滑動(dòng)式指紋識(shí)別模塊ＴＣＳ３Ｃ－ＴＣＤ４２Ａ的單片機(jī)控制

摘要：介紹了利用單片機(jī)Atmega48與指紋識(shí)別模塊TCS3C-TCD42A構(gòu)建小型指紋識(shí)別系統(tǒng)的全過(guò)程，簡(jiǎn)要介紹了TCS3C-TCD42A模塊的功能和特點(diǎn)，給出了指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。論述了單片機(jī)時(shí)指紋識(shí)別模塊的控制。包括單片機(jī)與模塊的接口方法、通信協(xié)議、主程序、接收中斷處理模塊和通信處理模塊的編程思路及注意事項(xiàng)。該系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中，運(yùn)行穩(wěn)定，通信性能良好，已經(jīng)成功應(yīng)用于指紋保管箱產(chǎn)品中。

關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別模塊；串口通信協(xié)議；單片機(jī)；AUnega48

0 引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的場(chǎng)合需要身份確認(rèn)，而傳統(tǒng)的身份識(shí)別技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。指紋識(shí)別作為一種新興的鑒別個(gè)人身份的方法，已經(jīng)廣泛地在安全部門(mén)得到應(yīng)用。由于指紋具有不可復(fù)制性、惟—性、穩(wěn)定性的特點(diǎn)，所以得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。目前世界上許多公司和科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行指紋識(shí)別技術(shù)的研究，并取得了一定的成果，推出了許多指紋產(chǎn)品。這些產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始在部分民用領(lǐng)域得到應(yīng)用，如用于指紋門(mén)禁，指紋考勤，指紋保管箱等。信息社會(huì)的到來(lái)，使指紋識(shí)別系統(tǒng)在身份認(rèn)證方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前國(guó)內(nèi)大多采用光學(xué)按壓式和晶體電容按壓式兩種指紋傳感器，兩者共同的缺點(diǎn)是體積較大，無(wú)法應(yīng)用在體積較小的電子產(chǎn)品中。本文要介紹的是一款滑動(dòng)式指紋識(shí)別模塊：TCS3C-TCD2A，它不要求用戶(hù)在驗(yàn)證時(shí)按壓指紋，而只要將手指輕輕刷過(guò)傳感器表面，傳感器便能自動(dòng)對(duì)手指進(jìn)行連續(xù)的“快照”，然后這些快照被組合在一起，形成清晰的指紋影像。這種采集指紋的效果與按壓式指紋傳感器相當(dāng)，但它無(wú)需用力按壓，使用更加方便。

1 TCS3C—TCD42A簡(jiǎn)介

TCS3C-TCD42A是美國(guó)UPEK公司的產(chǎn)品(TouchStrip芯片組)，其中TCS3C是—個(gè)長(zhǎng)條狀的滑動(dòng)式指紋傳感器。用于提取指紋圖像數(shù)據(jù)。TCD42A為高性能32位RISC芯片。為指紋處理和通信芯片，其內(nèi)部有4K的非易失性(NVM)內(nèi)存可供用戶(hù)存儲(chǔ)指紋信息。TCD42A集成了PeffectPrint算法捕獲手指滑過(guò)傳感器時(shí)的指紋數(shù)據(jù)后形成指紋圖像。該算法補(bǔ)償速度、平移、旋轉(zhuǎn)方面的變化，將其規(guī)格化為最優(yōu)質(zhì)的指紋圖像，配合其集成的PerfectMatch指紋模板提取和匹配算法，使用戶(hù)能夠獲得可靠的指紋識(shí)別效果。TCD42A還具有和上位機(jī)通信的功能，用戶(hù)按照通信協(xié)議，可開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)。TCS3C和TCIM2A的實(shí)物圖如圖l所示。

TCS3C的特點(diǎn)如下：

(1)CMOS有源電容像點(diǎn)傳感技術(shù)；

(2)最大手指滑動(dòng)速度：20cm／S；

(3)圖像灰度：8位；

(4)圖像分辨率：508dpi；

(5)體積：17，65x 5xl 87ram；

TCD2D42A的特點(diǎn)如下：

(1)32位RISC結(jié)構(gòu)；

(2)處理速度可達(dá)96 MIPS；

(3)4KB的非易失性?xún)?nèi)存可供存儲(chǔ)指紋特征數(shù)據(jù)；

(4)體積：lOxloxl 26 mnl；

(5)接口方式：UART和USB。

2 指紋識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成

電路采用Atmega48單片機(jī)作為控制核心。Atmega48是一款8位微控制器，具有高性能、低功耗的顯著特點(diǎn)。由于采用RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，其指令集大多為單周期指令，具有高速運(yùn)行的特點(diǎn)。3V供電時(shí)。未使用內(nèi)部看門(mén)狗的情況下，Atmega48的典型掉電電流小于luA，而且該單片機(jī)在1.8V一5.5V的電壓范圍內(nèi)均能正常工作，片內(nèi)自帶4K字節(jié)的flash、256字節(jié)的E2PROM，以及512字節(jié)SRAM并內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器、看門(mén)狗、3個(gè)16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器。

Atmega48作為上位機(jī)負(fù)責(zé)和TCD42A的通信。由它下達(dá)指紋登錄、比對(duì)、刪除等命令給TCD42A。TCD42A返回結(jié)果給Atmega48，以便上位機(jī)及時(shí)給用戶(hù)提示，如LED閃爍、蜂鳴器蜂鳴、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等。指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

TCS3C與TCD42A通過(guò)一條12Pin，0.Snlnl間隔的軟排線(xiàn)連接，TCD42A通過(guò)一條7Pin，0.Smm間隔的軟排線(xiàn)和單片機(jī)連接。TCD42A的U_TXl和U_RXl分別和Atmega48的RXD和TXD連接進(jìn)行串口通訊。

由于TCD42A需要一個(gè)至少持續(xù)20ms的BREAK信號(hào)(持續(xù)的低電平)重啟，所以將Atmega48的PD4作為T(mén)CD42A的Wakeup信號(hào)。TCD42A被喚醒后，發(fā)送復(fù)位應(yīng)答幀，表示已經(jīng)可以通信了。TCD42A與單片機(jī)之間按照下面的通信協(xié)議進(jìn)行通信。在實(shí)際應(yīng)用中建議BREAK信號(hào)保持50ms以上。

3 通信協(xié)議

參照通訊網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)7層模式，TCS3C-TCD42A指紋識(shí)別模塊與上位機(jī)交互時(shí)，使用4層通信模型(參見(jiàn)表1)。

該模塊支持串u和USB口兩種通信方式。協(xié)議的字節(jié)順序?yàn)閘ittle_endian，即低地址存放最低有效字節(jié)(LSB)。TCD42A的UART是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用異步收，發(fā)接口，此接口讓用戶(hù)進(jìn)行指令發(fā)送和通訊。接口默認(rèn)的通信速率為9600bps，根據(jù)需要，還可以設(shè)置為19200bps、38400bps、57600bps、115200bps、230400bps。

3.1 字節(jié)填充與字節(jié)替換

在此通信協(xié)議中，一些字符被保留為特殊用途，如XON／XOFF，DLE。STX除幀頭(Ox02)不需要特殊處理外，不論上位機(jī)還是模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)前，均需對(duì)字符XON、XOFF、DLE、STX作字節(jié)填充。填充規(guī)則如表2所示。

和字節(jié)填充相反，上位機(jī)或模塊在收到數(shù)據(jù)后，除第一個(gè)字節(jié)(0x02)不需要處理外，對(duì)于特殊的2個(gè)字符要作字節(jié)替換。字節(jié)替換規(guī)則為字節(jié)填充的反變換。

3.2 鏈路層

鏈路層的幀格式如下所示：

STX+Header+Data+CRC

STX是—個(gè)字節(jié)(Ox02)，是幀的開(kāi)始標(biāo)志。

Header的長(zhǎng)度為3個(gè)字節(jié)，其中：

Header：

Bits 0-3：幀類(lèi)型，共有12中數(shù)據(jù)類(lèi)型，如數(shù)據(jù)幀、請(qǐng)求等待時(shí)間擴(kuò)展幀等；

Bits 4-7：保留，必須置為O；

Header：

Bits 0-2：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度高位(參見(jiàn)Header[2])；

Bit 3：保留，必須置為0；

Bits 4-7：為數(shù)據(jù)幀的模16計(jì)數(shù)，系統(tǒng)復(fù)位后初始值為0，其他類(lèi)型幀時(shí)將其置為0。

Header：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度低位，和Header[1]里的3位組成ll位的域。

Data：傳輸層和應(yīng)用層數(shù)據(jù)，在字節(jié)填充前最大長(zhǎng)度為2047個(gè)字節(jié)。

CRC的長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié)，其值是對(duì)Header和Data的字節(jié)在進(jìn)行字節(jié)填充前作CRC校驗(yàn)得到的。CRC類(lèi)型為依照CCI'VI\"V，41標(biāo)準(zhǔn)的CRCl6。特別要說(shuō)明的是，若CRC的2個(gè)字節(jié)中出現(xiàn)了上述的特殊字符，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)也要進(jìn)行字節(jié)填充。

3.3 傳輸層

傳輸層的第一包數(shù)據(jù)格式如下所示：

Header+Packet+Length+Data

Header占1個(gè)字節(jié)，它的各位功能如表3所示。

Bit 4為1時(shí)表示此幀為傳輸層服務(wù)幀；

Bit 4為0時(shí)表示此幀不是傳輸層服務(wù)幀。

Packet Length：此為可選擇的2個(gè)字節(jié)，它和來(lái)自Header的2位合起來(lái)表示應(yīng)用層的長(zhǎng)度；

Data：應(yīng)用層的數(shù)據(jù)。

3.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層的幀格式如下所示：

Tag+Data

Tag的長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)，在此描述為32位的整型值，其中：

Bits 28-31：

(CL_COMMAND)0000：表示此為上位機(jī)要求模塊執(zhí)行命令；

(CL RESPONSE)0001：表示模塊對(duì)上位機(jī)命令的響應(yīng)；

(CL_GUI_CALLBACK)0010：表示此為模塊的GUI回調(diào)包；

(CL_GUI_RESPONSE)0011：表示上位機(jī)對(duì)GUI回調(diào)包的響應(yīng)。

Tag的剩余28位根據(jù)高4位的不同而具有不同的意義：

若高4位是CL COMMAND，則Bits 16-27為命令碼，其余位為0；

若高4位是CL_RESPONSE，則Bits 16-27為命令碼，Bits0-15為錯(cuò)誤，狀態(tài)碼，狀態(tài)碼為0表示成功。

高4位是0010或0011時(shí)，Tag的其他位均為0。

3.5 具體數(shù)據(jù)包分析示例

若上位機(jī)發(fā)送列舉所有指紋命令給指紋識(shí)別模塊，實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)如下：

02 00 00 07 28 04 00 00 00 0D 10 03 FC 6A

具體數(shù)據(jù)意義分析如表4所示：

4 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)采用IAR公司的IAR EmbeddedWorkbench V4，21 for Atmel AVR.它集成了開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)所需要的文件編譯、項(xiàng)目管理、鏈接和調(diào)試工具。IAR EmbeddedWorkbench系列適用于開(kāi)發(fā)基于8位、16位、32位微處理器的嵌入式系統(tǒng)，其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境具有統(tǒng)一的界面，為用戶(hù)提供了一個(gè)易學(xué)、易用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。IAR公司提出了“不同架構(gòu)，惟一解決方案”的理念，用戶(hù)可以針對(duì)多種不同的耳標(biāo)處理器，在相同的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行基于不同CPU的嵌入式系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)，有效地提高了工作效率，節(jié)省了工作時(shí)間。IAR一貫使用精簡(jiǎn)的優(yōu)化技術(shù)，其生成的可執(zhí)行代碼的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其他同類(lèi)編譯器生成代碼的數(shù)量，可以運(yùn)行于更小尺寸、更低成本的處理器上，從而降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。

4.1 主程序

軟件程序包括主程序和中斷服務(wù)程序。采用模塊化設(shè)計(jì)方法，各模塊之間相對(duì)獨(dú)立，這樣可以使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。主程序流程圖如圖3所示。其中初始化完成開(kāi)中斷、設(shè)置定時(shí)器和串口、初始化驅(qū)動(dòng)集成電路、指紋識(shí)別模塊復(fù)位等工作。電量檢測(cè)及處理模塊進(jìn)行電池電量檢測(cè)，若電池電量不足發(fā)出報(bào)警聲音以提示用戶(hù)更換電池。程序根據(jù)用戶(hù)按下的登錄、驗(yàn)證或刪除鍵由通信處理模塊進(jìn)行不同的處理。若用戶(hù)在按下登錄或者驗(yàn)證鍵后不作任何操作，程序在達(dá)到最大等待時(shí)間(10S)后將自動(dòng)關(guān)機(jī)。蜂鳴器提示模塊、LED指示模塊將根據(jù)通信處理模塊的結(jié)果提示用戶(hù)操作結(jié)果。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在等待2s后自動(dòng)關(guān)機(jī)。

為了能讓單片機(jī)及時(shí)響應(yīng)和控制指紋識(shí)別模塊，盡量減少通信所占用的CPU時(shí)間，筆者在設(shè)計(jì)單片機(jī)通信程序時(shí)。將通信程序分為接收中斷處理模塊和通信處理模塊2部分，并將這2個(gè)模塊巧妙地進(jìn)行組合，從而構(gòu)成整個(gè)單片機(jī)的通信程序。

4.2 接收中斷處理模塊

接收中斷處理模塊主要負(fù)責(zé)接收指紋識(shí)別模塊發(fā)送到單片機(jī)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，字節(jié)替換在此模塊內(nèi)進(jìn)行。單片機(jī)接收到規(guī)定的字符數(shù)后，置接收完畢標(biāo)志，以表明接收緩沖區(qū)中有待處理的數(shù)據(jù)并請(qǐng)求通信處理模塊對(duì)其進(jìn)行處理。接收中斷處理模塊流程圖如圖4所示。

4.3 通信處理模塊

通信處理模塊放在主程序中調(diào)用，根據(jù)用戶(hù)的按鍵不同，向指紋識(shí)別模塊發(fā)送不同的命令。發(fā)送的命令主要有列舉指紋用戶(hù)、登錄指紋、驗(yàn)證指紋、刪除指紋等。特別要說(shuō)明的是由于程序規(guī)定最大用戶(hù)數(shù)為10，所以在登錄指紋用戶(hù)前要先向指紋識(shí)別模塊發(fā)送列舉指紋用戶(hù)命令，只有在指紋用戶(hù)數(shù)小于最大用戶(hù)數(shù)時(shí)才可以登錄。由于此系統(tǒng)用于指紋保管箱，所以在驗(yàn)證用戶(hù)也需要列舉用戶(hù)。如果指紋識(shí)別模塊內(nèi)沒(méi)有指紋用戶(hù)的話(huà)，任何人都可以開(kāi)箱(指紋保管箱在初始狀態(tài)下是沒(méi)有指紋用戶(hù)的，所以任何人都可以開(kāi)箱)。

通信處理模塊負(fù)責(zé)向指紋識(shí)別模塊發(fā)送命令和響應(yīng)來(lái)自模塊的數(shù)據(jù)包。串口發(fā)送采用查詢(xún)方式。筆者認(rèn)為此處沒(méi)有必要采用中斷，因?yàn)槌绦虻拈_(kāi)銷(xiāo)是差不多的。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)和字節(jié)填充。通信處理模塊在接收到指紋識(shí)別模塊送來(lái)的一串完整數(shù)據(jù)后，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，在通過(guò)CRC校驗(yàn)后根據(jù)不同的數(shù)據(jù)作出不同的響應(yīng)。若超時(shí)沒(méi)有收到數(shù)據(jù)或者CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則通信處理模塊重發(fā)命令或者響應(yīng)幀。

指紋登錄時(shí)用戶(hù)至少需要在指紋傳感器上劃三次指紋，上位機(jī)控制LED提示用戶(hù)。指紋識(shí)別模塊對(duì)三次錄入的指紋綜合處理提取特征，生成指紋模板存于TC42A。如果用戶(hù)的指紋質(zhì)量不好。則手指劃動(dòng)次數(shù)會(huì)超過(guò)3次。為了提高登錄的成功率，程序沒(méi)有限制手指劃動(dòng)的次數(shù)，只要模塊端不上傳登錄失敗數(shù)據(jù)包，用戶(hù)可一直登錄，直到超過(guò)最大等待時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了單片機(jī)與指紋識(shí)別模塊之間進(jìn)行異步串行通信的解決方案。此方案在實(shí)際使用過(guò)程中，運(yùn)行穩(wěn)定，通信性能良好。從整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以看出：基于TCS3C-TCD42A的指紋識(shí)別模塊采用Atmega48作為上位機(jī)，具有體積小巧、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于指紋保管箱產(chǎn)品中。本文提出的基于TCS3C-TCD42A的指紋識(shí)別系統(tǒng)是把采集、處理、控制于一身的系統(tǒng)，可以做得很小，也適合用于防盜門(mén)、高檔的汽車(chē)門(mén)、汽車(chē)遙控器、手機(jī)、PDA等產(chǎn)品中。