指纹采集仪

时间：2022-02-09 理论教育版权反馈

【摘要】：光学指纹采集器使用最早最普遍。超声波指纹采集器应该是最准确的指纹采集器，也称第三代指纹采集器，但目前技术上还不够成熟。四指指纹采集仪又名警用活体四联指指纹采集头。半掌掌纹采集仪。掌纹采集仪也可以作为十指指纹采集仪来使用，配套有指纹系统软件进行身份识别。实现一个使用USB接口与主机通信的高性能指纹采集仪是指纹采集仪的目的。②指纹采集仪系统硬件设计。

2.4.1　指纹采集仪

1.指纹采集仪按技术分类

按技术分类，目前常用的指纹采集仪有光学式、硅芯片式、超声波式等几类。

(1)光学式。光学指纹采集器使用最早最普遍。光电转换的CCD器件有的已换成CMOS成像器件，从而省略了图像采集卡直接得到的数字图像。该设备具有寿命长，对温度环境因素适应能力强、分辨率较高的优点。但由于受光路限制，通常有较严重的光学畸变。同时，CCD器件还有因老化而降低图像质量的缺陷。

(2)硅芯片式。硅芯片指纹采集器出现是在20世纪90年代末，也称第二代指纹采集器。硅芯片一般是测量手指表面的直流电场。这个电场经A/D转换后成为灰度数字图像。一些先进的硅芯片可以测量真皮皮肤的交流电容，其图像质量好、尺寸小，容易集成到其他设备上。缺点是耐用性差、环境适应性不好，环境恶劣时，抗静电能力、抗腐蚀能力、抗压力等均不足，而且图像面积小，将降低识别的准确性。

(3)超声波式。超声波指纹采集器应该是最准确的指纹采集器，也称第三代指纹采集器，但目前技术上还不够成熟。这种采集器发射超声波，根据经过手指表面、采集器表面和空气的回波来测量反射距离，从而可以得到手指表面凹凸不平的图像。超声波可以穿透灰尘和汗渍等，从而得到优质的图像。由于其尚未大量使用，因此很难准确评价它的性能。然而，一些实验性的应用指出，这种采集器具有优越的性能。它吸收了光学采集器和硅芯片采集器的长处，具有图像面积大、使用方便、耐用性好等优点。

2.指纹采集仪按类型分类

指纹采集仪按类型可以分为:四指指纹采集仪、二代四指指纹采集仪、半掌掌纹采集仪、全掌掌纹采集仪、滚动指纹采集仪。

(1)四指指纹采集仪。四指指纹采集仪又名警用活体四联指指纹采集头。SDL光电四指指纹采集头专门为十指指纹采集仪设计，它是一种光学式采集头，有足够大的采集窗口，可以一次同时采集四指(食指、中指、无名指和小拇指)，还可以三面滚动采集大拇指指纹。

2007年，美国开始在入境口岸采集外国游客所有手指的指纹信息，实施十指指纹采集。现在，许多欧洲、美洲、亚洲甚至非洲国家开始仿效，十指指纹采集不仅用于海关，还用于公安、刑侦、金融、机场码头等，甚至是新一代身份证，有些国家的身份证正在考虑集成十指指纹信息。

(2)二代四指指纹采集仪。二代四指指纹采集仪又名二代警用活体四联指指纹采集头。改进版的四指指纹采集头对上一代采集头进行了优化和升级，缩小了体积，适用于对体积高要求的场合。

(3)半掌掌纹采集仪。半掌掌纹采集仪又名警用活体掌纹采集头。是利用棱镜的光学原理，一次性捕捉掌纹图像，解决了掌纹的采集速度慢和质量低的问题。可以胜任多种场合，尤其对于公安刑侦，是一个非常有效的手段。掌纹采集仪也可以作为十指指纹采集仪来使用，配套有指纹系统软件进行身份识别。

(4)全掌掌纹采集仪。全掌掌纹采集仪又名警用活体全掌掌纹采集头。全掌掌纹采集仪的采集窗口可以完全胜任任何场合，既可以采集全掌掌纹，也可以采集半掌掌纹、十指指纹，甚至作为单指指纹采集仪来使用，配套有指纹系统软件进行身份识别。

3.指纹采集仪设计

(1)设计的目的。

实现一个使用USB接口与主机通信的高性能指纹采集仪是指纹采集仪的目的。指纹芯片选用硅晶体电容传感器，主控芯片选用USB模块的单片机。基本工作模式如图2-13所示，单片机控制硅晶体电容传感器采集指纹，然后通过单片机上集成的USB模块将数据送给计算机进行存储和后期处理。

图2-13　工作模式

主机软件设计主要分为USB驱动和演示界面两个部分:采用Windriver软件开发WINDOWS平台的USB驱动程序；采用VC6.0软件开发演示平台和一些简单的指纹处理程序。

(2)系统硬件设计。

①主要芯片特性。集成USB模块的指纹采集仪主控芯片MC68HC908JB8是一款高性价比单片机，芯片有256字节的片内RAM，8K字节片内FLASH，除传统的定时器、键盘中断、串行口等I/O设备外，其主要特点是集成了通信速率为1.5MB的低速USB模块。

指纹采集芯片FPS110是硅晶体电容传感器，该传感器采用先进的半导体CMOS工艺，面积只有邮票般大小，具有高灵敏度、高可靠性、高分辨率(500DPI)、低功耗、低价位等许多优点，特别适用于商业及户外指纹应用系统。

②指纹采集仪系统硬件设计。指纹采集仪基本原理如图2-14所示，主要包含电源设计、单片机应用设计、指纹芯片应用设计等。

·　供电设计:MC68HC908JB8和FPS110都可以支持5V供电，而且

图2-14　指纹采集仪基本原理

MC68HC908JB8还可提供USB接口所需的3.3V参考电压，所以整板只采用外接5V电源。设计中为了方便调试，提供了三套可选5V电源输入，分别是USB供电、仿真器接口供电和单独电源供电。

·　时钟设计:MC68HC908JB8和FPS110分别供给时钟，MC68HC908JB8采用6M晶体接OSC1和OSC2间，FPS110采用12M晶体接XTAL1和XTAL2之间。

·　FPS110和MC68HC908JB8接口设计:MC68HC908JB8有五组通用接口PTA、PTB、PTC、PTD、PTE。设计中选用PTB口和PTC口与FPS110连接，PTB口用于数据通信，PTC口用于控制。具体连接如图2-15所示。

图2-15　FPS110和MC68HC908JB8接口连接

·　USB接口设计:MC68HC908JB8片上集成的是1.5MB的低速USB模块。根据USB协议，需要在D-上加一个1.5kΩ的上位电阻到3.3V，其连接如图2-16所示。

图2-16　低速USB接口设计图

(3)系统软件设计。

系统软件设计分为四个部分，分别是MC68HC908JB8上的USB固件设计、指纹采集程序设计、计算机上的USB驱动设计和演示程序设计。

MC68HC908JB8上的USB固件设计。单片机的开发环境选用CodeWarriorstudio集成开发软件，在线仿真和编程工具选用了MON08MULTILINK。

MC68HC908JB8片上集成了遵循USB1.1规范的低速USB模块，该模块有三个端点，端点0支持控制收发传输，端点1支持中断数据发送传输，端点2支持中断数据接收传输。对应的有USB控制寄存器，USB中断寄存器，USB数据寄存器，USB状态寄存器。为了实现MC68HC908JB8和计算机之间的USB正常通信，必须在MC68HC908JB8中设计USB固件。如图2-17所示，USB固件主要包含控制传输和USB标准请求命令的处理、端点数据读写处理和其他中断处理。

(4)指纹采集程序设计。

MC68HC908JB8使用通用接口PTB和PTC与FPS110连接，通过控制FPS110片内的行寄存器和列寄存器就能很方便地完成整幅指纹或部分指纹的采集，指纹采集的基本流程如图2-18所示。

图2-17　USB固件基本流程图

图2-18　指纹采集基本流程图

WINDOWS平台下的USB驱动程序设计。Windriver是用于编写硬件驱动程序的一种工具软件，主要用于ISA插卡、PCI插卡和USB的驱动程序开发。Windriver开发驱动程序的优点主要在于不需要了解太多的操作系统和驱动程序方面的知识，而且Windriver带有功能强大的向导Driver Wizard，能帮助开发者进行硬件诊断和自动生成代码，所以，Windriver能让电子工程师在短时间内针对自制硬件开发出易用、兼容性好的驱动程序。采用Windriver来设计USB驱动程序，如图2-19所示，实际上只是在用户模式下调用了Windriver通用驱动程序提供的API函数，并不用编写WDM驱动程序。