隨著電子信息技術應用面日益拓展，不少場合需要對特定用戶群體進行身份識別或身份記錄，如門禁系統、考勤系統、安全認證系統等，在各種系統中運用的技術形式多樣，如視網膜識別、面相識別、指紋識別、RFID射頻識別應用等。其中，生物特徵識別方式以其方便性強、安全性高等特點得到了越來越多人的認可和接受，特別是指紋識別技術方式，現已發展成為應用最廣泛的生物識別技術之一。因此，研究基於嵌入式架構的指紋識別系統具有現實意義和廣闊的應用前景。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/369070.htmARM光學指紋識別系統
系統採用光學指紋傳感器（內建格科微電子有限公司的光學GC0307 CMOS 圖像採集晶片）與ARM Cortex M3 內核意法半導體公司的32 位高性能單片機STM32F205RE 組成功能主體，採用Sobel 邊緣檢測算子、Gabor 濾波、圖像二值化等圖像採集與處理算法對指紋圖像進行識別，構建了小體積的嵌入式指紋識別模塊，具有積木式嵌入、微功耗、程序接口簡單易用、便於二次開發、識別準確度高、高性價比等特點。整個系統設計構成了一體化光學指紋識別模塊。模塊設計採用光學暗背景成像原理，加入特有活體檢測晶片，在解決幹手指效應的同時解決殘留指紋誤識別、橡膠假指紋等問題。
圖1 所示為格科微電子有限公司的光學GC0307 CMOS 圖像採集晶片應用電路原理圖。該款CMOS 圖像採集晶片是高精度、低功耗、微體積的高性能相機的內置式組件，它把實現優質VGA 影像的CMOS 影像傳感器與高度集成的影像處理器、嵌入式電源和高質量的透鏡組結合在一起，輸出JPEG 圖像或圖像視頻流，支持8/10 位數字傳輸JPEG 圖像和YCbCr 接口，提供了完整的影像解決方案。
CMOS 圖像採集芯功能輸出串行數據引腳、時鐘信號引腳、復位引腳、串行總線引腳等都接入到STM32F205RE的GPIO 口， 通過GPIO 口模擬時序讀取CMOS 晶片採集到的圖像信息。由於STM32F205RE 的GPIO 口工作頻率可達120 MHz，因而可以非常準確高效地模擬時序，實測640&TImes;480 的原始圖像能以10 幀/s 的速度採集到主處理器STM32F205RE 中進行圖像處理。
採用ARM處理器作為控制核心，構建指紋識別算法的嵌入式系統的設計方法及過程。該系統採用光學指紋傳感器（內建格科微電子有限公司的光學GC0307CMOS圖像採集晶片）與ARM Cortex M3內核的意法半導體公司32位高性能單片機STM32F205RE組成功能主體，採用Sobel邊緣檢測算子、Gabor濾波、圖像二值化等圖像採集與處理算法對指紋圖像進行識別。經過反覆實踐證明，該方案適合嵌入式組件開發中需要進行生物指紋特徵提取、識別，指紋身份認證、比對等場合。系統具有高性價比且交互簡易、識別率高、擴展性強，便於嵌入式應用。
MBF200固態指紋傳感器
MBF200是富士通公司推出的一款先進的固態指紋傳感器，它除可自動檢測指紋外，還帶有多種接口模式，為電容性傳感器，其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當一個電容板，接觸的手指充當第2個電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當手指觸摸傳感器表面時，指紋的高低不平就會在傳感器陣列上產生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，並形成指紋傳感圖像。採用標準C13MS技術的電容性固態器件，具有500 dpi的解析度，傳感器面積為1.28 cmxl.50 cm.具有自動指紋檢測能力，內含8位模數轉換器，可提供3種總線接口形式。5 V工作電壓下的功耗小於70 mW. 1.2乙太網接口電路設計AT91SAM7X256內部集成有MAC控制器，可支持MII接口和RMII接口。RTL820lBL則是工業級帶有MII接口的10/100 Mb/s低功耗乙太網收發器，25 MHz時鐘輸出，智能降功耗模式，可為系統提供穩定可靠的優質網絡解決方案，為工廠企業及其他惡劣的操作環境架設可支持實時傳輸的乙太網，符合IEEE 802.3u的技術標準。乙太網接口電路原理圖如圖2所示。
圖2乙太網接口電路原理圖
運用單片機指紋識別系統電路模塊設計
利用指紋識別傳感器進行指紋採集與識別，在單片機中對指紋進行處理，用按鍵標誌當前指紋識別的狀態，錄入狀態，識別狀態，清除狀態，用液晶1602能夠顯示當前指紋識別的狀態信息;用繼電器對當前信息進行判斷，例如提醒當前指紋識別錯誤;利用蜂鳴器和LED等提醒當前指紋識別是否正確。
該系統首先由數字攝像頭ov6620採集指紋，並將指紋圖像轉化為數字圖像;然後用16位的飛思卡爾X128單片機對指紋數字圖像進行預處理，再通過圖像增強、分割、平滑、細化等處理過程得到便於指紋特徵提取的數字圖像：接著提取細化後的圖像細節特徵點; 然後將指紋信息數據送入STC89C52單片機中，一塊液晶1602與STC89C52單片機相連，液晶用於顯示當前指紋採集系統的工作狀態和經對比後指紋採集的信息是否正確，用一個蜂鳴器和LED指示燈指示當前採集的指紋信息正確。當採集到的指紋信息正確，蜂鳴器發出響聲並且LED指示燈點亮。
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FPS200固體指紋識別傳感器設計
現有的光學傳感器的體積都較大，成像結果要經過變換才可以使用。該採集系統採用Veridicom公司的FPS200固體指紋識別傳感器設計而成。 FPs200是一種性能優越，功耗低，價格便宜的指紋識別傳感器。由於其特殊的EDS保護，特別窄小的物理尺寸，以及獨特的省電特性，使傳感器尤其適合嵌入式系統使用。主要原理是，在指紋圖像感知區域集成了二維金屬電極陣列，每根電極充當電容一極，在傳感器表面，二極之間有一層鈍化層作為電容的介電層。由於指紋的脊和谷與傳感器接觸時會產生不同的電容值，測量這些不同的數值即形成圖像。
與同類產品相比，FPS200的性能特點如下：
（1）支持多接口模式。FPS200有3種接口模式，8位的系統總線接口，集成全速的USB接口和集成的串行外設接口，使晶片的應用設計更加靈活。晶片集成USB控制器，大大減少了USB電路設計的工作量，同時USB接口協議支持更高的傳輸速率；（2）自動指紋檢測功能。FPS200可自動檢測手指是否放在傳感器上，如果有，則進入工作狀態；否則，進入睡眠狀態。此設計不需輪詢檢測指紋，提高了晶片的丁作效率；（3）FPS200內部包括一個新的二階的A／D轉換器，功耗低（75％）；FPS200傳感器單元間距變小，提高了傳感器陣列的機械強度。
系統採用USB接口模式，設計中請注意：①FPS200的工作電壓是3.3~3．6 V，而USB的供電電壓是5 V，所以要用電壓轉換晶片實施電壓轉換；②FPS200通過MODEl和MODEO 2個引腳來實現接口模式的選擇。在USB接口模式下，將微處理器接口模式和SPI予以屏蔽。此時MODE［1：0］=l0b，採用FPS200內部 ROM；其他部分引腳CS0，CSl，MOSI，MOSO被屏蔽，引腳懸空；XTAL1與XTAL2之間接12MHz晶體電路；FPS200內部的多頻振蕩器不工作。圖2給出FPS200傳感器和系統的連接電路。
系統微處理器模塊採用ARM2440開發系統，該系統採用Samsung公司的ARM處理器S3C2440，由6層板設計。該開發系統在儘可能小的面板上 （120mmx90mm）集成64MBSDRAM，64MB NAND Flash，lMB B00T Flash，RJ一45 網卡，音頻輸入和輸出，USB Host，USB Slave，標準串口，SD卡插座等設備接口，支持LCD／STN液品屏接口，可以接各種單色，偽彩，真彩液晶屏，並含有觸控螢幕接口。通過預留的USB口可實時地將數據導入U盤或者PC機硬碟中。現在的SD卡成本低，容量大，所以存儲模塊採用SD卡進行圖像存儲。液晶顯示模塊採用Samsung公司的3．5寸TFT（帶觸摸），通過液晶屏的觸摸功能或USB滑鼠，可以方便的對測試系統進行窗口化操作。
指紋識別系統電路
工作原理：當指紋傳感器收到指紋信息，將通過串口給單片機發送命令，單片機同意並接收相應的信息，指紋傳感器採集的指紋轉換成RGB格式，並且數據傳輸到單片機，單片機通過存儲在EEPROM中的固化程序執行大量的模式識別和圖像處理相關計算，當用戶的指紋被確認，單片機將命令執行機構動作，開關開。硬體特性：80C51單片機是在8051的基礎上發展起來的，8051單片機與80C51單片機從外形看是完全一樣的，其指令系統、引腳信號、總線等完全一致（完全兼容），主要差別就在於晶片的製造工藝上。80C51的製造工藝是在8051基礎上進行了改進。 8051系列單片機採用的是HMOS工藝：高速度、高密度； 80C51系列單片機採用的是CHMOS工藝：高速度、高密度、低功耗；
採用8051作為指紋識別系統的核心處理器，使用單片機內部的4K程序存儲器，接+5V電源。 復位電路則採用簡單RC復位電路，同時又可與一些需要復位的外圍電路相連，達到復位與單片機同步。 /EA/Vpp為訪問內部或外部程序存儲器的選擇信號。由於8051單片機有4K的內部程序存儲器，又外接了128Kx8的EEPROM存儲器，故該引腳必須接+5V高電平。/PSEN為外部程序存儲器讀選通控制信號。此電路中無擴展程序存儲器。故該腳懸空。 串口通信接口設計採用MAX232實現TTL與RS-232的轉換，實現與計算機通信。
電源電路
當指紋識別系統工作時，需要+5V電源，為了使整個系統結構緊湊，在本設計中，將220v交流電源到+5V直流電的轉換電路和識別控制器集成在一塊電路板上，其中的電路原理圖：
當220V通過變壓器後，得到10伏電源Vi，在電路的輸入端與公共地之間，加上經整流後的不穩定直流電壓Vi，在輸出端便能得到固定的輸出電壓。為了改善紋波特性，在輸入端外接電容，一般i C取值為0. 33uF，並緊接在穩壓塊的 輸入端；在輸出端連接電容0 C，這樣可以改善輸出電壓的紋波特性，一般0 C選 為0. 1 uF 。
編輯點評：針對目前的指紋識別設別存儲量小、處理速率慢的現狀，採用高性能的51系統單片機作為處理核心，實際實現了一款高性能的網絡指紋採集識別終端。系統利用數據處理伺服器海量存儲及處理速度高，可實現快速複雜匹配算法的優點，系統採集蘇率高，識別性能好。總的來看，本文主要介紹了ARM光學指紋識別系統、MBF200固態指紋傳感器、FPS200固體指紋識別傳感器以及8051指紋識別系統電路設計，側重於電路路原理分析與過程詳解，以供讀者品讀。