指纹识别系统电路图集锦

　　随着电子信息技术应用面日益拓展，不少场合需要对特定用户群体进行身份识别或身份记录，如门禁系统、考勤系统、安全认证系统等，在各种系统中运用的技术形式多样，如视网膜识别、面相识别、指纹识别、RFID射频识别应用等。其中，生物特征识别方式以其方便性强、安全性高等特点得到了越来越多人的认可和接受，特别是指纹识别技术方式，现已发展成为应用最广泛的生物识别技术之一。因此，研究基于嵌入式架构的指纹识别系统具有现实意义和广阔的应用前景。

　　ARM光学指纹识别系统

　　系统采用光学指纹传感器（内建格科微电子有限公司的光学GC0307 CMOS 图像采集芯片）与ARM Cortex M3 内核意法半导体公司的32 位高性能单片机STM32F205RE 组成功能主体，采用Sobel 边缘检测算子、Gabor 滤波、图像二值化等图像采集与处理算法对指纹图像进行识别，构建了小体积的嵌入式指纹识别模块，具有积木式嵌入、微功耗、程序接口简单易用、便于二次开发、识别准确度高、高性价比等特点。整个系统设计构成了一体化光学指纹识别模块。模块设计采用光学暗背景成像原理，加入特有活体检测芯片，在解决干手指效应的同时解决残留指纹误识别、橡胶假指纹等问题。

　　图1 所示为格科微电子有限公司的光学GC0307 CMOS 图像采集芯片应用电路原理图。该款CMOS 图像采集芯片是高精度、低功耗、微体积的高性能相机的内置式组件，它把实现优质VGA 影像的CMOS 影像传感器与高度集成的影像处理器、嵌入式电源和高质量的透镜组结合在一起，输出JPEG 图像或图像视频流，支持8/10 位数字传输JPEG 图像和YCbCr 接口，提供了完整的影像解决方案。

　　CMOS 图像采集芯功能输出串行数据引脚、时钟信号引脚、复位引脚、串行总线引脚等都接入到STM32F205RE的GPIO 口， 通过GPIO 口模拟时序读取CMOS 芯片采集到的图像信息。由于STM32F205RE 的GPIO 口工作频率可达120 MHz，因而可以非常准确高效地模拟时序，实测640&TImes;480 的原始图像能以10 帧/s 的速度采集到主处理器STM32F205RE 中进行图像处理。

　　采用ARM处理器作为控制核心，构建指纹识别算法的嵌入式系统的设计方法及过程。该系统采用光学指纹传感器（内建格科微电子有限公司的光学GC0307CMOS图像采集芯片）与ARM Cortex M3内核的意法半导体公司32位高性能单片机STM32F205RE组成功能主体，采用Sobel边缘检测算子、Gabor滤波、图像二值化等图像采集与处理算法对指纹图像进行识别。经过反复实践证明，该方案适合嵌入式组件开发中需要进行生物指纹特征提取、识别，指纹身份认证、比对等场合。系统具有高性价比且交互简易、识别率高、扩展性强，便于嵌入式应用。

　　MBF200固态指纹传感器

　　MBF200是富士通公司推出的一款先进的固态指纹传感器，它除可自动检测指纹外，还带有多种接口模式，为电容性传感器，其电容性传感器阵列由二维金属电极组成，所有金属电极充当一个电容板，接触的手指充当第2个电容板，器件表面的钝化层作为两板的绝缘层。当手指触摸传感器表面时，指纹的高低不平就会在传感器阵列上产生变化的电容，从而引起二维阵列上电压的变化，并形成指纹传感图像。采用标准C13MS技术的电容性固态器件，具有500 dpi的分辨率，传感器面积为1.28 cmxl.50 cm.具有自动指纹检测能力，内含8位模数转换器，可提供3种总线接口形式。5 V工作电压下的功耗小于70 mW. 1.2以太网接口电路设计AT91SAM7X256内部集成有MAC控制器，可支持MII接口和RMII接口。RTL820lBL则是工业级带有MII接口的10/100 Mb/s低功耗以太网收发器，25 MHz时钟输出，智能降功耗模式，可为系统提供稳定可靠的优质网络解决方案，为工厂企业及其他恶劣的操作环境架设可支持实时传输的以太网，符合IEEE 802.3u的技术标准。以太网接口电路原理图如图2所示。

　　图2以太网接口电路原理图

　　运用单片机指纹识别系统电路模块设计

　　利用指纹识别传感器进行指纹采集与识别，在单片机中对指纹进行处理，用按键标志当前指纹识别的状态，录入状态，识别状态，清除状态，用液晶1602能够显示当前指纹识别的状态信息;用继电器对当前信息进行判断，例如提醒当前指纹识别错误;利用蜂鸣器和LED等提醒当前指纹识别是否正确。

　　该系统首先由数字摄像头ov6620采集指纹，并将指纹图像转化为数字图像;然后用16位的飞思卡尔X128单片机对指纹数字图像进行预处理，再通过图像增强、分割、平滑、细化等处理过程得到便于指纹特征提取的数字图像：接着提取细化后的图像细节特征点; 然后将指纹信息数据送入STC89C52单片机中，一块液晶1602与STC89C52单片机相连，液晶用于显示当前指纹采集系统的工作状态和经对比后指纹采集的信息是否正确，用一个蜂鸣器和LED指示灯指示当前采集的指纹信息正确。当采集到的指纹信息正确，蜂鸣器发出响声并且LED指示灯点亮。

　　FPS200固体指纹识别传感器设计

　　现有的光学传感器的体积都较大，成像结果要经过变换才可以使用。该采集系统采用Veridicom公司的FPS200固体指纹识别传感器设计而成。 FPs200是一种性能优越，功耗低，价格便宜的指纹识别传感器。由于其特殊的EDS保护，特别窄小的物理尺寸，以及独特的省电特性，使传感器尤其适合嵌入式系统使用。主要原理是，在指纹图像感知区域集成了二维金属电极阵列，每根电极充当电容一极，在传感器表面，二极之间有一层钝化层作为电容的介电层。由于指纹的脊和谷与传感器接触时会产生不同的电容值，测量这些不同的数值即形成图像。

　　与同类产品相比，FPS200的性能特点如下：

　　（1）支持多接口模式。FPS200有3种接口模式，8位的系统总线接口，集成全速的USB接口和集成的串行外设接口，使芯片的应用设计更加灵活。芯片集成USB控制器，大大减少了USB电路设计的工作量，同时USB接口协议支持更高的传输速率；（2）自动指纹检测功能。FPS200可自动检测手指是否放在传感器上，如果有，则进入工作状态；否则，进入睡眠状态。此设计不需轮询检测指纹，提高了芯片的丁作效率；（3）FPS200内部包括一个新的二阶的A／D转换器，功耗低（75％）；FPS200传感器单元间距变小，提高了传感器阵列的机械强度。

　　系统采用USB接口模式，设计中请注意：①FPS200的工作电压是3.3~3．6 V，而USB的供电电压是5 V，所以要用电压转换芯片实施电压转换；②FPS200通过MODEl和MODEO 2个引脚来实现接口模式的选择。在USB接口模式下，将微处理器接口模式和SPI予以屏蔽。此时MODE［1：0］=l0b，采用FPS200内部 ROM；其他部分引脚CS0，CSl，MOSI，MOSO被屏蔽，引脚悬空；XTAL1与XTAL2之间接12MHz晶体电路；FPS200内部的多频振荡器不工作。图2给出FPS200传感器和系统的连接电路。

　　系统微处理器模块采用ARM2440开发系统，该系统采用Samsung公司的ARM处理器S3C2440，由6层板设计。该开发系统在尽可能小的面板上 （120mmx90mm）集成64MBSDRAM，64MB NAND Flash，lMB B00T Flash，RJ一45 网卡，音频输入和输出，USB Host，USB Slave，标准串口，SD卡插座等设备接口，支持LCD／STN液品屏接口，可以接各种单色，伪彩，真彩液晶屏，并含有触摸屏接口。通过预留的USB口可实时地将数据导入U盘或者PC机硬盘中。现在的SD卡成本低，容量大，所以存储模块采用SD卡进行图像存储。液晶显示模块采用Samsung公司的3．5寸TFT（带触摸），通过液晶屏的触摸功能或USB鼠标，可以方便的对测试系统进行窗口化操作。

　　指纹识别系统电路

　　工作原理：当指纹传感器收到指纹信息，将通过串口给单片机发送命令，单片机同意并接收相应的信息，指纹传感器采集的指纹转换成RGB格式，并且数据传输到单片机，单片机通过存储在EEPROM中的固化程序执行大量的模式识别和图像处理相关计算，当用户的指纹被确认，单片机将命令执行机构动作，开关开。硬件特性：80C51单片机是在8051的基础上发展起来的，8051单片机与80C51单片机从外形看是完全一样的，其指令系统、引脚信号、总线等完全一致（完全兼容），主要差别就在于芯片的制造工艺上。80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进。 8051系列单片机采用的是HMOS工艺：高速度、高密度； 80C51系列单片机采用的是CHMOS工艺：高速度、高密度、低功耗；

　　采用8051作为指纹识别系统的核心处理器，使用单片机内部的4K程序存储器，接+5V电源。 复位电路则采用简单RC复位电路，同时又可与一些需要复位的外围电路相连，达到复位与单片机同步。 /EA/Vpp为访问内部或外部程序存储器的选择信号。由于8051单片机有4K的内部程序存储器，又外接了128Kx8的EEPROM存储器，故该引脚必须接+5V高电平。/PSEN为外部程序存储器读选通控制信号。此电路中无扩展程序存储器。故该脚悬空。 串口通信接口设计采用MAX232实现TTL与RS-232的转换，实现与计算机通信。

　　电源电路

　　当指纹识别系统工作时，需要+5V电源，为了使整个系统结构紧凑，在本设计中，将220v交流电源到+5V直流电的转换电路和识别控制器集成在一块电路板上，其中的电路原理图：

　　当220V通过变压器后，得到10伏电源Vi，在电路的输入端与公共地之间，加上经整流后的不稳定直流电压Vi，在输出端便能得到固定的输出电压。为了改善纹波特性，在输入端外接电容，一般i C取值为0. 33uF，并紧接在稳压块的 输入端；在输出端连接电容0 C，这样可以改善输出电压的纹波特性，一般0 C选 为0. 1 uF 。

　　编辑点评：针对目前的指纹识别设别存储量小、处理速率慢的现状，采用高性能的51系统单片机作为处理核心，实际实现了一款高性能的网络指纹采集识别终端。系统利用数据处理服务器海量存储及处理速度高，可实现快速复杂匹配算法的优点，系统采集苏率高，识别性能好。总的来看，本文主要介绍了ARM光学指纹识别系统、MBF200固态指纹传感器、FPS200固体指纹识别传感器以及8051指纹识别系统电路设计，侧重于电路路原理分析与过程详解，以供读者品读。

　　本系统中DSP采用的是TI公司的TMS320VC5402（以下简称5402），其操作速率达100MIPS，由于其具有改进的哈佛结构，所以它可以在一个指令周期内完成32x32bit的乘法，亦可以迅速完成数学运算最常用的乘加运算。它有4条地址总线、3条16位数据存储器总线和1条程序存储器总线，40位算术逻辑单元（AIU），一个17&TImes;17乘法器和一个40位专用加法器。8个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用最先进的定点DSP的C语言编译器，内置可编程等待状态发生器、锁相环（PLL）时钟产生器、两个多通道缓冲串行口、一个8位并行与外部处理器通信的HPI口、2个16位定时器以及6通道DMA控制器，特别适合电池供电设备．

　　AD转换电路设计

　　本设计中选用的AD转换芯片是TI公司的TLC320AD50C（＄25.0250）。该芯片的采样采用ΣΔ技术，即将一个抽样滤波器放置于ADC后，将一个差值滤波器放置在DAC前。这种结构的最大特点就是使系统可同时进行接收、发送任务。TLC320AD50C可实现高采样率（最高可达 22.5kb/s）的AD/DA转换，该功能由2个16位的同步串行转换通道实现，可直接和DSP连接进行通信。TLC320AD50C中的可选项和电路配置可以通过串行口进行编程，该芯片对掉电、复位、信号采样率、串行时钟率、增益控制、通信协议、测试模式等可通过串行口进行编程和电路配置。具体连接如图3：

　　片外复位电路提供上电复位，晶振电路可提供10MHz的主时钟频率，数据采样频率和其他时钟信号均由此频率分配。5402与AD50C之间的通信格式为主串行通信格式：接收和发送转换信号。存储采集到声音信号后，一个很重要的环节就是声音信号的存储，本系统中我们采用的是SST公司的FLASH存储器：SST39VF400A（＄0.8875）。该器件存储容量为4MB，采用3.3V单电源供电，对各个子模块的读写和擦除，可通过一些特殊的命令字序列来实现且无需额外提供高电压。在此设计中我们利用DSP编程实现对该存储器的读写操作。DSP主要通过外部存储器接口（EMIF）访问片外存储器。它不仅具有很强的接口能力（可以和各种存储器直接接口），而且具有很高的数据吞吐能力。5402与SST39VF400（＄0.8875）的接口电路设计如图 1所示。该电路主要通过DSP的相关输出管脚来控制FLASH的擦除和读写。其中，A0～A19为地址线，DQ0～DQ15为数据线，OE和WE分别为输出使能和写使能，CE1为片使能。

　　声音信号经过AD转换器以后传输给DSP，由DSP的PS和DS引脚通过逻辑开关来分别控制flash和sram的使能端，由DSP的 R\W和MSTRB控制位通过逻辑电路分别控制读和写。在本设计中，SRAM使用的是GS1117：64K&TImes;16的1MB异步静态随机存储器。 GS71116是一个由高速的互补性金属氧化物半导体晶体管（CMOS）组成的静态随机存储器，不需要外部时钟或时间频闪观测器。3.3V的操作电压，所有的输入输出均兼容晶体管逻辑电路（TTL）。它的快速通道时间小于15ns，操作电流小于100mA。

　　USB接口电路设计

　　PDIUSBD12是一款带并行总线的USB接口器件，它符合通用串行总线USB1.1版规范，集成了SIE、FIFO、存储器收发器以及电压调整器等，可与任何外部微控制器或微处理器实现高速并行接口2M字节/秒，且在批量模式和同步模式下均可实现1M字节/秒的数据传输速率，可通过软件控制与USB的连接，采用GoodLink技术的连接指示器，在通讯时使LED闪烁，具有可编程的时钟频率输出，内部上电复位和低电压复位电路，为双电源操作，在3.3±0.3V或扩展的5V电源下均可使用，可实现多中断模式的批量和同步传输。连接图如图4：

　　JTAG接口

　　JTAG是jointtestactiongroup的简称，是用来调试DSP的仿真部分，其连接部分要和仿真器上的引脚一致。TI公司的 DSP5000系列专门预留有JTAG管脚，共14个，4，8，10，12引脚均接地，6引脚悬空，5接高平电压3.3V，所有的仿真引脚均使用 IEEE1149.1标准，其余的引脚含义为：1、TMS：输入引脚，选择测试方式；2、TRST：输入引脚，测试复位；3、TDI：输入引脚，测试数据输入；7、TDO：输出引脚，在TCK的下降沿时输出数据，其余时间呈高阻态；9、TCK_RET：输入引脚，在板子与仿真器的连接电缆不小于6英寸的时候，接法与TCK相同，大于6英寸的时候，需另加驱动；11、TCK：输入引脚，测试时钟，一般为占空比为50%的固有时钟信号；13、EMU0：仿真中断引脚0，可用作输入或输出；14、EMU1：仿真中断引脚1，可用作输入或输出，当TRST为低电平、EMU0为高电平时，EMU1为低电平，所有输出禁止。