【畢業(yè)學(xué)位論文】(Word原稿)指紋采集系統(tǒng)中USB接口的設(shè)計-電子與信息工程

畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 題 目： 指紋采集系統(tǒng)中 學(xué)生姓名： 黃堂正 學(xué) 號： 院 系： 電子與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師： 周杰 二 七 年 五 月 三 十 日 1 目 錄 一、簡介 . 2 指紋采集 . 2 . 2 課題的目的 . 3 二、 范和協(xié)議 . 4 . 4 理接口 . 4 平特性 . 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) . 5 連 . 5 備 . 5 機(jī) . 7 統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) . 8 . 8 . 9 .、指紋采集系統(tǒng)中 口的硬件設(shè)計 .系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 . 芯片選擇 . 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) . 12 . 13 構(gòu)框圖 . 13 處理器 . 13 點(diǎn) . 14 舉與重枚舉 . 15 輔助硬件電路設(shè)計 . 16 電壓調(diào)整模塊電路設(shè)計 . 16 線的 路 . 17 串口電路 (調(diào)試接口電路 ) . 18 四、 口的軟件設(shè)計 . 18 . 18 主程序 . 18 枚舉子程序 . 19 輸子程序 . 21 驅(qū)動程序 . 23 五、結(jié)束語 . 25 致謝 . 26 參考文獻(xiàn)： . 26 . 27 2 指紋采集系統(tǒng)中 口的設(shè)計 黃堂正 南京信息工程大學(xué)電子工程系，南京 210044 摘要： 作 為 一種 與外圍設(shè)備間的高速通信接口 ， 有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：連接靈活，無需定位及運(yùn)行安裝程序，無需連接外設(shè)時關(guān)機(jī)及重啟系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正的即插即用 ； 速度快， 議支持 12S； 不占用系統(tǒng)硬件資源 ， 不存在硬件沖突問題，自動檢測和配置外圍設(shè)備。 本論文在介紹了 議規(guī)范的基礎(chǔ)上 ,詳細(xì)地論述了指紋采集系統(tǒng)中 口的硬件電路設(shè)計、固件程序編寫和驅(qū)動程序的過程。 關(guān)鍵詞： 指紋識別； 議；固件；程序 一、 簡介 指紋采集 將圖像傳感部分和控制電路高度集成在同一芯片里，體積明顯減小、功耗也大大降低，滿足了對高度小型化、低功耗成像系統(tǒng)的要求。與傳統(tǒng)的 制簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且在通常的使用環(huán)境中，其成像質(zhì)量與 有明顯差異。因此隨 著 成電路工藝的不斷進(jìn)步和完善， 像傳感器己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種通用圖像采集系統(tǒng)中，特別是小型化的指紋采集系統(tǒng)中。 據(jù)傳輸 隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，以 為平臺發(fā)展的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為當(dāng)前數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展的重要方向。對需要大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸方式對數(shù)據(jù)采集速度有至關(guān)重要的影響。 （ ） 計算機(jī)總線 計 算機(jī)總線就是計算機(jī)幾個模塊間進(jìn)行信 息 傳輸?shù)耐ǖ?。利用總線，一個設(shè)備就可以完成與另一個設(shè)備或多個設(shè)備之 間 的通信。一 般 來說，計算機(jī)總線分為 ： 系統(tǒng)總線、外部總 線、內(nèi)部總線 三 大部分。 系統(tǒng)總線 ：用 來與 系統(tǒng)擴(kuò)充槽 上 的板 卡 相連，它是 微型機(jī) 系統(tǒng)最 重 要的一 種 總線 。一般談到微型機(jī)總線，指的就是這 種 總線 。 外部總線： 它用于在系統(tǒng)之間進(jìn)行互聯(lián) ， 如微機(jī)之間，微型計算機(jī)與儀器或其他設(shè)備之間。常用的總線有 并行 口、 3 片內(nèi)總線 ： 它位于微處理器芯片內(nèi)部，用于 算術(shù)邏輯單元 ） 及各種寄存器等功能單元之間進(jìn)行互聯(lián)。 （） 使用 對外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸必須利用計算機(jī)外圍總線接口。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸所用的計算機(jī) 外圍接口多為并行口和串行口。但是計算機(jī)的并行口和串行口數(shù)量有限且傳輸速率不高，而計算機(jī)外圍設(shè)備卻在日新月異的變化和增加，外設(shè)對傳輸速率的要求也越來越高，同時，對串行口和并行口的使用也無法做到熱插拔，安裝時仍需要關(guān)閉計算機(jī)。 為了解決以上問題，一種新型的 用串行總線 ） 應(yīng)運(yùn)而生。 1998年 9月，布 范，該版本為目前計算機(jī)操作系統(tǒng)以及硬件平臺支持，其傳輸速率支持 12Mb/s s。 2000 年 4月， 布了 本，其速率高達(dá) 480Mb/s，同時兼容 范，在操作系統(tǒng) 都提供支持。 使用方便 。 使用 持熱插拔，在軟件方面，為 需用戶干預(yù)。 速度快。 12 別滿足不同設(shè)備的需要。最新推出的 80 擴(kuò)展方便。在 通常有 也有專用的集線器 。 這種擴(kuò)展方式 使 供電方 式 靈活。 ： 總線供電和自供電 。 四 種傳輸 類型 ： 中斷傳輸 （ 、 控制 傳輸 （ 、塊 （ 批 量 ） 傳輸 （ 和同步傳輸 （ ，滿足不同設(shè)備 的 需要。 課題的目的 在利用 像傳感器實(shí)現(xiàn)的指紋圖像采集的系統(tǒng)中，采集的指紋數(shù)據(jù)的傳輸是一個十分重要的環(huán)節(jié)，本論文就是采用 范標(biāo)準(zhǔn)來解決外置式指紋圖像采集系統(tǒng)與 間數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹捌款i”，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與 間準(zhǔn)確、快速和方便的傳 輸。其內(nèi)容包括 議規(guī)范的深入研究， 輸接口硬件的設(shè)計，固件和驅(qū)動的 裝載 。 4 二、 范和協(xié)議 理接口和電平特性 理接口 送信號和電源是通過一根四線的電纜，如圖所示：電纜中使用 條線向設(shè)備提供電源 （ V）。但每個 過電纜只能提供 有 限的電源。 圖 1 電纜 D+、 支持兩種數(shù)據(jù)傳輸率 全 速信號的比特率為 12Mb/s； 低速信號傳送的比特率為 s。 根據(jù) 平特性 機(jī) (或集線器 )和設(shè)備采用差分輸出驅(qū)動器將數(shù)據(jù)信號驅(qū)動到 纜 上 ,其電平特性如表 所示 ： 表 1 信號電平 總線狀態(tài) 信號電平 始端的源連接器 終端的目標(biāo)連接器 需要條件 接受條件 差分的“” (D+) (D)(D+)(D+)-(200分的“” ( (D+)200 (D+)-(200終端“” (D+)和 ( (D+) (D+) (D+)(定了總共 128個地址。 端口字段 附加的位的端口（ 段在功能部件需要一個以上端口時允許更靈活地尋址。除了端口 地址之外，端口個數(shù)是由功能部件決定的。 端口字段只對輸入，建立和輸出標(biāo)記 有的功能部件都必須在端口 0提供一個控制管道 （ 缺省控制管道）。對于低速 （ 設(shè)備，每個 功能部件最多提供 3個管道：在端口 0的控制管道加上 2個附加管道（或是 2個控制管道，或是 1個控制管道和 1個中斷端口，或是 2個中斷端口）。全速 （ 功能部件可以支持最多可達(dá) 16個的任何類型的端口。 幀號字段 幀號字段是一個 11位的字段，主機(jī)每過一幀就將其內(nèi)容加一。幀號字段達(dá)到其最大值 7它僅在每個幀最初時刻在 數(shù)據(jù)字段 數(shù)據(jù)字段可以在 0 到 1023 字節(jié)之間變動，但必須是整數(shù)個字節(jié)。圖 3 為多字節(jié)數(shù)據(jù)格式。每個字節(jié)的數(shù)據(jù)位移出時都是最低位 （ 在前。數(shù)據(jù)包大小隨著 傳送類型而變化。 11 圖 3 數(shù)據(jù)字段格式 線枚舉 當(dāng) 備插到 線上時，主機(jī)通過一個叫總線枚舉的過程來確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)的改變 。 以下是 到設(shè)備可用的整個枚舉過程 ： （ 1） 當(dāng) 主機(jī)內(nèi)置有 根 ，該 機(jī)發(fā)生了設(shè)備接入事件，設(shè)備進(jìn)入連接狀態(tài)，此時 還未進(jìn)入使能狀態(tài) ； （ 2） 主機(jī)檢測 認(rèn)設(shè)備的接入時間和接入端口 ； （ 3） 直到確認(rèn)了有新設(shè)備接入，主機(jī)就傳送一個復(fù)位 （ 命令 ； （ 4） 一個持續(xù) 100該信號結(jié)束時，端 口 就己使能， 00備進(jìn)入上電狀態(tài)，所有的寄存器和狀態(tài)重設(shè)，并響應(yīng)默認(rèn)地址。 （ 5） 在 備收到唯一地址前，可以通過設(shè)備默認(rèn)的地址訪問默認(rèn)的端點(diǎn)，主機(jī)讀取設(shè)備的設(shè)備描述符來獲取設(shè)備默認(rèn)管道的最大數(shù)據(jù)傳輸 量，此時設(shè)備處于地址默 認(rèn)狀態(tài) ； （ 6） 主機(jī)給 備進(jìn)入地址狀態(tài) ； （ 7） 主機(jī)讀取設(shè)備的配置描述符以獲取設(shè)備的配置信息 ； （ 8） 主機(jī)以設(shè)備的配置信息和 備的用途，向 備發(fā)出一個配置值 ； 設(shè)備進(jìn)入配置狀態(tài) ；所有的端點(diǎn)準(zhǔn)備就緒可以開始工作，設(shè)備可以使用 ； 當(dāng) 備從總線 上 移出時， 知主機(jī)發(fā)生了設(shè)備移出事件，該設(shè)備的端 口 進(jìn)入關(guān)閉裝態(tài)，主機(jī)將更新局部的拓?fù)溥壿嬓畔ⅰ?三、 指紋采集系統(tǒng)中 口的硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 芯片選擇 目前，市場上供應(yīng)的 主要有兩種 ： 帶有 口的單片機(jī)又可以分成兩類 ： 一類是從底層設(shè)計專用于 制的單片機(jī)，如 低速 ） 、 全速 ） ，但由于價格、開發(fā)工具以及單片機(jī)性能有限等問題，故很少選用此種芯片 ； 另一類是增加了 基于 8051） ,8基 12 于高速增強(qiáng)的 8051） ,于 8051)，選擇這類 發(fā)人員對指令 比 較熟悉，且外圍接口電路簡單。純粹的 此必須增加一個外部處理器來進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換，如 ,并 口） ，朗訊公司的 25，美國國家半導(dǎo)體公司的 604 和 考慮到指紋圖像數(shù)據(jù)數(shù)量大， 果利用純粹的 如8051)，其處理速度會很慢，因而達(dá)不到指紋采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅绮捎酶咚傥⑻幚砥?（ 如 ,雖滿足了速度要求，卻增加了成本。因此在各方面綜合 下 本論文選擇了 增強(qiáng)型 8051） 的 Z 指紋采集圖 像傳感器采用 它具有體積小、重 量 輕、功耗低、集成度高、價格低等優(yōu)點(diǎn)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 利 字圖象傳感器與 口數(shù)據(jù)傳輸來實(shí)現(xiàn)的指紋識別儀 具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、便攜化等優(yōu)點(diǎn)。本章將重點(diǎn)介紹利用 制傳輸芯片（內(nèi)部集成了增強(qiáng)型 51 內(nèi)核）來實(shí)現(xiàn)指紋信息的采集和 輸?shù)挠布娐吩O(shè)計， 應(yīng)用 所示 ： 圖 4 指紋識別硬件系統(tǒng)簡略框架圖 首先， 2 的窗口、輸出模式等參數(shù)進(jìn)行配置，光學(xué)透鏡把指紋圖像成在 按照一定的幀頻連續(xù)輸出 8位的數(shù)字圖像數(shù)據(jù) Y7:0（ 輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的幀同步信號為 平有效信號為 輸出時鐘信號為 。為了實(shí)現(xiàn)指紋傳感器輸出數(shù)據(jù)與 用了 3 （ 和 用此高速緩沖區(qū)先將 后 位機(jī) （ 的 信，將高速緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。 控芯片 構(gòu)框圖 Z 。 部結(jié)構(gòu)簡圖如圖 5所示： 圖 5 化框圖 該芯片集成了一個增強(qiáng)型 8051 核、一個串行接口引擎、一個 發(fā)模塊、 外有 24 個 I/16位的地址總線、 8位的數(shù)據(jù)總線，一個 D， D） 。該芯片遵從 持遠(yuǎn)程喚醒功能。 集成的 線的 D 和 D 引腳相連。串行接口引擎 (串行數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和譯碼，并執(zhí)行錯誤更正、位填充以及其它一些 后發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)到 內(nèi)部集成的微處理器是一個增強(qiáng)的 8051， 具有執(zhí)行時間快 （ 每個指令周期包含 4 個時鐘，時鐘頻率24，并增加了許多 新的特性。內(nèi)部 列使用增強(qiáng)的 口（ 稱為“ 核” ） ，它甚至能在 8051 之前就具有智能的全部備的功能。這個增強(qiáng)的內(nèi)核能夠自動完成 議的許多 工 作，簡化了 8051 的程序設(shè)計。 片的電壓為 簡化了 備總線電源的設(shè)計。因?yàn)?接器提供 5V 電源 （ ,可驅(qū)動 定的電源。 處理器 處理器是一個改進(jìn)的 8051 內(nèi)核。使用 8051 兼容的處理器，為 計提 14 供了大量的軟件支持工具。改進(jìn)后的 8051其特性如下： （ 1）空閑的總線周期被消去，一個總線周期包含 4個時鐘周期，而標(biāo)準(zhǔn) 805則為 12 個時鐘周期，因此速度提高了 3倍； （ 2） 24 （ 3）雙數(shù)據(jù)指針可用于存儲器之間的快速傳輸； （ 4）三個計數(shù)器 /定時器； （ 5）擴(kuò)展的中斷系統(tǒng) ； （ 6） 兩個 （ 7） 256字節(jié)的內(nèi)部寄存器 （ 8） 標(biāo)準(zhǔn) 8051指令集 ； （ 9） 可變的 低速的 （ 10） 可與非復(fù)用的 16位地址總線的高速存儲器接口 ； （ 11） 快速外部傳輸 （ 自動指針、快速傳輸模式 ）； （ 12） 帶自動向量的 斷 ； （ 13） 控制傳輸中的 （ 14） 改進(jìn)的 8051內(nèi)核使用片內(nèi) 首先， 線將 8051 程序代碼和設(shè) 備 描述符下載到 ，然后 片使用己下載的程序中定義的 外設(shè)特性進(jìn)行重連接。 點(diǎn) 點(diǎn)的就是一個裝滿了接收字節(jié)或?qū)⒁ㄟ^ 線傳輸字節(jié)的緩沖器。 8051 從 沖器讀取數(shù)據(jù)，通過 沖器寫入端點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行 （ 1） 塊端點(diǎn) 塊端點(diǎn)無方向控制，即一個端點(diǎn)對應(yīng) 一 個方向，塊端點(diǎn)的包長度為 8， 16， 32， 或 64字 節(jié)。 14個用于塊（ 批量 ） 傳輸?shù)亩它c(diǎn)，包括 7個 ,（ ， 和 7個 ， 14個端點(diǎn) 中 每個都有 64字 節(jié) 的緩 沖 區(qū)。 （ 2）控制端點(diǎn) 0 點(diǎn) 0是控制端點(diǎn)， 傳 送 來 自或發(fā)向 控制信息 ， 第一次插上主 機(jī)時，主 機(jī)對 其初始化的過程 ） 就 是由 端點(diǎn) 0 引導(dǎo)的 。端點(diǎn) 0 是 雙向的，且 只接受 8051通過端點(diǎn) 0響應(yīng)主 機(jī)發(fā)出的 設(shè)備 請求。 （ 3）中 斷端點(diǎn) 中斷端點(diǎn)與塊端點(diǎn)大致相同， 14 個 點(diǎn) （ 可用作中斷端點(diǎn) ， 中斷端點(diǎn)信息包最大長度可達(dá) 64 字節(jié)，在其描述符中包含一個“輪詢間隔”字節(jié)，以告訴主機(jī)為之服務(wù)。 8051通過中斷端 點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的方式與塊端點(diǎn)完全一樣。 15 （ 4） 同步端點(diǎn) 同步端點(diǎn)通過 間精確的數(shù)據(jù)。 供 16個同步端點(diǎn)，編號為 8 15 （ 8580150。 舉與重枚舉 枚舉與重枚舉概述 所謂 電）期間，內(nèi)核進(jìn)行初始的總線枚舉和 8051代碼下載，此時作為默認(rèn)的 備；在脫離復(fù)位后， 8051 執(zhí)行下載的代碼程序，再次進(jìn)行總線枚舉，此次作為裝入的正常 枚舉是芯片在電氣上模擬一次物理 斷開和重連接來完成的，其實(shí)現(xiàn)電路如圖6 所示：當(dāng)運(yùn)行下載的固件代碼時，在所有操作前使 /腳輸出低電平并持續(xù)一段時間，然后變?yōu)楦唠娖健?圖 6 重枚舉硬件電路 片具有軟特性：集成 8051 的程序代碼和數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部 ，使用 口從主機(jī)中加載。因此，使用 片的外圍設(shè)備可以不帶 作。 控制位“ （ 再次連接 ） 決定了是 由 核還是 8051 來處理通過控制端點(diǎn) 0 的設(shè)備 請求 。在上電時， （ 是 0， 表明 核自動處理設(shè)備請求。 一 旦 8051固件代碼開始運(yùn)行，它設(shè)置 表明使用 由 用戶下載的 8051程序代碼來處理設(shè)備請求。 枚舉方式 2表 3所示 ： 表 3 通電時內(nèi)核動作 不是 0 置 0 從 設(shè)置 16 0載 置 ； 由 8031提供描述符， 表中 ， D， D， D。 （ 1） 如果沒有 在，或者是存在但首字節(jié)既不是 0不是 0核使用內(nèi)部存儲的描述符數(shù)據(jù)進(jìn)行枚舉，包括 表 4所示。這些 節(jié)引起主機(jī)操作 系統(tǒng)加載 種方式只用在開發(fā)和調(diào)試階段。 表 4 內(nèi)部 D 0公司產(chǎn)品代號 ） D 0 版本決定 ) （ 2） 如果有串行的 在 部 存儲的描述符，就像和沒有 樣枚舉。但不同的是它從外部 個字節(jié) (如表 5所示 )中而不是 核提供 據(jù)。 定制的用戶 主 機(jī)操作系統(tǒng) 加載和 匹配的驅(qū)動程序 。 表 5 內(nèi)容 0 0 D （ L 2 D （ H 3 D （ L 4 D （ H 5 D（ L 6 D（ H 7 未使用 （ 3）如 果有串行的 在 。 核還設(shè)置 “ 位為 1 來表明 8051（ 而不是 ） 通過“控制”端點(diǎn) 0響應(yīng)設(shè)備請求。因此，所有的描述符數(shù)據(jù)，包括 據(jù)都是由 8051固件代碼提供。從 對于 存器 ） 發(fā)出 8051 的復(fù)位信號，使 片 像 完全定制的設(shè)備 一樣使用 輔助硬件電路設(shè)計 電壓調(diào)整模塊電路設(shè)計 整個硬件電路系統(tǒng)的供 電方式采用 就是說，整個硬件電路的供電是主機(jī) （ ） 通 口 提供的，其提供的電壓為 +5V，最大電流為 500件電路中 17 作電壓為 +5V 而 制器 作電壓是 +此必須通過電壓調(diào)整電路將 +5V 的供電電壓轉(zhuǎn)換為 +而適應(yīng)整個硬件系統(tǒng)的需求。圖 7為 +整器 圖 7 電壓調(diào)整電路 線的 路 在前面電路設(shè)計中已經(jīng)提到，當(dāng) 2果檢測到 載程序就會讀取 以決定如何進(jìn)行總線的枚舉。因此，整個硬件電路中 塊電路是不可缺少的 （ 當(dāng)然對于調(diào)試可以沒有，但作為一個備是不可缺少的 ） 。 選用具有 線接口的 片 2424 8K 字節(jié)的電可擦除的 工作電壓范圍為 242 字節(jié)（一頁），可以任意的或連續(xù)讀出 8據(jù)。其一種封裝類型管腳（ 圖 8所示： 圖 8 24腳 其中 用戶配置地址，在 口硬件系統(tǒng)中，此地址必須為 0、 0、 1。 寫保護(hù)，2于在 此使用中必須將 9為實(shí)現(xiàn)的 18 圖 9 口的 路 串口電路 (調(diào)試接口電路 ) 固件程序開發(fā)編譯工具使用 碼調(diào)試過程中其與硬件 電路的連接和通信是使用主機(jī)（ 串行通信標(biāo)準(zhǔn) 根信號 （ 的電纜線，并對數(shù)據(jù)和控制信號標(biāo)準(zhǔn)作了定義。 在 邏輯 1（ 3V 15V 邏輯 0（ 3V 15V 在 信號有效 （ 接通， 正電壓 ） 3V 15V 信號無效 （ 斷開， 電壓 ） 3V 15V 對于數(shù)據(jù) （ 信息碼 ）： 邏輯“ 1”的電平低于 3V，邏輯“ 0”的電平高于 3V； 對于控制信號 ： 接通狀態(tài) （ 即信號有效的電平高于 3V， 斷開狀態(tài) （ 即信號無效的電平低于 3V。 以上電氣特性表明當(dāng)傳輸電平的絕對值大于 3V 時，電路可以有效地檢查出來，介于 3V 3V 之間的電壓無意義，低于 15 15 四、 口的軟件設(shè)計 件程序設(shè)計 指紋采集 設(shè)備請求 ） 子程序和 主程序 主程序主要完成各種工作狀態(tài)標(biāo)志，各種變量的 能模塊的初始化和各種中斷的設(shè) 定。其框架結(jié)構(gòu)流圖如圖 10所示： 19 圖 10 固件主程序圖 主程序工作過程如下：首先初始化內(nèi)部的狀態(tài)變量，然后調(diào)用用 戶初始化 函數(shù) ，此函故中包括對串 口 初始化和對指紋圖像傳感器 初始化函數(shù)的調(diào) 用： 此后 ，