方便、省電；

外觀設(shè)計(jì)精美、小巧；

液晶屏幕顯示、語(yǔ)音提示，操作簡(jiǎn)單；

(1∶1)(1∶N)比對(duì)模式切換，有效縮短比對(duì)時(shí)間，使比對(duì)過(guò)程更快速；

TCP/IP(網(wǎng)絡(luò)線接口)、RS232、RS485多種通信方式；

內(nèi)建防撬報(bào)警功能，防止設(shè)備遭非法破壞或侵入；

當(dāng)使用者遭非法脅持時(shí)，使用第三指功能可啟動(dòng)報(bào)警或其他設(shè)定功能；

具有記錄存儲(chǔ)功能，方便使用者事后對(duì)進(jìn)出人員進(jìn)行查詢(xún)及管理；

6.示意圖

(1)接線示意圖如圖12-17所示。

(2)聯(lián)網(wǎng)示意圖(局域網(wǎng))如圖12-18所示。圖12-17接線示意圖圖12-18聯(lián)網(wǎng)示意圖12.3.3感應(yīng)考勤機(jī)

如圖12-19所示為HF-800型感應(yīng)考勤機(jī)。

(1)HF-800型技術(shù)參數(shù)如下：

記錄存儲(chǔ)容量：240000條記錄；(1000人×31天×8記錄/天)

斷電工作時(shí)間：12h以上；

讀寫(xiě)卡時(shí)間：小于0.3s；

讀寫(xiě)卡距離：15~25cm；

通信方式：RS232/RS485；

通信距離：RS485方式1200m(聯(lián)網(wǎng))，RS232方式15m(單機(jī))；圖12-19

HF-800型感應(yīng)考勤機(jī)電源：220V；

功率：小于1W；

環(huán)境溫度：-10~50℃；

環(huán)境濕度：小于90%RH；

體積：175mm×130mm×30mm；

適用卡片：ID卡。

(2)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境：

Windows98/XP/2000；

128M或更多內(nèi)存(RAM)；

PentiumⅢ600或更好的CPU；

至少一個(gè)9針串口；

CD-ROM驅(qū)動(dòng)器(CDROM安裝時(shí)需要)。

(3)產(chǎn)品特點(diǎn)：

可脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立使用；

超大存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)考勤記錄可達(dá)24萬(wàn)條；

后備電源停電情況下可工作12小時(shí)以上；

自動(dòng)識(shí)別接口方式(RS485或RS232)，無(wú)需人工設(shè)置；

內(nèi)部時(shí)鐘自帶備用電源，在外部停止供電情況下仍可工作10年。

(4)軟件特點(diǎn)：

①采用Microsoft大型數(shù)據(jù)庫(kù)SQLServer2000，使數(shù)據(jù)處理更加穩(wěn)定；

②多用戶(hù)權(quán)限設(shè)置。

③具有考勤功能：

排班方式靈活，可實(shí)現(xiàn)正常班、倒班、輪班多種方式；

可根據(jù)各個(gè)不同班次設(shè)定班次規(guī)則，實(shí)現(xiàn)如5分鐘內(nèi)打卡計(jì)“正常”，10分鐘內(nèi)打卡計(jì)“遲到”，30分鐘內(nèi)打卡計(jì)“曠工”等功能；

統(tǒng)計(jì)報(bào)表可準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出員工當(dāng)月的遲到、早退、曠工、加班等相關(guān)數(shù)據(jù)。④人事功能：

能夠按公司的組織結(jié)構(gòu)設(shè)定多級(jí)部門(mén)及下屬部門(mén)；

人事檔案包含內(nèi)容非常全面，基本的有“姓名”、“性別”、“編號(hào)”、“職位”、“畢業(yè)院?！薄ⅰ皩W(xué)歷”、“專(zhuān)業(yè)”、“入司日期”、“轉(zhuǎn)正日期”、“獎(jiǎng)懲記錄”、“培訓(xùn)記錄”、“學(xué)習(xí)簡(jiǎn)歷”、“工作簡(jiǎn)歷”等。⑤薪資功能：(相當(dāng)于小型財(cái)務(wù)軟件)

可計(jì)算考勤相關(guān)工資，如遲到、早退、曠工、加班等工資；

可按“姓名”、“性別”、“編號(hào)”、“職位”、“畢業(yè)院?！?、“學(xué)歷”、“專(zhuān)業(yè)”、“入司日期”等人事信息計(jì)算出員工應(yīng)得工資。

⑥支持聯(lián)網(wǎng)功能：

聯(lián)網(wǎng)方式一，如圖12-20(a)所示：可實(shí)現(xiàn)通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器將所有考勤機(jī)數(shù)據(jù)匯總到計(jì)算機(jī)的功能。圖12-20聯(lián)網(wǎng)示意圖聯(lián)網(wǎng)方式二，如圖12-20(b)所示，在服務(wù)器端裝上SQL2000數(shù)據(jù)庫(kù)，其他終端裝考勤軟件即可，可實(shí)現(xiàn)將所有終端讀入的數(shù)據(jù)匯總到服務(wù)器上進(jìn)行處理的功能。終端機(jī)也可通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)查詢(xún)結(jié)果。

聯(lián)網(wǎng)方式三，如圖12-20(c)所示，可實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)所有用戶(hù)都可根據(jù)不同權(quán)限查詢(xún)服務(wù)器上的考勤結(jié)果的功能。

以上三種聯(lián)網(wǎng)方式均可將感應(yīng)考勤機(jī)與脫機(jī)指紋考勤機(jī)混合使用。12.3.4指紋查詢(xún)一體機(jī)