使用SPCE061A的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了以凌陽(yáng)SPCE061A為核心的一種新型指紋識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性強(qiáng)，操作方便，可廣泛應(yīng)用于需要指紋識(shí)別的各種場(chǎng)合。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，以及指紋采樣算法，最后介紹了軟件設(shè)計(jì)方法及流程圖。
1 引言

指紋是指手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋路。盡管指紋只是人體皮膚的一小部分，但是，它蘊(yùn)涵大量的信息。這些皮膚的紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上是各不相同的，在信息處理中將它們稱作“特征”，依靠特征的唯一性，就可以把用戶同他的指紋對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)比較輸入的指紋特征和預(yù)先保存的合法指紋特征，就可以驗(yàn)證用戶的真實(shí)身份。

以前的各種指紋識(shí)別系統(tǒng)屬于光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，由于光不能穿透皮膚表層，所以只能夠掃描手指皮膚的表面，或者掃描到死性皮膚層，但不能深入真皮層。在這種情況下，手指表面的干凈程度，直接影響到識(shí)別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會(huì)出現(xiàn)識(shí)別出錯(cuò)的情況。并且，如果人們按照手指，做一個(gè)指紋手模，也可能通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)于用戶而言，使用起來(lái)不是很安全和穩(wěn)定。

本系統(tǒng)采用了凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)作為控制核心，SPCE061A不僅僅是具有單片機(jī)的控制功能，它還是一款運(yùn)算能力很強(qiáng)的DSP芯片；對(duì)于指紋的采集，本系統(tǒng)采用了富士通公司的新型指紋傳感器MBF300，這種電容傳感器發(fā)出的電子信號(hào)可以穿過(guò)手指的表面和死性皮膚層，達(dá)到手指皮膚的真皮層，直接讀取指紋圖案，從而大大提高了該系統(tǒng)的安全性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SPCE061A的指紋識(shí)別系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 指紋識(shí)別系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機(jī)，它是將控制功能、數(shù)據(jù)處理功能以及數(shù)字信號(hào)處理（DSP）功能集于一身的一種新型單片機(jī)。它的CPU采用凌陽(yáng)最新推出的16位微處理芯片，工作頻率可達(dá)到40MHz。它的指令系統(tǒng)提供了16位乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，可以對(duì)指紋模板進(jìn)行高速的DSP處理。它的內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各個(gè)功能部件之間的連線，提高了可靠性和抗干擾能力。它的結(jié)構(gòu)采用模塊化，易于系統(tǒng)的擴(kuò)展。它的中斷處理能力較強(qiáng)，適用于各種實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域。它的地址線達(dá)到22根，可以擴(kuò)展4M空間的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，適合指紋識(shí)別系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器容量較大的要求。它的低功耗和低電壓工作模式也使它特別適合于電池供電的指紋識(shí)別系統(tǒng)。

MBF300是富士通開(kāi)發(fā)出的一種微型指紋傳感器，系統(tǒng)利用MBF300將采樣指紋模板輸入到單片機(jī)中進(jìn)行比較分析。它是利用手指在傳感器表面滑動(dòng)進(jìn)行指紋的采樣，所以被稱為掃描型傳感器。

鍵盤(pán)和LCD都是I/O設(shè)備。鍵盤(pán)可以讓用戶修改信息和輸入ID號(hào)，增強(qiáng)該系統(tǒng)的安全性；LCD采用CHIPS65545，用于顯示界面信息,為防電磁干擾和信號(hào)衰減，LCD連接線必須作一些特殊處理。

3 MBF300傳感器的基本原理及特點(diǎn)

電容式傳感器可以將物體、圖形、文字等具有二維的圖象轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。MBF300屬于電容式傳感器。它由一個(gè)2維金屬電極陣列構(gòu)成。一端為固定極板，而人的手指皮膚則作為活動(dòng)極板。當(dāng)手指置于感應(yīng)器上時(shí)，一個(gè)微細(xì)的信號(hào)從驅(qū)動(dòng)環(huán)耦合到手指真皮表層上，并隨著指紋的紋脊和紋谷的變化而變化。感應(yīng)器偵測(cè)這種細(xì)微變化，對(duì)感應(yīng)信號(hào)放大，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，從而最終形成精確的指紋圖象。

3．1 MBF300傳感器的基本原理

MBF300電容式傳感器的基本原理如圖2所示。

圖2 MBF300傳感器的基本原理圖

S是固定極板，H為活動(dòng)極板，即用戶的手指指紋。當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起移動(dòng)時(shí)，兩極板間的距離d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量。設(shè)兩極板相互覆蓋的有效面積為A(M²)，兩極板間的距離為d（M），板極間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε(F·m^-1)，在忽略板極邊緣影響的條件下，其靜態(tài)電容量C（F）為：

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