飞机场安检系统

目 录

第一章 前言 ................................................ - 1 -

1.1 背景 ............................................... - 1 - 1.2 设计内容 ........................................... - 1 -

1.2.1 金属检测部分 .................................. - 1 - 1.2.2 身份识别 ...................................... - 1 -

第二章 金属检测 ............................................ - 3 -

2.1 金属检测机概述 ..................................... - 3 - 2.2 金属探测器工作原理 ................................. - 4 -

2.2.1 传感器原理 .................................... - 4 - 2.2.2 基本检测电路及其原理 .......................... - 5 - 2.3 金属探测器的系统构成 ............................... - 8 - 第三章 旅客身份认证 ....................................... - 11 -

3.1 身份识别技术概述 .................................. - 11 - 3.2 非接触式IC卡技术 ................................. - 12 -

3.2.1 IC卡技术简介 ................................ - 12 - 3.2.2 Mifare 1 S70 卡 .............................. - 16 - 3.3 一体化指纹IC卡设备的设计方法 ..................... - 19 - 第四章 系统硬件设计 ....................................... - 23 -

4.1 LPC2210ARM微处理器 ................................ - 24 -

4.1.1 LPC2210ARM微处理器简介 ...................... - 24 - 4.1.2 LPC2210ARM微处理器内部结构概述 .............. - 25 - 4.2 系统电源 .......................................... - 26 - 4.3 系统复位 .......................................... - 29 - 4.4 天线电路设计 ...................................... - 30 - 4.5 FLASH模块 ......................................... - 32 - 4.6 串行通信模块 ...................................... - 33 - 4.7 调试端口（JTAG）模块 .............................. - 36 - 第五章 系统软件设计 ....................................... - 37 -

5.1 金属探测模块软件设计 .............................. - 37 - 5.2 指纹识别模块软件设计 .............................. - 38 - 5.3 非接触式IC卡读卡器主程序设计 ..................... - 40 - 5.4 指纹识别模块接口程序设计 .......................... - 44 - 5.5 LCD接口程序设计 ................................... - 47 - 第六章 结束语 ............................................. - 51 - 参考资料 ................................................... - 52 - 致谢 ....................................................... - 53 -

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第一章 前言

1.1 背景

最近几年国内外民航的安全管理水平上了一个很大的台阶。但随着美国911 恐怖事件的发生，国际恐怖活动日益活跃，尤其对国内外民航的安全保障机制形成了新的挑战。在这种大环境下，如何加强对民航旅客安全检查和监控的重要性日益突出。为此国内外民航企业纷纷采取各种措施以更好地应接挑战。机场作为民航旅客出入的唯一门户，近年来对其安全保障亦随之愈加重视。除加强各种管理手段之外更陆续开始加强机场安全检查系统，将旅客在地面登上飞行器之前的所有安全相关信息采集整理存储起来，以便在事中及时发现制止各类安全隐患。

遍历911事件之后的国内外各大机场，包括美国肯尼迪机场、英国希思罗机场、德国法兰克福机场、新加坡机场等国外大型机场，我国广州白云机场、北京首都机场等都已建成初具规模的机场安全检查系统。

1.2 设计内容

本设计拟实现一个简易的飞机场安检系统，能够实现飞机场安检系统的主要功能，对旅客行李中是否带有金属物品进行检测及对旅客身份的认证。整个系统由两部分组成，一部分完成金属物品的检测，另一部分实现对旅客身份的识别和认证。

1.2.1 金属检测部分

设计一个简易的金属检测机，采用单片机控制，能够对行李中的金属物品进行检测和报警。

1.2.2 身份识别

设计一个身份识别装置，采用指纹识别和密码识别相结合的方式，将指

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纹信息和个人ID（身份证号码）存入射频式IC卡中，对旅客进行检测时先采集到旅客的指纹信息，然后通过读卡器读出旅客卡中的指纹信息，将两者进行比对，相同则通过，不同则报警。

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第二章 金属检测

2.1 金属检测机概述

全球第一台金属探测器诞生于1960年，最初的金属探测器主要应用于工矿企业，其为检查矿产纯度和提高效益的得力帮手。随后于1970年，随着社会的不断发展，金属探测器被引入一个新的应用领域—安全检查，其广泛运用于民航、公安、缉私和边防等领域，也就是今天我们所使用的金属探测器的雏形，它的出现意味着人类对安全的认知已步入了一个新的时代。在70年代，随着航空业迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空及机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中金属探测门扮演着排查违禁物品的重要角色。

金属检测机的具体产品类型包括检针机、安检门、各型金属检测机等，虽然名称各异，但均基于电磁感应原理工作，我们可以将其统称为金属检测机。在食品加工业、化工医药业、纺织服装业、木材加工业、机场或其它安检场所等金属检测机均有着广泛而重要的应用：在食品加工业，原材料与成品均需通过金属检测机的严格检验；在纺织服装业，成衣必须通过金属检测机的严格检验，此时金属检测机通常以检针机的形式出现；在木材加工业，通过金属检测机检验后的原木材料可有效减少加工锯齿的损坏及防止工伤事故的产生：在机场、重要会议等安检场所，旅客、与会人员等通常要求接受相应的安全检查，此时金属检测机则以安检门的形式出现。

金属检测机作为一种广泛应用于食品加工业、纺织服装业、木材加工业、机场或其它安检场所的机电设备，其性能指标主要体现在检测精度和操控性两个方面，其中操控性决定于检测机的控制系统实现。金属检测机通常提供一定数量与精度的电磁感应探头，各探头并行排列形成检测通道。其基本的工作原理与过程可简要描述如下：被检测物品在传送带的输送下以一定的速度通过检测区域(各检测通道)，当被测物不含有金属时正常通过，当电磁感应探头探测到金属(通常为断针等)存在时，检测机即通过一定的方式(声光报警、停机等)提示工作人员。

生产规模的不断扩大对金属检测机自动化水平与管理维护效率提出了

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更高的要求。当前金属检测机控制系统除实现基本的监控功能外，对工作人员的操控方式、工作参数的调整与设置、故障与工况的记录与查询、检测精度的设定、检测结果的定位、网络监控等功能也有了更多的需求。

2.2 金属探测器工作原理

2.2.1 传感器原理

金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。根据电磁感应原理，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，将发生如下现象和效应：

(1)线圈介质条件的变化：当金属物接近通电线圈时，将使通电线圈周围的磁场发生变化，对于半径为R的单匝圆形电感线圈，当其中人通过交变电流I?Imcos?t时，线圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥—萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一点的磁感应强度B为:

B??dBx??dBsin???2?R0?IR?IR2dl? 234?rr2r23/2??IR22?x?R223/2???0?rR2Im2?x?R2?cos?t （2-1）

其中，???0?r，?为介质的磁导率，?r为相对磁导率，?0为真空磁导率。 对于紧密缠绕N匝的线圈，线圈中心轴线上一点的磁感应强度则为：

B?N?0?rR2Im2?x?R223/2?cos?t (2-2)

由公式(2-2)可知，当线圈有效探测范围内无金属物时，?r?1 (非金属的相对磁导率)，线圈中心磁感应强度B保持不变，当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属物时，?r会变大，B随?r也会变大。

(2)涡流效应：根据电磁理论，我们知道，当金属物体被置于变化的磁场中时，金属导体内就会产生自行闭合的感应电流，这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。据此，将

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一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流属靠近线圈时，金属产生的涡流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率?越大，交变电流的频率越大，则涡电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。

通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化，还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。对于非铁磁性的金属[包括抗磁体(如：金、银、铜、铅、锌等)和顺磁体(如锰、铬、钦等)] ?r?1，?较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应可忽略不计；对于铁磁性金属(如：铁、钻、镍) ?r很大，?也较大，可认为是既导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。

正是基于这样的理论，可以寻找一种适合的传感器来感应线圈的磁场变化，并把磁场信号的变化转变成电信号的变化，从而实现单片机的控制。正是本着这样一个设计思路来构建系统的硬件电路。

2.2.2 基本检测电路及其原理

目前，国内感应式金属探测器根据基木原理和检测线路的不同，大致可分为差拍式、自激感应式。而在国外的探测设备中采用更多的是平衡式，而且平衡式的结构更稳定可靠，性能更佳，能更好的结合现有的先进的控制技术。

(1) 差拍式检测电路

探 测 线 圈探测振荡器f1输混 频 器放 大 器滤 波 器 出探测振荡器f2图2-1 差拍式检测框图

检测电路如图2-1所示，其中它包括了两个振荡器频率，经过混频器对

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频率进行处理后，得到(f1?f2)和(f2?f1)，再经过高频滤波器滤波得到需要的差频信号，经放大器放大直接送给输出电路。

探测振荡器的振荡频率f1: f1?12?LC

从上式看出，当振荡电路的参数确定以后，振荡频率f1与电感量L和不变的电容C有关，电感量的增减与被测物体的性质和大小有关。当被探测物体是铁磁性材料时，由于导磁率高，使探测线圈的总电感量增加，变成L??L1当被检测物体是非磁性材料的金属，由于金属物体的涡流损耗，使探测线圈的电感量减少，变成L??L2,通常?L1??L2，它们的大小取决于被探测物体的性质和形状。参考振荡器的振荡频率f2略大于f1，f1与f2在混频器中混频，可得到两种频率，即(f1?f2)和(f2?f1)。再通过滤波器选取需要的差频信号(后者)送入放大器，经放大后输出，推动灯光显示或者报警。

(2) 自激感应式检测电路

自激振荡式金属探测器多数采用LC振荡器作为金属物体的探测电路，工厂或矿山应用较多。其检测电路框图如图2-2所示。

震 荡检 波报 警线 圈微 分放 大输 出显 示控 制

探测线圈安装在输送矿石或其它物料的传送带，作为振荡器振荡回路的电感。由于在冶金矿山中应用较多，所以要求此振荡器对磁性矿石的影响有一定的抑制作用，对于弱磁性的锰钢件具有一定的探测灵敏度。振荡器在正

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图2-2自激振荡式框图广西大学本科毕业设计 飞机场安检系统

常情况下输出等幅的交流电压，检波后为不变的直流电压，因而输出微分信号为零。当金属物体经过线圈时，振荡器的振幅降低后又恢复，检波后的直流电压产生一个降低的波动，经微分电路微分后，将有脉冲信号输出。此脉冲信号经放大器放大后，推动继电器动作，输出接点信号控制金属物体取出装置，并进行显示或报警。

(3) 平衡式检测电路

图2-3所示为本次设计中我们所采用的检测电路。从图中可以清晰地了解平衡式金属探测器的基本原理。根据电磁场理论，发射线圈产生的交变磁场在两个差动连接的接收线圈中分别产生一个同频、反相、等幅的感应电动势，两者相消即形成接收平衡。当含有金属杂质的物品通过传感器时，线圈周围的磁场由于物品的进入发生变化，在接收线圈处检测出这个磁场变化引起的电压差，通过滤波电路滤除高频于扰信号，放大所需的低频电压信号，送给相应的显示、报警电路信号引起动作。平衡式探测器的另一个特点在于它的传感器部分比其他形式的传感器多采用了一个平衡补偿线圈。根据以往的设计经验可知，电子元件有一定的使用寿命和工作范围，当工作环境复杂时，很容易受到外界的干扰，不能按正常特性工作。当传感器的接收信号山于外界干扰产生较大变化时，检波信号必然要受到影响。根据自动控制理论中的闭环负反馈控制原理，要保证输出信号受外界干扰减小的话，需要增加 对自身输入信号的补偿，所以需增加一个补偿线圈。

振 荡 电 路滤 波 电 路功率放大电路发 射线 圈平衡调节电路传 感 器 部 分显 示滤波、放大电路报 警检 波 电 路接 收 线 圈图2-3 平衡式检测电路框图

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通过以上的分析可知，平衡式检测电路工作特性更稳定，并能有效的去除外界带来的电磁干扰或由于震动、冲撞引起的磁场变化带来的干扰。

2.3 金属探测器的系统构成

如图2-4所示为本次设计所采用的金属探测器的系统组成框图。它由电涡流传感器、正弦波振荡器、滤波电路、检波电路、信号处理电路、LCD显示电路、电源电路组成：

正弦波振荡器传感器调制解调电路滤波信号处理滤波信号处理动作电路

1.探测线圈由三根儿何参数相同的平面线圈组成，它们分别构成两个LC正弦波振荡电路的电感部分，在电路中以平衡差动方式工作，用来检侧当金属物出现时线圈电感参数的变化。线圈特性的好坏，对系统的分辨率、灵敏度和稳定性有重大影响。

2.检波线路是山模拟乘法器来完成检波的任务，采用MOTOROLA公司的MC 1996模拟乘法器。它利用的原理是相敏原理，它的输出为两个正弦波正交分解的量。此时，电路分成两个对称的测量电路，分别经滤波电路后对所得的新的信号量进行处理。

3.信号处理电路是由多级放大和滤波电路组成的，它将电涡流传感器检测到的微小变化电压值多级放大，根据测量到的不同等级电压值判断检测金属含量或者颗粒大小。

4.LCD显示和报警电路用来完成人机对话功能，可以方便地参看和修改参数，调节相应的检测灵敏度和精度，同时在检测到金属杂质时报警提醒工作人员。

5.电源电路提供以上各电路所需的工作电压。

整个系统上电后开始运行，光电开关检测被测产品是否到达被测区域入

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图2-4 金属探测器系统组成框图广西大学本科毕业设计 飞机场安检系统

口,确定后启动A/D转换器对模拟信号电压进行采样转换成数字信号，同时数据送给微处理器处理判断是否超出预定电压值，由此判断是否含有金属，使自动报瞥显示电路立即动作，电机停止运转，同时点亮相应的LED灯数，液晶显示系统状态为“停止”。系统控制结构图如图2-5所示。

LPC2210ARMLCD显示检 测 通 道传 送 皮 带电 机Atmega128蜂鸣器LED点阵图2-5 系统控制结构图

由于采集到的信息是连续变化的模拟量，不能被单片机直接处理，所以必须把这些模拟量转换成数字量后才能够输入到单片机中进行处理，这里选用了经济实用的ADC0809型A/D转换器来进行模数转换。ADC0809型芯片内部 结构见图2-6。

STARTEOCCLKOE时 序 与 控 制IN7D7三态输出锁存器树状开关8路模拟开关比较器逐位逼近寄存器SARIN0ADDCADDBADDAALED0地址锁存及译码A/D电阻网络VREF(+)VREF(-)图2-6 ADC0809型芯片内部结构

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ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，片内有八路模拟开关，可对八路模拟电压量实现分时转换，转换速度为100us（即10千次/秒）。当地址锁存允许信号ALE=1时，3位地址信号A、B、C送入地址锁存器，选择8路模拟量中 的一路实现A/D转换。

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第三章 旅客身份认证

3.1 身份识别技术概述

传统身份识别技术是指基于特定持有物(如：身份证)和基于特定知识(如：密码)进行身份鉴定的一种技术，其应用如：人们通过信用卡和密码可以实现在ATM机上取款。传统方法的缺点是：特定持有物易丢失、被盗和遗忘。特定知识则存在记忆上的问题。密码太复杂，容易遗忘；密码简单(如：生日、电话号码等)，则容易被破译和猜测。因此，传统身份识别技术己不能满足许多行业(如政府管理部门、电信、金融、商业等)对身份识别技术的要求。随着生物技术的发展，基于生物特征识别的身份识别技术已渐渐成为身份识别的重要手段。

生物识别技术(Biemo tricIdentificationTechnology)是利用人体生物 特征进行身份认证的一种技术。生物特征是唯一的(与他人不同)，可以测量或可自动识别和验证的生理特性或行为方式，分为生理特征和行为特征。身体特征包括：指纹、掌型、视网膜、虹膜、人体气味、脸型、手的血管和DNA等；行为特征包括：签名、语音、行走步态等。每个人的这些特征都与别人不同，且终生不变，可以根据它们鉴别身份。显然，相对于传统的身份证、密码等，生物特征“随身携带”，不存在遗失、遗忘的问题，更难于用穷举法和智能方法破解。生物特征识别作为身份鉴别的一种快捷而便利的手段己经越来越广泛地应用在众多基于网络的服务等应用领域。

人们已经发展了手形识别、指纹识别、面部识别、发音识别、虹膜识别、签名识别等多种生物识别技术。目前人体特征识别技术市场上占有率最高的是指纹仪和手形机，这两种识别方式也是目前技术发展中最成熟的。 与传统身份鉴定相比，生物识别技术具有以下特点：

1.随身性：生物特征是人体固有的特征，与人体是唯一绑定的，具有随身性。

2.安全性：人体特征本身就是个人身份的最好证明，满足更高的安全需求。

3.唯一性：每个人拥有的生物特征各不相同。

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4.稳定性：生物特征如指纹、虹膜等人体特征不会随时间等条件的变化而变化。

5.广泛性：每个人都具有这种特征。

6.方便性：生物识别技术不需记忆密码与携带使用特殊工具(如钥匙)，不会遗失。

基于以上特点，生物识别技术具有传统的身份鉴定手段无法比拟的优点。采用生物识别技术，可不必再记忆和设置密码，对重要的文件、数据和交易都可以利用它进行安全加密，有效地防止恶意盗用，使用更加方便。

迄今为止，最为人们所关注、最为成熟的生物识别技术就是指纹识别。指纹具有以下7个方面的特性使其成为身份识别技术的首选：

1.普遍性，即每个人都具有(除极少数无指残疾人或先天性无指纹者，但这本身就是一个特征)；

2.唯一性，即不同的人甚至同一个人不同的指头，指纹都不相同； 3.永久性，即终生不变性；

4.可采集性，即可以通过一定的设备和手段采集到；

5.可行性，即在对资源、环境、操作等条件要求不苛刻的条件下可以达到合理的准确率、速度和鲁棒性；

6.可接受性，即人们愿意接受这一方式；

7.防伪性能好，和相貌与照片、帐号+密码、IC卡等传统的身份识别手段相比，自动指纹识别技术具有不会丢失、不会遗忘、唯一性、不变性、防伪性能好和使用方便等突出优点。

采用这种技术，可以将人的身份和其指纹严格对应起来。

本文采用一体化的指纹IC卡技术，将指纹信息存入IC卡中，通过对现场采集的指纹和IC卡中存储的指纹信息进行比对，来辨别持卡人身份。

3.2 非接触式IC卡技术

3.2.1 IC卡技术简介

IC卡是集成电路卡的英文名称，即Integrated CircuitCard的缩写。它是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式。IC卡的概念是

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20世纪70年代初提出来的，法国布尔(BULL)公司于1976年首先创造出IC卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、保险等多个行业，它是将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。IC卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，IC卡存储器中的内容根据需要可以有条件地供外部读取，或供内部信息处理和判定之用。

IC卡可以按照多种方法进行分类，按照卡中所镶嵌的集成电路的不同，IC卡可以分为存储卡、逻辑加密卡和CPU卡。按照应用领域来分，IC卡可分为金融卡和非金融卡。按照卡与外界的数据传送形式来分，IC卡可分为接触式和非接触式两种。目前使用最多的IC卡是接触式IC卡，即卡中的芯片通过其表面触点与读写设备接触，从而完成二者之间的通信；非接触式IC卡是射频识别技术与IC卡技术相结合的产物，它与接触式IC卡的最大区别是它没有机械触点，通过无线方式与读写设备进行通信。非接触式IC卡的集成电路不向外引出触点，通过线圈射频感应从读卡器获取能量和交换数据，因而又称这种IC卡为感应式卡或射频(RF)卡。它代表了IC卡行业的一个新的发展方向。

非接触式IC卡与传统的接触式IC卡相比，它在继承了接触式IC卡的优点(如大容量、高安全性等)的同时，又克服了接触式IC卡所无法避免的缺点，如读写故障率高，由于触点外露而导致的污染、损伤、磨损、静电以及不方便的插卡读写过程等。非接触式IC卡完全密封的形式及无接触的工作方式，使其不受外界不良因素的影响，从而使用寿命完全接近卡中IC芯片的自然寿命，因而卡本身的使用频率和期限以及操作的便利性都大大的高于接触式IC卡。可见，非接触式IC卡不仅代表着IC卡技术发展多年的结晶，也象征着IC卡的应用又提高到一个新的阶段。

非接触式IC卡中的芯片电路由射频接口、存取控制和存储器三个模块组成。它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无电源和无接触这两个难题，是电子技术应用领域的一大突破。

一个典型的射频识别系统由两部分组成：一是寻呼器，二是应答器。其中寻呼器的主要组成部分是无线收发器、处理机和天线等。在应答器内根据不同应用是：先由寻呼器通过它的天线向应答器发射无线信号，当应答器进入寻呼器工作区域时，被寻呼器发出的信号激励并发射应答信息。寻呼器接收应答信息，进行进一步处理。基于不同应用，应答器有方形、圆形、笔形

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等多种形式。应答器是射频识别技术的关键。

当把射频识别技术用于非接触式IC卡系统时，系统中的读卡器相当于寻呼器，用于发射无线激励信号及有关询问信号。系统中的IC卡相当于应答器。因此非接触式IC卡有卡片状、钥匙状、钮扣状等多种形式，一个典型的非接触式IC卡系统原理图如图3-1所示。

控制器读卡器载波IC卡后台计算机载波信号发射器射频接口时钟复 位数据解码器解调器接收器数据存取控制片内电源EEPROM图3-1 非接触式IC卡系统原理框图 非接触式IC卡由天线和芯片模块组成。其中芯片模块由射频接口、存取

控制和存储器三个模块组成。读卡器由发射器、接收器、解调器、天线等组 成。控制器一般是一后台计算机，负责处理读卡器接收的数据。

非接触式IC卡的工作过程如下：

(1) 读卡器将载波信号经天线向外发送。

(2) 卡进入读卡器的工作区域后，由卡内天线和电容组成的谐振回路接收读卡器发射的载波信号，射频接口模块将此信号转换成电源电压、复位信号及系统时钟，使芯片激活。

(3) 存取控制模块将存储器中的信息调制到载波上，经卡上天线回送给读卡器。

(4) 读卡器对接收到的信号进行解调、解调后送至后台计算机。 (5) 后台计算机根据卡号的合法性，针对不同应用做出相应的处理和控制。

要实现非接触式IC卡技术需要解决许多技术难题，所需考虑的主要有以下四个方面:

(1) 安全机制：因为射频技术的特点，导致IC卡中的数据在通信过程中被截取的可能性很大，如何防止保密信息的泄漏是一大问题。作为安全性的

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解决办法之一，射频信号传输的是通过加密处理的数据，必须有同样的解密算法才能破解其中的信息，并且在实现通信之前必须进行读卡器和卡的相互认证才可继续进行通信。这就保证了射频信号不会被中途截取并破解，保证了系统的安全性。

(2) 防冲突机制：如果在操作过程中同时出现多张卡，如何防止卡之间的数据干扰，保证读/写卡操作的正确完成。非接触式IC卡在出现多卡进入读卡器作用范围时，通过基于BIT冲突检测协议或字节、帧及命令完成防冲突。

(3) 电源及电源功耗的设计：由于非接触式IC卡的工作能源是通过射频收发电路由空间电磁波提供的。由此可见，电磁波能量的大小决定了IC卡的功耗，也决定了IC芯片的功能。所以在功耗参数上要求尽量的小，这样射频信号的能量才能满足IC卡的工作要求。要克服这个问题只有从两个方面来解决，首先是在芯片的制作材料上进行技术革新，降低芯片的功耗。另一个方法就是提高射频能量，以获取足够的电能保证卡上IC芯片正常工作。

(4) 内通信的调制解调方式：为了实现IC卡与终端之间的正确通信，必须为其数据的传输制定相应的协议，才能在IC卡和终端之间进行正确的交流。因此，调制解调方式对通信的完成是非常的关键的，采用什么样的调制解调方式直接影响到通信的可靠性和安全性。

根据非接触式IC卡操作时与读卡器表面距离的不同，定义了三种卡及其相应的读卡器，如表3-1所示。

表3-1非接触式IC卡、读卡器及其相应的国际标准

卡类型 读卡器 国际标准 读写距离 密耦合(CICC) CCD 近耦合(PICC) PCD 疏耦合(VICC) VCD ISOAEC 10536 紧靠 ISO/IEC 1443 <10cm ISOJEC 15693 <50cm 表中：CICC为Close-Coupled ICC,PICC为proximity ICC, VICC为Vicinity ICC，ICC为集成电路卡(Integrated Circuit Card), CD为耦合设备(Coupling Device)，是读卡器中发射电磁波的部分。

由于绝大部分的民用系统目前都采用的是近耦合IC卡，所以本文将主要研究近耦合IC卡系统。参照ISO/IEC 1443标准，近耦合卡有两种卡型——Type A型和Type B型。其主要的区别在于载波的调制深度及二进制数的编码方式。

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Type A型卡在读卡器上向卡传送信号时，是通过13.56MHz的射频载波传送信号，其采用方案为同步、改进的Miller编码方式，通过100%ASK传送；当卡向读卡器传送信号时，则采用Manchester编码进行调制。

Type B型 卡在读卡器向卡传送信号时也是通过13.56MHz的射频载波信号，但采用的是异步、NRZ编码方式，通过用100%ASK传送的方案；在卡向读卡器传送信号时，则是采用的BPSK编码进行调制。

3.2.2 Mifare 1 S70 卡

目前，以Philips公司为首的基于Type A标准的阵营占领了非接触IC卡市场的90%以上，而Type B由于是从理论上升到标准再进入工业领域，是一个新的技术规范，市场占有率很小，目前包括ST和Motorola都只是处于展示推广阶段。因此我们主要从Philips公司的Mifare系列卡中选择一款合适的IC卡片。通常 写入IC卡中的指纹特征数据也称模板，不同的指纹算法得到的模板大小也不尽相同，但是一般不会超过1K字节大小。同时考虑到除了需要写入指纹数据到IC卡，还需要写入用户的一些基本信息，如姓名、性别、年龄等，甚至有可能将卡用于其它的应用(即实现多功能卡)。所以IC卡的存储容量最好在1K字节以上。

Philips公司的Mifare系列产品有三大类：Mifare Standard MifareL- ight和Mifare PRO。Mifare Light卡容量只有几百字节，所以不予考虑。M ifare Standard卡现在主要有两种型号：Mifare 1 S50和Mifare 1 S70。其中S50型容量为1K字节，S70型容量为4K字节。Mifare PRO属于双界面卡，内有8051核心的微处理器，是典型的CPU卡，既可用作接触式IC卡，又可用作非接触式IC卡，且容量达到8K字节。

从存储容量、性价比以及系统的功能要求等方面综合考虑，我们最终选择了Mifare 1 S70卡作为指纹模板的载体。同时也相对应地选择了它的专用读卡芯片MF RC5000作为非接触式IC卡读卡电路的核心器件。

Mifare 1 S70卡采用了先进的芯片制造工艺制作。卡片上除了IC微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件。卡片上无源(无任何电池)，工作时的电源能量由读卡器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上的天线从而产生电能，一般可达2V以上，供卡片内部芯片工作。卡片上内建4K字节的EEPROM

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存储容量。IC卡的工作频率为13.56MHz，操作距离可达l00mm，与读卡器的通信速率高达106Kbit/s。

Mifare 1 S 70卡上具有先进的数据通信加密和双向验证密码系统；且具有防冲突功能：能同时处理在读卡器天线有效工作范围内的多张卡片。

Mifare 1 S 70卡与读卡器通信使用握手式半双工通信协议；卡片上有高速的CRC协处理器，符合CCITT标准。

每张卡片在制造时具有唯一的卡片序列号，因此没有两张相同的Mifare卡。卡片上的数据读写可超过10万次以上，数据保存期可达10年以上，且卡片抗静电保护能力达2KV以上。

Mifare 1 S 70非接触式IC卡包含了两个部分，RF射频接口电路和数字电路部分。

1.RF射频接口电路

在RF射频接口电路中，主要包括有波形转换模块。它可将读卡器上的13.56MHZ的无线电调制频率接收，一方面送调制懈调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。POR(复位)模块主要是对卡片上的各个电路进行上电复位，使各电路同步启动工作。

2.数字电路部分

在数字电路部分模块中包括：请求应答的ATR模块、防止(卡片)冲突的Anti Collision模块、用于卡片选择的Select Application模块、用于认证及存取控制的Authentication & AccessControl模块、Control& Arithmetic Unit控制及算术运算单元、RAM/ROM单元、Crypto Unit数据加密单元、EEPROM存储器及其接口电路。

在卡的认证过程中，Mifare 1 S 70使用了三轮认证技术，认证过程是这样进行的：

（A）RB非接触式（B）TOKEN AB（E） 卡片读写（D）TOKEN BA器Mifare 1 （C） 卡片图3-2 三轮认证过程

(A)环：由Mifare1 卡片向读卡器发送一个随机数据RB；

(B)环：由 读卡器收到RB后向Mifare1 卡片发送一个令牌数据TOKENAB，

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其中包含了读卡器发出的一个随机数据RA；

(C)环：Mifare1 卡片收到TOKENA B后，对TOKENA B的加密的部分进行解密，并校验第一次由(A)环中Mifare 1卡片发出去的随机数RB是否与(B)环中接收到的TOKENA B中的RB相一致；

(D)环：如果(C)环校验是正确的，则Mifare1 卡片向读卡器发送令牌TOKEN BA给读卡器；

(E)环：读卡器收到令牌TOKEN BA后，读卡器将对令牌TOKEN BA中的RB(随机数)进行解密；并校验第一次由(B)环中读卡器发出去的随机数RA是否与(D)环中接收到的TOKEN BA中的RA相一致；

如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将成功。读卡器可以对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区进行下一步的操作(Read/Write等操作)。

Mifare1 S 70卡片的存储容量为4K字节，采用EEPROM作为存储介质，整个结构划分为40个扇区(Sector)，编为扇区0-39。其中对于前面32个扇区(0-31)，每个扇区又分为4个块(Block)；而后面8个扇区(32-39)，每个扇区分为16个块。每个块有16个字节。其存储结构如图3-3所示。

每个扇区的最后一个块( 又称区尾)为密码块，其余块则为数据块。密码块包含了该扇区的 密码A(6个字节)、存取控制(4个字节)、密码B(6个字节)，是一个特殊的块。用于存取控制的4个字节控制着本扇区所有块(包括数 据块和密码块)的存取权限。可以设置密码A或密码B对数据块和密码

图3-3 Mifare 1 S 70 的存储结构扇区39块0块1??块15（A密码+存取控制+B密码）扇区32扇区31块0块1块2块3（A密码+存取控制+B密码）块0块1??块15（A密码+存取控制+B密码）扇区0块0（厂商标志代码）块1块2块3（A密码+存取控制+B密码）块的访问权限，比如是否可读(写)，密码块是否允许读取或者修改等。如果

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设置不对，可能会导致不可以恢复的后果。刚买的卡片只有密码A有效，密码和存取控制都可以被读出，当密码B可以被读出的时候，密码B是无效的，哪怕用密码B验证通过了，也不能取得扇区操作权限，只有修改了存取控制，使得密码B是不能被读出的，此时验证密码B才有效。扇区0的块0是特殊的，是厂商代码，已固化，不可改写。其中：第0-4个字节为卡片的序列号，第5个字节为序列号的校验码；第6个字节为卡片的容量字节；第7、8个字节为卡片的类型号字节，即Tagtype字节；其他字节由厂商另加定义。

3.3 一体化指纹IC卡设备的设计方法

一体化指纹IC卡设备是指纹识别技术和IC卡技术相结合的产物，在单一设备上实现了指纹仪和IC卡读写器的功能。通过一体化指纹IC卡设备可以实现指纹的采集、验证和读写IC卡的功能。使用指纹识别技术可以省去记忆密码的烦恼，而且指纹的特殊性决定了更高的安全性。IC卡作为个性化数据载体及大容量内存的优势，既实现了人物合一的真实身份认证，又满足了各种应用系统对数据载体卡片化、脱机化的需求。

一般，指纹IC卡系统的实现有两种方案：连接PC的桌面应用系统和嵌入式脱机系统。连接PC的桌面应用系统通过加装指纹图像采集器与IC卡读卡器来实现。首先使用指纹图像采集器读取指纹图像，然后由PC机处理指纹图像并提取其特征值，最后与IC卡中的指纹特征数据进行比对完成身份认证。嵌入式系统是一个相对独立的完整系统，它不需要连接其他设备或计算机就可以独立完成其设计功能，像指纹IC卡门锁、指纹IC卡考勤终端就是嵌入式系统。嵌入式系统的使用较为灵活，可以在很多场合应用，而连接PC的桌面应用系统需要连接计算机才能完成身份认证的功能，限制了这种系统在许多方面的应用。

根据IC卡中所存储的内容，一体化指纹IC卡设备可以有两种应用方式： 1.IC卡中只存储用户的ID号：注册指纹时为用户分配相应的ID号，IC卡中只存储该用户ID号，用于在指纹信息数据库中检索用户指纹信息。这种方式的优点是避免手工输入用户ID号的环节，使用方便、自动化程度高。并且安全性极高，因为只要数据库不被改动便无法作弊。适用于银行、社会保险等有完备的C/S网络体系，且需要较高安全保证的行业。

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2.IC卡中存储用户的指纹信息：发卡时将指纹数据库中持卡人的指纹的特征信息存储到IC卡中，验证时将现场采集的持卡人指纹信息处理后直接也IC卡中的指纹信息进行比对，就可以确认持卡者是否是卡的真正主人。

这种方式的优点：验证时不需要网络和数据库的支持，系统结构简单、费用低。适用于无需网络支持的身份认证业务，如电子门票、电子证件等。

用指纹IC卡进行身份认证需要经过两个过程：发卡过程和身份认证过程。

1.指纹IC卡发卡过程：一般由制卡中心来完成的。它首先需要通过传感器来采集用户的指纹图像，这时候采集的指纹图像一般需要对同一枚指纹采集多次，系统会自动选取效果最佳的一枚指纹图像进行处理，在完成图像增强、锐化等处理之后，就可以提取的指纹特征值，写入到指纹IC卡中，写入的指纹数据也称作模板，不同的指纹算法得到的模板大小也不尽相同，但是一般不会超过1K字节大小。同时写入的还有用户的一些基本信息，如姓名、性别、年龄、健康情况等。在指纹IC卡的发卡过程中，提取指纹特征值时使用的算法不同，指纹数据大小也会不一样，还会影响以后的身份认证。而且存放在指纹IC卡中的指纹模板可以有多枚，这样做身份认证时，如果有损伤的指纹，就可以使用其它的指纹做认证，一般推荐存放拇指、食指或中指的指纹模板，也就是说，采集纹线清晰、无损伤的指纹图像。

2.指纹IC卡的身份认证过程：如果发卡时采集的是拇指、食指或者中指三枚指纹，这时候就可以任意采集持卡人的这三枚指纹中的一枚。采集完图像之后，就需要做图像增强、锐化等处理，处理完后就可提取该枚指纹的特征值。这时候再读取卡中的指纹数据，就可以进行比对，通过比对结果的匹配或者不匹配判断持卡人的合法性。如果一次不匹配，在条件允许的情况下还可以进行另一枚指纹的比对，这就可以尽量不产生错误。

根据上述功能要求，系统的硬件部分主要包括指纹识别模块、微处理器、IC读卡器、电源管理器件、存储器等。指纹识别模块主要完成指纹的采集、验证等操作。IC读卡器用于读IC卡。微处理器作为系统的核心。控制整个系统，对各个部分发出指令和控制。

由于指纹图像的数据量很大，所以需要高速的通讯接口来实现指纹图像的上传，以提高指纹图像的采集速度。USB接口具有较高的通讯速率，可以

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USB接口电路微 处 理 器电源管理电路指纹传感器IC卡座及读写电路图3-4 设备的硬件结构图

满足大量数据高速传输得要求，并且可以提供500毫安的电流，无需外接电源适配器。本设计选用USB接口作为通讯接口。

本次设计一体化指纹IC卡设备的硬件结构如图3-4所示。

一体化指纹IC卡的使用分为发卡过程和身份验证过程，发卡流程如图3-5所示，身份验证流程如图3-6所示。按操作流程或系统职能，上位机软件主要由以下几部分构成：

1.指纹图像的采集； 2.指纹图像的处理； 3.读/写IC卡。

指纹图像采集指纹图像处理指纹特征点提取特征点写入IC卡图3-5 发卡流程图指纹图像采集指纹图像处理指纹特征点提取

读IC卡指纹特征点匹配匹配结束图3-6 身份验证流程图

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根据系统功能要求，下位机软件主要由以下几部分构成：

微处理器与指纹芯片的通讯程序模块：主要负责微处理器与指纹识别模块之间数据和命令的传输。根据他们之间的协议，设计编写他们之间的通讯程序。主要是微处理器向指纹识别模块发送命令和接收指纹识别模块执行命令后的返回代码。

微处理器与IC卡的通讯程序模块：要负责微处理器与IC卡之间数据和命令的传输。微处理器根据上位机的指令读写IC卡。

微处理器与上位机的通讯程序模块：负责通过USB协议实现上位机与下位机的通讯。

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第四章 系统硬件设计

本系统以LPC221ARM微处理器为核心，外围扩展了RAM 芯片、FLASH芯片，LPC22lOARM的串口与指纹识别模块与金属检测模块相连，进行数据指令的传送，从而完成指纹的比对、存储，金属物品的探测等功能。LPC221OARM的通用IO口与液晶显示屏、键盘相连，完成与用户的交互操作。另外，为完成程序的下载与调试，本文还对LPC2210RAM的JTAG调试端口进行了详尽的阐述。图4-1为本系统的硬件整体结构图。

JTAG调试电路串行通信LCD显示电源系统蜂鸣电路天线电路复位电路LPC2210ARM微处理器LED电路IC卡接口时钟系统金属检测FLASH程序存储器系统总线指纹模块RAM数据存储器图4-1 系统硬件结构图

1.ARM控制器：实现对各个接口电路的控制，同时完成指纹的匹配； 2.非接触式IC卡接口电路和天线电路：完成对IC卡中数据的读写功能； 3.指纹采集模块：完成指纹图像采集，处理及特征数据提取； 4.金属检测模块：完成金属物品的检测； 5.LCD和键盘：实现人机接口功能； 6.通信模块：实现上下位机的通信功能；

7.复位电路和调试电路：分别实现系统的复位功能和JTAG调试功能；

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8.蜂鸣和LED电路：用于提示操作结果，当出现问题时报警。

4.1 LPC2210ARM微处理器

4.1.1 LPC2210ARM微处理器简介

LPC2210ARM微处理器是菲利浦电子集团推出的32位ARM7TDMI-S内核微处理器产品，该产品具有性能高、功耗低、运行速度快等特点，因此该产品在汽车电子、医疗器械、网络产品等领域中得到了广泛的应用。

LPC2210AMR微处理器是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI –S内核的微处理器，其内部没有FLASH存储器，具有16K字节的RAM存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。处理器具有两个指令集：32位ARM指令集和16位Thumb指令集。Thumb指令集的16位指令长度使其可以达到标准A哪代码两倍的密度，却仍然保持ARM指令的大多数性能上的优势。因此，对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低30%，而性能的损失却很小。

LPC2210ARM微处理器为144脚封装，内部具有2个32位定时器、4路10位ADC模数转换器、9个外部中断源、多达76个通用IO口。LPC221O内部丰富的资源使得其非常适用于工业控制、医疗系统、通信网关、嵌入式MODEM等电子产品的开发。

LPC2210AMR微处理器具有如下特性:

1.32位144脚ARM7TDMI-S微处理器。ARM7系列微处理器具有功耗低、含三级 流水线结构、代码密度高等特点。型号ARM7DTIM 中T代表支持16位压缩指令集 (Thmub指令集)，D代表支持片上Debug，M代表内嵌硬件乘法器 (Mu ltiplier)，I代表支持片上断电和调试点(ICE)。

2.16K字节静态RAM存储器。LPC2120AMR微处理器无需扩展外部ARM，内部含 有16 K字节的RAM存储器，此存储器可用于临时数据的存储，亦可用于程序存 储器空间，实现RAM中的程序调试。但用作程序存储器时，掉电后程序将会丢失。

3.内部无FLASH程序存储器。LPC22lO内部无FLASH程序存储器，若想进行产品的开发必须扩展外部FALSH存储器。

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4.外部总线宽度8/16/32位可选。外部存储器数据总线的宽度是一定的，当LPC2210ARM微处理器与外部存储器连接时总线的宽度必须配置成与存储器数据总线宽度相一致。

5.通过外部存储器接口可将存储器配置成四组，每组的容量高达16M字节。221OARM微处理器可寻址的存储器地址范围为8000000OH一83FFFFFFH共64M的寻址空间，通过配置存储器组寄存器又将此64M空间分为4段，每段即为16M的地址空间。

6.片内Boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)。FIASH编程时间：1ms可编程512字节，扇区擦除或整片擦除只需40ms。

7.串行Boot装载程序通过UART0将应用程序装入器件的RAM中并使其在RAM，扣执行。

8.EmbeddedICE—RT接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内Real Montitor软件调试时，中断服务程序可继续执行。

9.4路10位逐次逼近型A/D模数转换器，测量范围在0—3.3V之间，可选择由输入引脚的跳变或定时器的匹配信号触发转换，转换时间低至2.44us。

4.1.2 LPC2210ARM微处理器内部结构概述

LPC2210ARM的内部结构如图4-2所示，它包含一个支持仿真的ARM7TDMI –S微处理器、与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA 高性能总线和连接片内外设功能的VLSI外设总线。LPC2210ARM将ARM 7TDMI-S配置为小端字节顺序。

AHB高性能总线外设分配了2M字节的地址范围，它位于4G字节AMR存储器空间的最顶端。每个AHB外设都分配了16K字节的地址空间，LPC2210ARM微处理器的外设功能都连接到VPB总线上。VPB外设也分配了2M字节的地址空间，从3.5GB地址点开始，每个VPB外设在VPB地址空间内都分配了16K字节地址空间。

片内外设与器件引脚的连接由引脚连接模块控制。软件可以控制该模块让引脚与特定的片内外设相连接。

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4.2 系统电源

电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位。一个好的系统电源，对整个系统工作稳定性的提高、减少系统故障率都有极其重要的作用。

TRST(1)TMS(1)TCK(1)TDI(1)TDO(1)XTAL1XTAL2RESETCS3:0*A23:0*BLS3:0*OE,WE*D31:0*SCL EINT3:0外部中断I2C串行接口SDACSK0,1捕获/比较 定时器0&1MOSI0,1SPI 串行接口0&1MISO0,1SSEL0,1T×D0,1R×D0,1DSR1,CTS1DCD1,Rl1测试/调试接口ARM7TDMI-SAHB桥 仿真跟踪模块PLL系统时钟系统功能ARM7 局部总线向量中断控制器AMBA AHB 先进的高性能总线INTERNAL SRAM CONTROLLER16KB SRAMAHB TO VPB桥VPB分频器AHB 译码器外部存贮器控制8×CAP08×MATAin3:0Ain7:4A/D转换器UART 0&1P0,30:0P1,31:16,1:0P2,31:0P3,31:0通用I/OPWM6:1PWM0系统控制实时时钟看门狗定时器图4-2 LPC2210ARM内部结构图

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设计电源的过程实质上是一个权衡的过程，必须考虑输入的电压、电流，输出的电压、电流、功率，功耗限制，成本限制，电磁干扰等各方面因素。本系统的电源设计经过了以下几个步骤：

1.系统分析

LPC2210ARM微处理器的电源供电需要4组电源输入：数字3.3V、数字1.8V、模拟3.3V、模拟1.8V。因此，理想情况下电源系统需要提供4组独立的电源：两组3.3V电源和两组1.8V电源，他们需要单点接地或大面积接地。由于本系统中指纹识别模块需要5V直流电源，因此系统设计还要考虑5V电源的供电。在本嵌入式指纹识别系统中，因未使用LPC2210ARM的A/D转换功能，因此模拟电源和数字电源可以不分开供电。这样需要提供5V、3.3V 和1.8V 三组电源。

2.末级电源设计

由LPC221OAMR的数据手册可知，其1.8V消耗电流的极限是70mA，其他部分无需1.8V电压。为了保证可靠性并为以后升级留下余量，则电源系统1.8V能够提供的电流应当大于30mA。

整个系统在3.3V上消耗的电流与整个系统有很大的关系，由于整个系统所消耗的电流不超过30mA，这样，电源系统3.3V 能够提供60mA即可。

系统中指纹识别模块用到5V电源，此指纹识别模块静态的工作电流为50mA，动态工作电流为200mA，因此5V电源需要提供的电流不应小于50mA。因为系统对这三组电压的要求比较高，且其功耗不是很大，所以不适合用开关电源，应当用低压差模拟电源。合乎技术参数的低压差模拟电源芯片很多，本系统采用性价比较高的SPXlll7芯片。

SPXlll7是一个低功耗正向电压调节器，可以用在一些高效率、小封装的低功耗设计中。这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用。SPXlll7有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1.1V。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。SPXlll7输出电压可调节，可以选择1.5V，1.8V，2.5V，3.0V，3.3V，5.OV的电压输出。3.3V及1.8V末级电源电路如图4-3所示。

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SPX1117M3-3.3+5VVINVOUTC33104VDD3.3V+5VGNDSPX1117M3-1.8VINVOUTC44104VDD1.8VGNDC610uFC710uF图4-3 电源系统末级电源设计图

3.前级电源设计

低压差电压调节芯片SPXlll7允许输入电压可达20V，但太高的电压会使芯片的发热量上升，若系统散热性能不好，会影响芯片的性能。同时，波动的电压对输出电压的波动也有影响，太高的压差也失去了选择低压差模拟电源的意义。这样，就需要前级电路调整一下。本系统前级的输出电压为5V，选择5V电压作为前级的输出电压有两个原因，其一是这个电压满足SPXlll7的要求，其二是本系统中指纹识别模块需要5V供电，这样SV电压在作SPXlll7的前级电压的同时兼作指纹识别模块的供电电压。

根据系统在5V上消耗的电流和体积、成本等方面的考虑，前级电路可以使用开关电源，也可以使用模拟电源。相对模拟电源来说，开关电源效率较高，可以减少发热量，因而在功率较大时可以减小电源模块的体积，但电路复杂、输出电压纹波较大、在功率不是特别大时成本较高， 同时开关电源是一个干扰源，对其他电路有一定的影响。

鉴于本指纹识别系统功率较小，且考虑到成本问题，因而采用了图4-4所示的模拟电源设计。图中9V电源输入采用目前市面上常见的220V—9V变压器，7805芯片为三端正5V稳压器，其内部有过流、过载保护，且价格低廉，电路使用安全可靠。7805芯片外部接4个稳压电容即可为指纹识别模块提供5V电源，同时又为SPXlll7提供前级电源。

图4-4 电源系统前级电源设计图

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4.3 系统复位

微处理器在上电时状态并不确定，这样容易造成微处理器不能正常工作。为解决这个问题，所有微处理器有一个复位逻辑，它负责将微处理器初 始化为某个确定的状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。一些微处理器自己在上电时会产生复位信号，但大多数微处理器需要外部输入这个信号。因为这个信号会使微处理器初始化为某个确定的状态，所以这个信号的稳定性和可靠性对微处理器的正常工作有重大影响。图4-5为最简单的阻容复位电路，此电路成本低廉，但不能保证任何情况都产生稳定可靠的复位信号。此电路在要求不高的单片机应用中经常使用，但在对复位电路要求较高的应用场合，一般都采用专门的复位芯片。如果系统不需要手动复位，可以选择MAX809，如果系统需要手动复位，可以选择SP708SCN。复位芯片的复位门槛的选择至关重要，一般应当选择微处理器的10口供电电压为标准。针对LPC2210ARM微处理器10口的电压范围3.0V—3.6V，所以其复位门槛应当选择为2.93V

图4-5 阻容复位电路

本系统出于系统稳定性的考虑，采用了专门复位芯片复位的方式，且具有手动复位功能。专门复位芯片采用Sipex公司的SP708复位芯片。该芯片属于微处理器监控器件，其集成有一个看门狗定时器，一个微处理器复位模块，一个供电失败比较器，及一个手动复位输入模块。可监测微处理器及数字系统中的供电及电池的工作情况。根据SP708芯片的数据手册，本系统设计的

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带手动复位的复位电路如图4-6所示。

图4-6 LPC2210ARM复位电路

4.4 天线电路设计

电感耦合式射频识别系统的读写器天线用于产生磁通量，而磁通量用于向非接触式IC卡提供电源并在读卡器与非接触式IC卡之间传输信息。因此，对读卡器天线的构造就有三个基本要求：首先是使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量；其次是功率要匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；最后是要有足够的带宽，以无失真地传送用数据调制的载波信号。

品质因数Q和谐振频率是电感耦合式射频识别系统读卡器天线的特征值，品质因数Q会影响天线读写距离，所以是天线设计中的一个重要参数，它可以通过电感线圈的电抗与电阻的比值计算出来，是Q?(2?f0Lcoil/Rcoil)，较高的品质因数，会得到较高的读卡器天线电压，其中可增加应答器即IC 卡的能量传输。与之相反，天线的传输带宽与品质因数Q值成反比。选择的品质因数过高，会导致带宽缩小，从而明显地减弱应答器接收到的调制边带。此外，由于Mifare卡是无源非接触式IC卡，其能量是通过天线感应来的。而且由于受到卡形状的限制，卡中不可能封装很大的天线，使得接收的能量较小，从而决定了读卡器天线读写距离很短，一般在100mm以内。

(1)天线大小和读写距离

由于MF RC5000是低功耗设计，因此卡和天线之间的耦合系数必须满足一定的值，卡和天线之间的藕合系数不能低于0.3。天线一般设计为三圈，可以设计为圆形或者方形天线。天线的直径必须介于0.5—1.5mm之间。表4-1

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给出了卡和天线的耦合系数为0.3时的天线大小和读写距离关系表

表4-1 天线大小与读写距离关系表

大小(mm) 50?50 65?54 85?54 85?85 90?90 写距离是此距离的两到三倍。

(2)天线电感的计算

读写距离(mm) 7 10 12 8 5 注：上述表中的读写距离是在非金属环境中的测定值，实际应用中的读

天线的电感必须介于80nH和1.5uH之间。天线的电感通过下列公式计算：

L?2?I?ln(1/D)?N1.8

其中：

L：读卡器天线电感(单位cm)； I：天线导体长度；

D：天线导体宽度(必须介于0.5—1.5mm之间)； N：天线导体圈数(三圈)。 (3)天线藕合电路图

天线藕合电路图如图4-7所示：

图4-7 天线藕合电路图

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图中电容C23、C24、C26、C27 (通称C2)的值是由天线的电感值决定的，并且需要根据天线的形状进行调整。C2电容值的大小严重影响读卡器的性能，也就是影响读卡器的读写距离。不同类型的卡和不同的使用环境都将影响读卡器的性能表现，这就需要在确定了卡的类型之后，在实际的使用环境中进行试验，确定不同的C2值，使读卡器具有最好的性能表现。MF RC500有一个引脚，当读卡器发出某一指令时，可以通过使用示波器观察该引脚的输出信号，不断改变卡与读卡器之间的距离和C2值，示波器将输出不同的波形，根据不同的波形即可确定读卡器最好性能时候的C2值。

在本课题设计的非接触式CI卡读卡器中，C2值如表4-2所示：

表4-2 C2电容值表

电容 C32 C24 C26 C27

值（pf） 150 18 150 22 4.5 FLASH模块

FLASH存储器又称闪存，是一种可在线多次擦除的非易失性存储器，即掉电后数据不会丢失。FLASH存储器还具有体积小、功耗低、抗震性强等优点，是嵌入式系统的首选存储设备。

FLASH存储器又分两种，一种为NOR型FLASH，另一种为NAND型FLASH。NOR型FLASH可以直接读取芯片内存储器的数据，速度比较快，但价格较高。应用程序可以直接在FLASH上运行，不必再把代码读到系统RAM中。而NAND型FLASH芯片一内部数据以块为单位进行存储，地址线和数据线共用，使用控制信号选择。具有极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND型的困难在于FLASH的管理需要特殊的系统接口。

LPC2210ARM微处理器内部不含有FLASH存储器，因此必须外扩FLASH芯片作为其程序存储器。本指系统采用的是SST公司生产的SST39VF16ONOR型FLA SH存储器。其存储容量为2M字节，16位数据宽度，工作电压为2.7V—3.6V。

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LPC2210ARM使用外部存储器接口Bank0上的存储器引导程序运行，所以将LPC221OARM的CS0与ST39VF160的片选信号连接。存储器连接使用了16位方式，所以LPC2210ARM数据引脚用D0—D15，地址引脚使用了Al—A20。

ST39VF160的存储器操作由命令来启动。命令通过标准微处理器写时序写入器件。将WE拉低、CE保持低电平来写入命令。地址总线上的地址在WE或CE的下降沿被锁存。数据总线上的数据在WE或CE的上升沿被锁存。

SST39VF16O的读操作由CE和OE控制，只有两者都为低电平时，系统才能从器件的输出管脚获得数据。CE是器件片选信号，当CE为高电平时，器件未被选中工作，只消耗等待电流。OE是输出控制信号，用来控制输出管脚数据的输出。当CE或OE为高电平时，数据总线呈现高阻态。

SST39VF16O以字形式进行编程。编程前，包含字的扇区必须完全擦除。编程操作分三步。第一步，执行三字节装载程序，用于软件数据保护。第二步，装载字地址和字数据。在字编程操作中，地址在CE或WE的下降沿锁存。数据在CE或WE的上升沿锁存。第三步，执行内部编程操作，该操作在第4个WE或CE的上升沿出现之后启动。编程操作一旦启动，将在2Ous内完成。在编程操作过程中，主机可以自由执行其他任务。该过程中发送的任何命令都被忽略。

4.6 串行通信模块

USB技术由三部分组成：具备USB接口的PC系统能够支持USB的系统软件和使用USB接口的设备。

USB是“Universal Serial Bus”的缩写，即通用串行总线。它是一种电缆总线，是电脑系统接驳外围设备的新的输入/输出标准。

USB有很多很好的特性，包括：

1.低成本：USB提供了一套低成本的解决方案；

2.热插拔：可以带电插拔又支持即插即用，使得设备安装、连接都很方便；

3.单一的连接器类型：便于多个设备扩展连接； 4.可以连接多个设备：理论上可以支持127个设备； 5.支持低、中、高速设备：可以满足不同传输速度的应用；

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6.不占用主机系统资源：可以解决现行总线的资源冲突问题； 7.数据传输可靠：有完善的错误检测和恢复机制；

8.电源保护：节省电能。而且主设备PC的USB接口还能向低功耗外设提 供电源；

9.支持四种传输类型：能满足不同传输要求的设备；

10.良好的兼容性：USB规范的不同版本间有良好的向下兼容性。 USB总线是一种串行数据通讯方式，它是基于网络的思想的，在USB总线上可同时挂接多个设备;USB正如TCP/IP协议一样遵循一整套通讯协议，即USB总线协议。只有深入掌握了该协仪才能进行程序的开发。

在USB中有以下几个重要的概念：

枚举(Enumeration)：当USB设备插入计算机时，计算机和USB设备之间产生一个枚举的过程。计算机检测到有设备插入，自动发出查询请求，USB设备口应这个请求，送出设备的Vendor ID和ProdUct ID，计算机根据这两个ID装载相应的设备驱动程序，完成枚举过程。

Endpoints：USB设备中用来发送和接收通信数据的可寻址的端口。在EZ—USB芯片中，每个Endpoint可以定义有64个字节的缓冲区。

Pipe：这 是一个逻辑上的抽象概念，主计算机上的程序与USB设备的Endpo int建立通讯，称为Pipe.

在EZ—USB中，缺省的Interface中包括14个Endpoints. 使用其中4个EndPoints.

Endpoint OUT4BULK： 用来发送控制命令包。 Endpoint OUT2BULK：用来发送IC卡的写入数据。

EndPoint IN2BULK和EndPoint IN4BULK：用来从USB设备读取指纹图像数据。

EndPoint IN6BULK：用来从USB设备读取IC卡内数据。

USB有四种数据传输方式：控制传输、同步传输、中断传输和批量传输。控制传输用于主机对设备进行配置、命令和查询状态，每个USB设备至少具有一个控制管道来进行控制传输。由于批量传输能保证数据传输的正确性，因此，控制系统一般采用此种传输方式实现主机和设备之间的数据交换，要进行批量传输，在IN07VAL或OUT07VAL中设置该端点有效，并在IN071EN或OUT07IEN中设置中断允许。IN07BUF或OUT07BUF是数据缓冲寄存器，INnBC或

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OUTnBC是计数寄存器。

BulkIN传输：指数据从设备流向主机的传输。 (1) 主机发出IN指令；

(2) USB内核响应该指令，把端点缓冲寄存器中的数据发送到主机； (3) 主机传来正确应答ACK。这时，USB内核清除INnCS状态寄存器的BUSY位，并设置IN07IRQ中断寄存器的相应位，通知CPU端点的缓冲寄存器己空，可以填充新的数据；

(4) 主机又发来IN指令；

(5) USB内核发出NAK应答，表示缓冲区的填充尚未完成；

(6) CPU完成缓冲区的填充工作，并在INnBC计数寄存器中写入传输的字 节数；

(7) 对计数寄存器的写入，使USB重新具有了向主机传送数据的能力。当主机发出下一个IN指令时；

(8) USB内核向主机传送下一个数据包。 BulkOUT传输：指数据从主机流向设备的传输。

(1) 主机发出OUT指令；

(2) 主机发送数据包到端点缓冲寄存器中；

(3) USB内核响应该指令，清除OUTTnCS状态寄存器的BUSY位，并发出中断请求。CPU处理中断，根据OUTnBC计数寄存器中的字节数，把缓冲区中的数据读出；

(4) 如有多个数据包，则主机发出下一个OUT指令； (5) 跟着发出下一个数据包；

(6) 若CPU尚未清空缓冲区，USB内核发出NAK应答；

(7) CPU清空缓冲区，并复位OUTnBC计数寄存器;使之重新具有接收主机下行数据的能力；

(8) 下一个OUT指令到来； (9) USB内核接收下个数据包。

AN2131QC的智能协议引擎封装了底层协议，把对端口(Endpoint)的操作对应到相应一组寄存器的操作，为编程带来极大方便。

如果采用一个IN节点进行传输，那么CPU内核读64个字节指纹信息并写入IN节点后，要等到上位机读走信息后，CPU内核才能再使用IN节点，效率

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很低。

上 位 机IN节点2CPU内核图4-8 单节点上传指纹信息

为了提高指纹采集及通讯速度，可采用双节点提高通讯效率。使用IN节点2和IN节点4两个上传节点，CPU内核和上位机分别交替使用IN节点2和IN节点4。

IN节点2上 位 机IN节点4CPU内核图4-9 双节点上传指纹信息

4.7 调试端口（JTAG）模块

JTAG(Joint Test Action Group)是1985年制定的检测IC芯片的一个标准，通过这个标准，可对具有JTAG口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。JTAT接口通常具有5个引脚：TCK为测试时钟输入脚；TDI为测试数据输入脚，数据通过TDI 输入JTAG口；TDO为测试数据输出脚，数据通过TDO从JTAG 口输出；TMS为测试模式选择脚，TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式。TRST为测试复位脚，低电平有效。

LPC2210AMR有一个内置的JTAG调试接口，通过这个接口可以实现暂停或恢复程序的运行、检查和修改微处理器内核的内部状态、检查存储器系统的状态等功能，从而更方便的进行系统软硬件的调试。

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第五章 系统软件设计

5.1 金属探测模块软件设计

主程序初始化以后置位LPC2210ARM的中断控制位，使CPU开放中断。然后通过检测RAM中21H中数值的值来判断是否采集基准电压U0，如果未采集过

U0，则启动ADC0809对模拟输入量进行A/D转换。在电路设计中，ADC0809与LPC2210ARM是采用中断方式连接的，所以系统的数据采集处理功能是在中断服务程序中完成的。采用中断方式，可大大节省CPU时间。当A/D转换完毕后，ADC0809向LPC2210ARM送入一个中断申请信号，LPC2210ARM接此信号后响应中断请求，调用中断服务子程序，中断服务程序进行压栈，保护现场，读取来自ADC0809数据输出口的8位数字量，并将数字量储存到单片机RAM中，然后启动ADC0809的下一次转换。经过数据软件滤波之后将其存放在单片机RAM 21H中，作为基准电压U0。经反复实验测得的灵敏度?U的值被存放在单片机RAM地址为20H的存储器中。在检测过程中，将A/D转换器采集到的电压信号经数据软件滤波后存入内部RAM 以30H为首址的数据存储器中，然后将此数据矶和基准电压U0进行比较，二者差值U存放在单片机RAM地址为22H的存储器中。而后再通过判据算法将此差值U与灵敏度?U进行比较，以确定是否报警。

主程序流程图如图5-1所示

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开始系统初始化，开中断选通道置连续采样个数采集U0Y启动A/D等待转换完毕NN启动A/D等待转换完毕，读取Ui连续采样个数到？Y算术平均值滤波保存值Ux到数据缓冲区N|Ux-U0|＞ΔUYCPU输出报警信号结束N连续采样个数到？Y算术平均值滤波保存U0到21H中数据U0已采集标志图5-1 主程序流程图

5.2 指纹识别模块软件设计

按操作流程或系统职能，上位机软件主要完成指纹图像的采集、指纹图像的处理、读/写IC卡等功能。分为发卡和身份验证两个流程，发卡流程图 如图5-2所示，身份验证流程图如图5-3所示。

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开始指纹图像采集图像采集数＞4N指纹图像采集指纹图像处理指纹特征点提取采集数+1特征点质量优？Y保存特征点有可用特征点？Y将最优特征点信息写入IC卡NN调整放电参数Y指纹采集失败结束图5-2 发卡流程图

本次设计主要完成硬件设备的设计与实现，上位机软件功能并不完善主要用于验证硬件设备的各项功能，实现指纹图像的读取、图像处理、特征点提取、匹配及读写IC卡等操作

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7in7.html