1、基于ARMcortex-m3指紋識(shí)別門(mén)鎖控制系統(tǒng)摘要指紋識(shí)別系統(tǒng)是基于生物特征識(shí)別技術(shù)的一項(xiàng)高科技安全設(shè)施，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，它可以提供高效、智能、便捷的授權(quán)控制，并已成為設(shè)備現(xiàn)代化與管理智能化的標(biāo)志之一。由于指紋具有攜帶方便、人人各異、終生不變的特點(diǎn)，因此利用指紋識(shí)別作為身份認(rèn)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(nèi)核的STM32微控制器的指紋識(shí)別系統(tǒng)，主要用于對(duì)個(gè)人信息的采集與識(shí)別，并起到防盜作用。本設(shè)計(jì)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(yǔ)音模塊ARP9600完成語(yǔ)音采集、

2、提示報(bào)警功能以及DS1302時(shí)鐘模塊等。該設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好，實(shí)用性強(qiáng)，并且性價(jià)比高，可廣泛應(yīng)用于辦公樓，銀行，機(jī)場(chǎng)等各種公共場(chǎng)所與機(jī)構(gòu)。關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別 微控制器 報(bào)警目錄第一章 緒論1.1設(shè)計(jì)方案的提出隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，人類對(duì)生活質(zhì)量的要求也不斷地提高，一些老舊的設(shè)備與操作方式不可避免的被社會(huì)所淘汰。同時(shí)，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(lái)越重要。據(jù)相關(guān)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(guó)，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(lǐng)；全球知名的信用卡巨頭MasterCard公司估計(jì)每年約有4.5億美元的信用卡詐騙案。而因?yàn)槊艽a被破解，則使

3、移動(dòng)通信每年至少損失10億美元，單單自動(dòng)取款機(jī)即ATM業(yè)務(wù)，其相關(guān)的詐騙案每年損失就不下3億美元。這是因?yàn)椋鞣N密碼被破解的概率越來(lái)越高，因?yàn)橥ǔＳ捎谟洃浀脑颍?6%的人會(huì)選用自己或親人的生日、家庭地址、電話號(hào)碼作密碼并長(zhǎng)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(guò)這樣的斷言：生物識(shí)別技術(shù)，即利用人的生理特征，例如指紋、虹膜等來(lái)識(shí)別個(gè)人的身份，將成為未來(lái)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(lái)越多的個(gè)人、消費(fèi)者、公司乃至政府機(jī)關(guān)都承認(rèn)，現(xiàn)有的基于智能卡、身份證號(hào)和密碼的身份識(shí)別系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，生物特征識(shí)別技

4、術(shù)將在未來(lái)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(jī)械鎖到電子鎖，給人類的生活帶來(lái)了重大的改進(jìn)。而如今，“生物識(shí)別技術(shù)”在全球范圍內(nèi)的興起，正在推動(dòng)此行業(yè)的又一次技術(shù)革新，即“指紋鎖”時(shí)代的到來(lái)。在這樣的市場(chǎng)背景下，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于STM32微控制器的指紋識(shí)別系統(tǒng)。1.2課題研究的內(nèi)容基于ARM Cortex-M3的指紋識(shí)別電子門(mén)鎖系統(tǒng)，主要是以ARM Cortex-M3處理器為核心，能實(shí)現(xiàn)以下功能：1、根據(jù)不同的場(chǎng)合，通過(guò)對(duì)進(jìn)入人員指紋的采集與預(yù)先存儲(chǔ)于該系統(tǒng)的指紋信息進(jìn)行對(duì)比、識(shí)別，來(lái)判斷是否準(zhǔn)許該人員進(jìn)入。2、設(shè)有管理員身份對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)限管理，可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)對(duì)指紋信

5、息進(jìn)行查看、修改、增加、刪除、開(kāi)啟、關(guān)閉等操作，以做到對(duì)其進(jìn)行人性化管理。3、良好的人機(jī)交互系統(tǒng)，完美的時(shí)鐘界面和紅外報(bào)警等功能皆由 32寸彩色TFT顯示模塊以及按鍵語(yǔ)音提示模塊所完成，便于用戶操作和管理。4、當(dāng)該系統(tǒng)電量不足時(shí)，具有弱電提醒功能，提示您及時(shí)更換電池。1.3課題研究的意義基于ARMcortex-m3的指紋識(shí)別門(mén)鎖控制系統(tǒng)，用于對(duì)家庭，企業(yè)，學(xué)校，銀行，政府等人員進(jìn)行智能化管理，在學(xué)校里可安裝于學(xué)生宿舍，實(shí)驗(yàn)室，教學(xué)樓或其他重要場(chǎng)所的門(mén)口，保證了在無(wú)人的情況下，對(duì)室內(nèi)重要設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控管理，保障了其安全性，防止他人盜取學(xué)校及個(gè)人的設(shè)備、信息，而且增強(qiáng)了學(xué)校的硬件條件。同時(shí)在本次課程

6、設(shè)計(jì)時(shí)，我們大量用到了所學(xué)的內(nèi)容，從C語(yǔ)言到電子電路，從單片機(jī)到ARM，都有涉及。知識(shí)面廣，應(yīng)用性強(qiáng)是本次設(shè)計(jì)的核心特點(diǎn)，在沒(méi)有任何實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下，我們通過(guò)自己的動(dòng)手能力和鉆研精神將課本知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中來(lái)，雖然在設(shè)計(jì)上或者功能實(shí)現(xiàn)上存在不足，但對(duì)于在校園中的我們來(lái)說(shuō)，最重要的是一種鍛煉，培養(yǎng)一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，希望能對(duì)將來(lái)步入社會(huì)奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)人生價(jià)值！第二章 方案的提出目前，ARM系列芯片的在國(guó)內(nèi)的日益成熟及它的廣泛應(yīng)用，本次硬件設(shè)計(jì)中，我們采用STM32作為控制器的核心，隸屬ARMcortex-m3系列，通過(guò)它來(lái)控制系統(tǒng)中的各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)其功能。2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(gè)模塊，在工作時(shí)各個(gè)模塊根據(jù)得到的信息發(fā)送給該處理器，通過(guò)單片機(jī)把得到的信息處理后反饋給各個(gè)模塊，并執(zhí)行。通過(guò)輸入指紋進(jìn)行驗(yàn)證身份信息，從而控制電子鎖開(kāi)門(mén)。圖1.1 系統(tǒng)總體框圖2.2微控制器的選擇隨著單片機(jī)的發(fā)展，他的性能也在不斷地提高，人們?cè)絹?lái)越關(guān)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(jī)相比，它的性能有明顯的提高。就拿它的位數(shù)來(lái)說(shuō)，不管是51系列單片機(jī)還是AVR、PIC單片機(jī)，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(jié)構(gòu)，它的最高頻率可達(dá)72MHz，是PIC的兩倍，AVR的四倍多，51的幾十倍，可見(jiàn)它的速度及性能有多強(qiáng)。另外它的存儲(chǔ)量大，實(shí)時(shí)性好，價(jià)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(shè)計(jì)采用的STM32F107VCT6微控制器，是STM32系列性能較強(qiáng)的一種芯片，它使用高性能的ARMcortex-m3的32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)256K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。內(nèi)置2個(gè)16通道ADC、4個(gè)16位通用定時(shí)器和1

9、個(gè)PWM定時(shí)器，并且包含標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)的通訊接口：1個(gè)I2C和2個(gè)SPI，3個(gè)USART和2個(gè)UART（3+2），OTGUSB和2個(gè)CAN。具備1個(gè)以太網(wǎng)接口和LQFP100/BGA100的封裝結(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)我們所設(shè)計(jì)的電路，通過(guò)STM32微控制器對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制，下面我們對(duì)各個(gè)模塊逐一進(jìn)行分析。3.1溫度檢測(cè)模塊3.1.1方案設(shè)計(jì)與論證溫度傳感器的種類眾多，在應(yīng)用與高精度、高可靠性的場(chǎng)合時(shí)DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器當(dāng)仁不讓。超小的體積，超低的硬件開(kāi)消，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附

10、加功能強(qiáng)，使得DS18B20更受歡迎。對(duì)于我們普通的電子愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，DS18B20的優(yōu)勢(shì)更是我們學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)和開(kāi)發(fā)溫度相關(guān)的小產(chǎn)品的不二選擇。因此在課題的設(shè)計(jì)中選取DS18B20。3.1.2 DS18B20簡(jiǎn)介DS18B20的溫度檢測(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。其特點(diǎn)： 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。 最高12位分辨率，精度可達(dá)土0.5攝氏度。 12位分辨率時(shí)的最大工作周期為750毫秒。 可選擇寄生工作方式。 檢測(cè)溫度范圍為55°C +125°C (67°F +257&

11、#176;F) 內(nèi)置EEPROM，限溫報(bào)警功能。 64位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便多機(jī)掛接。 多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。序號(hào)名稱引腳功能描述1GND地信號(hào)2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開(kāi)漏單總線接口引腳。當(dāng)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(dāng)工作于寄生電源時(shí)，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(yīng)用1、使用方法由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)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(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序

12、、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫(xiě)命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)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(yīng)用電路中的注意事項(xiàng)(1) 較小的硬件開(kāi)銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件補(bǔ)償，由于DS18B20與微控制器采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。(2) 對(duì)于在單總線上所掛DS18B20的數(shù)量問(wèn)題，一般人們會(huì)誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS18B20，而在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。若單總線上所掛DS18B20超過(guò)8個(gè)時(shí)

13、，則需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，因此，在進(jìn)行蓄電池單體多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)該問(wèn)題要加以注意。(3) 在DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返同信號(hào)。這樣，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，在程序讀該DS18B20時(shí)就沒(méi)有返回信號(hào)，從而使程序進(jìn)入死循環(huán)。因此在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)給 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)。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(yǔ)音模塊3.2.1方案設(shè)計(jì)與論證臺(tái)灣公司最新推出的APR9600語(yǔ)音錄放芯片，是繼美國(guó)IS

14、D公司以后采用模擬存儲(chǔ)技術(shù)的又一款音質(zhì)好、噪音低、不怕斷電、可反復(fù)錄放的新型語(yǔ)音電路，單片電路可錄放32-60秒，串行控制時(shí)可分256段以上，并行控制時(shí)最大可分8段。與ISD同類芯片相比它具有：價(jià)格便宜，有多種手動(dòng)控制方式，分段管理方便、多段控制時(shí)電路簡(jiǎn)單、采樣速度及錄放音時(shí)間可調(diào)、每個(gè)單鍵均有開(kāi)始停止循環(huán)多種功能等特點(diǎn)，同時(shí)保留了ISD2500芯片的一些特點(diǎn)，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(jiǎn)介在APR9600芯片的內(nèi)部，錄音時(shí)外部音頻信號(hào)通過(guò)話筒輸入和線路輸入方式進(jìn)入，話筒可采用普通的駐極體話筒，在芯片內(nèi)話筒放大器（Pre-Amp ）中自

15、帶自動(dòng)增益調(diào)節(jié)（AGC），可由外接阻容件設(shè)定響應(yīng)速度和增益范圍。如果信號(hào)幅度在100mV左右即可直接進(jìn)入線路輸入端，音頻信號(hào)由內(nèi)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(chǔ)器FLASHRAM中。由于FLASHRAM是非易失器件，斷電等因素不會(huì)使存儲(chǔ)的語(yǔ)音丟失。放音時(shí)芯片內(nèi)讀邏輯電路從FLASHRAM中取出信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器送到功率放大器中，然后直接推動(dòng)外部的喇叭放音。廠家要求外接喇叭為16歐姆，實(shí)際試驗(yàn)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(yǔ)音芯片共28個(gè)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(hào)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(fù)端 16：模擬電路正電源17：MICIN 話筒輸入端 18：MICREF 話筒輸入基準(zhǔn)端19：ACC 自動(dòng)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(fù)位/停止鍵或啟動(dòng)/停止鍵2425：模式設(shè)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(shí)物圖 圖3.2.3 ARP9600實(shí)物圖3.2.3 ARP9600

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

18、時(shí)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(gè)鍵來(lái)控制所有的語(yǔ)音段錄放，而且段數(shù)可以足夠多，每段也沒(méi)有時(shí)間限制。只是在選段上沒(méi)有并行控制模式方便。將全功能應(yīng)用電路板上撥碼開(kāi)關(guān)的第2位開(kāi)關(guān)向下?lián)埽?位開(kāi)關(guān)向上撥，第4位開(kāi)關(guān)向上撥，將撥碼開(kāi)關(guān)的第1位置向上撥進(jìn)入錄音模式，按住/M1即開(kāi)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(shí)（/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(jié)

19、束時(shí)即停止放音，必須按一下CE鍵復(fù)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(shí)的/M2有效成為快進(jìn)選段鍵，每按一下/M2即向后移動(dòng)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(shí)現(xiàn)選段放音。按/CE鍵復(fù)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。    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(yǔ)音頻帶、錄放時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)下表，該電阻可以根據(jù)用戶需要的時(shí)間和音質(zhì)效果無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。 振蕩電阻（7腳OSCR）采樣頻率錄放音頻帶錄放音時(shí)間44K4.2KHZ2.1KHZ60s38K6.4KHZ3.2KHZ40s24K8.0KHZ4.0KHZ32s 表3.2.3 ARP9600語(yǔ)音芯片采樣頻率、錄放時(shí)間、錄放音頻帶關(guān)系