基于指紋識別的sims的設計與實現——畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 波特率固定為 57600bps， 接收的數據格式如表 所示。 表 讀卡器數據格式 字節 卡號長度 +5 卡號長度 +44 3 2 1 數據 0X03 最大長度為 10 位有效卡號 0X10 0X0B 0X02 由于不同的卡的卡號長度并不一致，目前高校中卡號最長為 8 位，在設計時擴大到 10 位，這樣對于長度為 10 位有效位數的卡也能正確識別。 可監控 USB攝像頭 攝像頭主要用于采集學生的照片信息、周圍場景監控等。任務管理中心使用中天凌志 帶云臺可旋轉攝像頭 ICAM01，該攝像頭具有 38W 像素，可以在遠程控制旋轉、傾斜運動下 獲得高質量的彩色圖像。同時，此攝像頭具有高速、在寬視場范圍內旋轉或傾斜運作安靜，可以快速穩定地自動聚焦及自動曝光來控制背光補償，對于光線不好的環境同樣適用。 該攝像頭自帶云臺，可以左右旋轉 320 度，上下傾斜 60 度，視場范圍廣。并而完全支持 接口，可以用作視頻監控。 對于普通采集用戶信息的攝像頭，可以使用普通免驅動攝像頭，即方便操作，照片也清晰。 本章小結 本章詳細介紹了系統的需求分析和系統的大致框架構成，通過分析，把系統分為兩個部分：任務管理中心和端系統。通過對比，分析了與系統相關設備的選型。基于指紋識別的 SIMS的設計與實現 第 3章 任務 管理中心軟硬件分析與設計 在上一章中， 介紹了系統的需求分析及整個系統的總體框架設計。在本章中，詳細介紹任務管理中心的軟件和硬件設計，以及服務器的構建。 任務管理中心硬件分析與設計 為了使系統能夠方便攜帶到任何地方，任務管理中心 可以 使用小型筆記本代替，但是目前筆記本的 USB 接口也并不多，更沒有串口。系統中的外設如讀卡器、指紋識別器、攝像頭的接口并不統一，因此需要設計相應的硬件對接口進行擴展。 系統啟動工作一段時間后，可能有較長時間都不進行任何操作，為了延長系統的使用壽命和降低功耗，在設計中采用 STC12C5A60S2 單片機進行 外設 管理，當系統在一定的時間內沒有操作時，關閉讀卡器和指紋識別器的電源，卸載USB 攝像頭驅動；當需要重新啟動時，只需要輕輕按動指定的開關，即可打開電源，讓系統繼續工作。 在系統的接口方面，讀卡器和指紋識別器都是通過串口進行數據操作的，USB 攝像頭可以直接連接到 USB 接口。因此需要擴展 USB 口，使用 USBHUB將 USB 擴展到 4 個，再將其中的兩個 USB 轉為串口，接照接口接入到指定的設備即可。 USBHUB 電路設計 利用 TERMINUS 公司生產的 芯片可以設計出高集成度、高性能、低功耗、低成本的高速 USB 轉 4 端口集線器方案。該芯片具有 28 個引腳，SSOP28 封裝，可以使 4 個端口同時全速運作，而且發熱量很小 [8]。 具有其它同類產品不可超越的優勢： 1. 省電且發熱量低。 2. 信號傳輸范圍廣，最遠可以到 10 米，而同類產品一般都是 5 米。 3. 支持最多 5 個 LED 指示燈。 4. 抗電磁波干擾、靜電能力強。 5. 正式通過 USBIF 協會最新版的認證芯片。 芯片的使用非常方便，只需要簡單的電路設計即可以實現，其接口基于指紋識別的 SIMS的設計與實現 電路圖如圖 所示。 圖 接口電路圖 上圖中 CH_D,CH_D+和 ZW_D,ZW_D+連接到 USB轉串口 CH340T芯片。同時提供兩個獨立的 USB 接口 USB1， USB2； J4 為進入系統的 USB 接口，系統與 PC 機通過此接口通信。 STC12C5A60S2 電路設計 STC12C5A60S2 是宏晶科技生產的單時鐘周期 (1T)的單片機，是高速低功耗、抗干擾能力超強的新一代 8051 單片機 [9]，指令代碼完全兼容傳統的 8051，但速度快 812 倍，使用此類單片機，具有以下優點： 1. 增強型 8051 CPU， 1 個時鐘周期，指令代碼完全兼容傳統 8051。 2. 共有 4 個 16 位定 時器，使用方便。 3. 共有兩個全雙工高速串行通信口，方便對串口編程。 基于指紋識別的 SIMS的設計與實現 4. 內部集成 MAX810 專用復位電路。 系統中單片機的連接電路圖如圖 所示， BEEP 連接到外部蜂鳴器，CARD_RXD、 CARD_TXD 連接到一卡通讀卡器串口， JDQ 連接到 5V 繼電器，控制指紋識別模塊和讀卡器的電源， RST_ZW 連接指紋識別器的復位引腳，用于重啟指紋識別器， MCU_INT1 連接一按扭，用于外部中斷喚醒 CPU，MCU_RXD、 MCU_TXD 為單片機與 PC 通信及下載程序所用串口， Temp 連接到溫度傳感器 DS18B20。 圖 STC12C5A60S2 接口電路圖 其中繼電器工作電路如圖 所示， POW_5V 為指紋模塊和讀卡器的電源，如果繼電器關閉，則電源斷開。圖 為單總線溫度傳感器 DS18B20 接口電路。 基于指紋識別的 SIMS的設計與實現 圖 繼電器工作電路圖 圖 DS18B20 接口電路圖 由于一卡通讀卡器的外部接口為標準 9 針串口輸出，在單片機的接收電路中，需要加入 RS232 協議轉換芯片 MAX232[10]，該芯片接口電路簡單，可以同時將兩對信號進行轉換，其連接電路圖如圖 所示，其中 CARD_IN 為讀卡器輸入信號。 圖 RS232 協議轉換電路圖 USB轉串口電路設計 CH340T 是一個 USB 總線轉接芯片，實現 USB 轉為串口、 USB 轉 IRDA 紅外或者 USB轉打印口，它具有以下一系列優點。 1. 全速 USB設備接口，兼容 USB ，外圍元器件只需要晶振和電容。 2. 仿真標準串口，用于升級原串口外圍設備，或者通過 USB 增加額外串基于指紋識別的 SIMS的設計與實現 口。 3. 與計算機端 Windows操作系統下的串口應用程序完全兼容，無需修改。 4. 硬件全雙工串口，內置收發緩沖區，支持通訊波特率 50bps~2Mbps。 5. 支持常用的 MODEM聯絡信號 RTS、 DTR、 DCD、 RI、 DSR、 CTS。 6. 支持 5V電源電壓和 。 7. 提供 SSOP20 無鉛封裝，兼容 ROHS。 系統中使用兩個 CH340T 轉換成兩路串口，其中一路用于 STC12C5A60S2的串口 0，作為單片機的程序下載口及通信口；另一路用于與指紋識別器連接，使用 CH340T可以大大簡化電路設計，設計電路如圖 所示。 圖 CH340T USB轉串口電路 PCB電路板布局 任務管理中心硬件電路主要使用 8051 單片機 STC12C5A60S USB 集線器、 USB 轉串口芯片 CH340T 實現，電路簡單， PCB 布局時采用雙層電路板設計，雙面鋪銅。由于電路板內要求連接 USB 差分總線，因此在布線時要盡量保證差分線等長 [11]，這樣抗干擾及穩定性能都會有大大提升。 在系統中使用繼電器來控制指紋識別模塊和讀卡器電源，由于繼電器工作時會產生干擾，因此在元件布局時要盡量遠離高速信號線，放置在 PCB 板的邊緣處，任務管理中心 PCB整體布局效果及覆銅后效果如圖 、 所示。 基于指紋識別的 SIMS的設計與實現 圖 任務管理中心 PCB布局效果圖 圖 任務管理中心 PCB覆銅效果圖 基于指紋識別的 SIMS的設計與實現 STC12C5A60S2 單片機軟件設計 通過硬件設計，任務管理中心的結構圖如圖 所示， PC 機與外部接口只需要連接一根 USB 接口信號線，這對于目前便攜式小型電腦同樣可以使用，只需要連接上一個 USB接口，即可實現雙方通信。 圖 任務管理中心硬件結構圖 從上圖中可以看到，通過 USB HUB 和 USB 轉串口控制器，轉為兩路串口：串口 0 和串口 1。串口 0 用于與 STC12C5A60S2 單片機進行通信，對單片機在線編程也是通過串口 0 進行，非常方便。串口 1 直接連接到了指紋識別模塊，保證數據的高速傳輸。 由于該單片機帶有 兩個串口，其中一個串口用于與 PC 機通信及下載程序使用，另一個串口連接到一卡通讀卡器設備，通信波特率規定為 57600bps，讀卡器只讀取卡號，并把卡號發送到單片機端，單片機并不對卡號進行任何處理，直接把數據通過串口 0 發送到 PC 機，由 PC 機進行處理。 單片機通過對繼電器的控制來操作指紋識別和讀卡器的電源，當繼電器斷開時，電源關閉；當繼電器連接時，電源打開。單片機在下面的情況里會把接口的電源關閉。 1. 與主機通信失敗。 2. 主機長時間沒有操作。 3. 主機當前沒有使用指紋模塊、一卡通模塊。 4. 主機命令關閉外設電源。 5. 單片機非正常 工作情況。 其中與主機通信失敗和主機當前沒有使用指紋模塊、一卡通模塊的情況是一樣的，此時單片機發送命令到主機，主機都不會響應命令，通過設置計時器超時重發來判斷主機狀態，從而確定是否關閉電源，對應通信協議如圖 所示；在系統啟動時，單片機同時啟動定時器，監視用戶操作，如果用戶大于一定時間基于指紋識別的 SIMS的設計與實現 還沒有任何操作，通過查詢主機狀態，判斷是否關閉電源，在通信過程中如果出現主機超時無響應情況時，按照超時情況進行處理，對應通信協議圖如圖 所示。 圖 主機通信失敗協議 圖 查詢狀態通信協議 同樣，當系統處理下面情況時，單片機會把接口的電源打開。 1. 主機請求打開外設電源。 2. 用戶按鍵請求。 PC 主機可以通過命令請求打開外設電源，單片機收到命令后進行相應的操作并返回狀態響應，對于超時情況， PC 主機可以重發命令，如果重發還是接收不到響應命令，就認為與單片機失去聯系。 通過按鍵也可以請求打開外設電源，按鍵接到單片機外部中斷請求 INTR1引腳，如果用戶按下按鈕，打開 LED 指示燈，再通過發送命令查詢主機當前的狀態，判斷是否需要打開外設電源，詳細流程如圖 所示。 具體 在 配置 STC12C5A60S2 單片機時，主要實現對兩路串口、四個 16 位定時器、外部中斷及單片機休眠模式進行配置，其中串口 0 用于與 PC 機通信，串口 1 用于讀取一卡通讀卡器數據，由于讀卡器工作在 57600bps 波特率下，故配置串口 0、串口 1 的波特率都為 57600bps。 基于指紋識別的 SIMS的設計與實現 圖 用戶按鍵請求打開外設電源流程圖 四個定時器的配置及功能如表 所示，從表中可以看到系統主要使用了單片機的定時器 0 和定時器 1，其余兩定時器空閑。 表 定時器使用功能對照表 名稱 功能 配置模式 定時器 0 系統空閑時間計時 ，超時時間計時 定時器中斷 定時器 1 串行接口 0 的波特率發生器 ,產生 57600bps 波特率發生器 定時器 2 空閑 未配置 定時器 3 空閑 未配置 STC12C5A60S2 單片機可以配置成休眠模式或空閑模式，在此模式下，單片機停止各引腳功能，只打開可喚醒單片機的部分引腳功能，功耗非常低。在系統工作中，如果用戶長時間沒有操作，而且通過查詢主機允許進入休眠模式時，單片機進行休眠模式，此時，可以通過外部按鈕重新喚醒單片機，使其進入正常工作狀態。 基于指紋識別的 SIMS的設計與實現 對 STC12C5A60S2 單片機主要配置代碼及相關注解如下。 void serial_port_initial() { SCON = 0X50。 //串口 1 工作在方式 1，允許接收 ,8位可變波特率，無奇偶校驗位 S2CON= 0X50。 //串口 2 工作在方式 1，允許接收 ,8位可變波特率，無奇偶校驗位 TMOD = 0X21。 //定時器 1 為 8 位自動重裝計數器， 定時器 0 方式 1 TCON = 0X02。 //INT0 有中斷，并且是低電平觸發 PCON = 0X00。 //SMOD 為 0 EA = 1。 //總中斷打開 ES = 1。 //允許串口 1 中斷 IE2 = 0X01。 //允許串口 2 中斷 ET0= 1。 //定時器 0 中斷打開 EX0 = 1。 //中斷 0 打開 TH1 = BPS。 //設置定時器 1 自動重裝數， 2 個串口 TL1 = BPS。 BRT = BPS。 AUXR =0X11。 TH0 = 0XD8。 //定時器 0 初值，定時 5 分鐘進行一次查詢 TL0 = 0X00。 TR1=1。 //定時器 1 開始工作 TR0=0。 //定時器 0 計數 } 遠程服務器搭建 為了共享系統數據庫，增加系統并發用戶數，設計中把系統數據庫安裝在遠程一服務