基于MSP430的非接觸式指紋IC卡門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    一、指紋IC卡門(mén)禁系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

    基于MSP430的指紋IC卡身份認(rèn)證系統(tǒng)如圖1所示，主要有三部分組成，第一部分為指紋識(shí)別模塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)指紋的采樣和比對(duì)?？紤]到開(kāi)發(fā)周期，系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題，采用了西安紫牛信息技術(shù)有限公司的“可編程指紋模塊”B IG1080P- H指紋識(shí)別模塊。第二部分為非接觸式IC卡讀寫(xiě)電路，采用Philips的串行MF RC531芯片，用來(lái)實(shí)現(xiàn)非連接的讀寫(xiě)控制。第三部分為鍵盤(pán)與液晶電路，鍵盤(pán)用來(lái)觸發(fā)控制箱從低功耗狀態(tài)蘇醒， 液晶用來(lái)提示操作過(guò)程。選用HF12232F模塊，可以顯示7.5×2個(gè)（16×16點(diǎn)陣）漢字。

    1、非接觸式IC卡接口電路

    MFRC531是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀寫(xiě)卡芯片系列中的一員。該讀寫(xiě)卡芯片系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念， 完全集成了在13.56MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。

    MFRC531支持ISO/IEC14443A/B的所有層和MIFARE經(jīng)典協(xié)議， 以及與該標(biāo)準(zhǔn)兼容的標(biāo)準(zhǔn)。支持高速M(fèi)IFARE非接觸式通信波特率。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線(xiàn)（可達(dá)100mm）。接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)（ 奇偶&CRC）。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。與主機(jī)通信模式有8位并行和SPI模式，用戶(hù)可根據(jù)不同的需求選擇不同的模式，這樣給讀卡器/終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在本系統(tǒng)中，與主機(jī)通信模式選用SPI模式（如圖2所示），同時(shí)可以節(jié)約CPU的IO口資源。

    MFRC531是與非接觸式IC卡實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信的核心模塊，也是控制器控制讀寫(xiě)IC卡的關(guān)鍵接口芯片。它根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)，并通過(guò)TX1，TX2腳驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)以電磁波的形式發(fā)出去。天線(xiàn)（如圖3所示）發(fā)出頻率固定的電磁波13. 56MHz，射頻卡接收到電磁波后，由卡中自帶的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容充電有了電荷，再接一個(gè)單向?qū)щ姷碾娮颖?，將電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)濾波整流后產(chǎn)生2V 的電壓作為電源供卡片工作使用?？ㄆ幚斫邮盏拿詈蛿?shù)據(jù)，并將結(jié)果返回給讀寫(xiě)器。

    2、指紋識(shí)別模塊

    本設(shè)計(jì)中采用了西安紫牛信息技術(shù)有限公司推出的業(yè)界第一個(gè)“可編程指紋模塊”B IG1080P-A指紋識(shí)別模塊。它是由32位高性能可編程處理器、活體指紋采集芯片和指紋識(shí)別核心固件等構(gòu)成的一個(gè)獨(dú)立的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)。該指紋模塊具有250枚指紋存儲(chǔ)能力，具備1S以?xún)?nèi)的指紋比對(duì)性能，支持1∶1和1∶N兩種比對(duì)模式，能夠任意兼容各類(lèi)指紋傳感芯片。它具有兩種工作模式：一是獨(dú)立工作模式，二是從屬工作模式（如圖4所示）它的TXD和RXD分別和MSP430的UART0連接進(jìn)行串口通訊。BIG1080P- A的UART是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用異步收/發(fā)的接口，接口支持的速率115200bps。

    3、MODEM通訊模塊

    4、電源管理模塊

    在本系統(tǒng)中選用了功耗極低MSP430 作為控制器。它的工作電壓范圍為1.8~3.6V，有一種活動(dòng)模式和5種低功耗省電模式，6μs內(nèi)從等待狀態(tài)喚醒。這些特點(diǎn)使MSP430系列芯片在電池供電，便攜式設(shè)備的應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)良的特性?？刂葡洳捎娩囯姵亟oCPU及其他模塊供電。由于設(shè)備使用頻率較低，功耗較少，可以設(shè)計(jì)當(dāng)設(shè)備在夜晚或者周末非正常工作時(shí)間時(shí)，采用電話(huà)線(xiàn)給鋰電池充電。電話(huà)局交換機(jī)通過(guò)提供直流饋電的方式向用戶(hù)供電，一般直撥電話(huà)的空載電壓為48V，分機(jī)為24V，交換機(jī)提供的摘機(jī)電流大約20mA。因此，控制箱系統(tǒng)可以主動(dòng)摘機(jī)，然后利用這20mA的摘機(jī)電流對(duì)電池充電，當(dāng)然，充電不能在正常工作時(shí)間進(jìn)行，這樣會(huì)造成監(jiān)控中心需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)法撥通本控制箱號(hào)碼，因?yàn)楸痉绞孪日獧C(jī)時(shí)對(duì)方會(huì)檢測(cè)到忙音。因此，本方案設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，控制箱系統(tǒng)可以知道當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，只選擇晚上或周末等對(duì)系統(tǒng)充電，從而不影響正常的工作。

    二、軟件開(kāi)發(fā)

    1、指紋IC卡身份認(rèn)證系統(tǒng)的總流程

    指紋IC卡身份認(rèn)證設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能： 指紋采集和身份認(rèn)證兩大功能。

    指紋采集的主要流程如圖6所示：首先用戶(hù)工作人員到系統(tǒng)監(jiān)控中心提取指紋，管理人員根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻生成一張存有單次有效隨機(jī)密碼的射頻IC卡交予工作人員。然后管理人員再把上述指紋和密碼信息及信息有效時(shí)段通過(guò)電話(huà)網(wǎng)下載到對(duì)應(yīng)的控制箱里。

    身份認(rèn)證過(guò)程的主要流程如圖7所示：工作人員一定要在有效時(shí)段內(nèi)操作控制箱來(lái)開(kāi)鎖，首先是通過(guò)按鈕將平時(shí)處于休眠狀態(tài)的系統(tǒng)激活，根據(jù)液晶提示現(xiàn)場(chǎng)輸入自己的指紋，控制系統(tǒng)判斷本次操作是否在有效時(shí)段之內(nèi)，如果有效則與已通過(guò)電話(huà)線(xiàn)下載到控制箱內(nèi)的指紋進(jìn)行匹配，驗(yàn)證通過(guò)后，液晶再提示刷取射頻IC卡，控制系統(tǒng)將IC卡內(nèi)的單次有效隨機(jī)密碼與已下載到控制箱中的隨機(jī)密碼進(jìn)行匹配。以上匹配都通過(guò)了之后，才可以開(kāi)鎖。

    2、指紋模塊與主機(jī)之間的通信

    上電后的BIG1080P- A通過(guò)串口與控制器通訊，通訊格式如下：

    三、結(jié)束語(yǔ)

    系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)低功耗自供電多重安全性能的設(shè)計(jì)要求，為高安全保安系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理想的思路。適用于金融系統(tǒng)高端客戶(hù)使用或安裝位置分散的大系統(tǒng)單位使用。