一種具有指紋識(shí)別功能IC卡讀寫(xiě)器的開(kāi)發(fā)

文章出處：http:// 作者：中國(guó)電子網(wǎng)   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月18日

 隨著IC卡技術(shù)的空前發(fā)展，非接觸式IC卡技術(shù)具有快速便利、可靠性高、安全性好、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、防偽性好和一卡多用等優(yōu)點(diǎn)，在門(mén)禁管理、身份認(rèn)證、電子現(xiàn)金消費(fèi)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。生物識(shí)別技術(shù)是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，利用人體的生物特征鑒別每個(gè)人的真實(shí)身份，主要包括虹膜、面孔、 指紋、掌紋等，其中以指紋識(shí)別技術(shù)最為成熟穩(wěn)定。IC卡技術(shù)和指紋識(shí)別技術(shù)的結(jié)合使用，具有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)。以IC卡作為個(gè)人身份及指紋信息的存儲(chǔ)載體，利用指紋的唯一性達(dá)到個(gè)人身份鑒別的目的，為IC卡技術(shù)和指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用提供了更加廣泛的發(fā)展空間。本文介紹了具有指紋識(shí)別功能的IC卡讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)方法。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1．1 非接觸式IC卡工作原理    

非接觸IC卡又稱射頻卡，是射頻識(shí)別技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和IC卡技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。它解決了卡無(wú)源和免接觸的難題，具有方便快捷、不易損壞的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用的IC卡是Philips公司的Mifare One智能卡。該卡片有容量為8K位的EEPROM，分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4塊，每塊16個(gè)字節(jié)，以塊為存取單位，每個(gè)扇區(qū)都有獨(dú)立的一組密碼以及訪問(wèn)控制，具有聯(lián)沖突機(jī)制，支持多卡操作，讀寫(xiě)距離10cm以內(nèi)。本讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)模塊采用自行設(shè)計(jì)的基于MF-RC531讀寫(xiě)芯片的讀寫(xiě)模塊設(shè)計(jì)方案。讀寫(xiě)模塊天線和卡之間通過(guò)無(wú)線電感應(yīng)交換數(shù)據(jù)。天線發(fā)出頻率固定的電磁波（13.6MHz），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姷碾娮颖茫瑢㈦姾伤偷搅硪粋€(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。

1.2 指紋識(shí)別技術(shù)    

指紋識(shí)別技術(shù)主要包括四方面的功能：采集指紋圖像、提取指紋特征、對(duì)比。采集指紋的設(shè)備有三類：光學(xué)傳感器、硅晶體傳感器、超聲波掃描設(shè)備。通過(guò)指紋采集設(shè)備得到人體指紋的灰度圖像后首先進(jìn)行圖像預(yù)處理，主要步驟包括方向圖計(jì)算、圖像增強(qiáng)、二值化、細(xì)化等。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的指紋圖像消除了原圖像的噪聲、斷紋和紋線模糊等，極大地改善了圖像質(zhì)量。然后進(jìn)行特征提取和后處理。特征提取是通過(guò)指紋上的“節(jié)點(diǎn)”獲得的?！肮?jié)點(diǎn)”包括指紋紋路的分叉、起始點(diǎn)或孤立點(diǎn)的坐標(biāo)位置等。通常人的一個(gè)手指指紋有70個(gè)節(jié)點(diǎn)，用這種方法大約會(huì)產(chǎn)生490個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理就生成指紋模板并存儲(chǔ)起來(lái)，大小一般不越過(guò)250字節(jié)，通常為100多個(gè)字節(jié)。指紋模板數(shù)據(jù)大小因指紋不同略有波動(dòng)。

1．3 硬件電路設(shè)計(jì)    

本具有指紋識(shí)別功能的IC卡讀寫(xiě)器的硬件包括單片機(jī)、鍵盤(pán)、顯示模塊、EEPROM存儲(chǔ)器、IC卡讀寫(xiě)模塊、指紋識(shí)別模塊、指示信號(hào)電路、上位機(jī)RS232通信接口、RS485網(wǎng)絡(luò)接口等，如圖1所示。    主板電路采用Cygnal公司的C8051F023單片機(jī)，它具有與MCS-51兼容、速度快、外圍接口豐富等特點(diǎn)，可以滿足本設(shè)計(jì)的需求，故選用它作為控制核心。主板簡(jiǎn)化電路圖如圖2所示。單片機(jī)P3口與讀寫(xiě)模塊MFRC531芯片D0～D7口相連，用做MCU和讀寫(xiě)模塊之間的數(shù)據(jù)線；P25用于讀寫(xiě)模塊的片選線，與模塊NCS腳相連；P17用于模塊的軟復(fù)位信號(hào)線，與MFRC531的RSTPD腳相連；外部中斷INT0（P10）與模塊中斷請(qǐng)求IRQ腳相連，對(duì)應(yīng)模塊的請(qǐng)求中斷；MCU讀寫(xiě)控制的/RD和WR分別與MFRC531的NRD和NWR相連；地址鎖存控制ALE與MFRC531的ALE相連；P14和P15分別用來(lái)控制指示燈和蜂鳴器；另外P3口還通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片74HC245驅(qū)動(dòng)分辨率為128×64的液晶顯示模塊；P27作為驅(qū)動(dòng)芯片的片選；MCU的硬串口UART0與指紋識(shí)別模塊的串行通信口相連，用于對(duì)指紋識(shí)別模塊的控制；MCU的硬串口UART1作為上位機(jī)RS232通信端口或者RS485網(wǎng)絡(luò)通信端口使用；P04和P11作為軟串口用于對(duì)鍵盤(pán)模塊的控制，整個(gè)電路板的電源通過(guò)變壓器以及直流電流轉(zhuǎn)換芯片獲得5V及3.3V電壓。

2 軟件開(kāi)發(fā)    

讀寫(xiě)器軟件開(kāi)發(fā)主要包括四部分：對(duì)讀寫(xiě)器模塊MFRC531應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)、對(duì)指紋識(shí)別模塊應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)、液晶顯示程序的開(kāi)發(fā)以及其他相關(guān)輔助電路的開(kāi)發(fā)。

2．1 讀寫(xiě)IC卡工作流程
（1）讀寫(xiě)模塊初始化，對(duì)MFRC531模塊初始化。初始化相應(yīng)寄存器使模塊工作在符合ISO14443A協(xié)議的工作狀態(tài)下，并且具有ISO14443的幀和錯(cuò)誤檢測(cè)功能，支持快速的CRYPTO1加密算法。
（2）復(fù)位應(yīng)答，復(fù)位應(yīng)答操作通知模塊在天線有效范圍內(nèi)尋找MIFARE ONE卡片，不斷發(fā)出REQA的請(qǐng)求命令，天線范圍內(nèi)的卡片發(fā)出回應(yīng)命令A(yù)TQA，返回卡片類型代碼0004，代碼返回給MCU進(jìn)行卡片類型識(shí)別處理。
（3）反沖突環(huán)操作，如果在讀寫(xiě)器天線范圍內(nèi)有多張卡片存在，需要經(jīng)過(guò)反沖突環(huán)的操作，通過(guò)卡片的唯一序列號(hào)，選出其中的一張卡片。
（4）選擇卡片操作，在成功進(jìn)行反沖突環(huán)的操作后，根據(jù)已經(jīng)得到的卡片序列號(hào)，必須進(jìn)行選擇卡片操作，建立與所選卡片的通信。
（5）三輪認(rèn)證操作，對(duì)卡的某個(gè)固定存儲(chǔ)位置訪問(wèn)時(shí)，為了保證對(duì)卡片操作的保密性和合法性，卡片和讀寫(xiě)器之間需要三輪密鑰確認(rèn)過(guò)程，成功確認(rèn)后所有存儲(chǔ)器操作都是保密和合法的。    經(jīng)過(guò)上述步驟后即可對(duì)卡片操作，可以執(zhí)行讀、寫(xiě)、增值、減值、重儲(chǔ)和傳送等命令。讀寫(xiě)IC卡操作流程如圖3所示。 

2．2 指紋識(shí)別流程及主要指令
（1）模塊初始化，MCU對(duì)指紋識(shí)別模塊初始化，設(shè)置其工作模式為命令工作模式，串口通信波特率為57600bps。
（2）生成模板，通過(guò)指紋傳感器錄入指紋圖像三次并生成指紋模板保存在模板緩沖區(qū)（Mb_Buffer）中。
（3）上傳模塊，將模板緩沖區(qū)中（Mb_Buffer）的內(nèi)容上傳到MCU。
（4）下載模塊，從MCU下載一個(gè)指紋模板到模板緩沖區(qū)（Mb_Buffer）中。
（5）生成特征，通過(guò)指紋傳感器錄入一副指紋圖像并生成指紋征值，存在模塊的特征值緩沖區(qū)（Tz_Buffer）中。
（6）對(duì)比指紋，模板緩沖區(qū)（Mb_Buffer）與特征緩沖區(qū)（Tz_Buffer）中內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，并給出比對(duì)結(jié)果，返回給MCU。    指紋識(shí)別程序分指紋模板錄入和指紋現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比兩種情況，圖4、圖5給出了流程圖。

2．3 兼容指紋識(shí)別的IC卡讀寫(xiě)器應(yīng)用程序    

讀寫(xiě)器根據(jù)不同的用途，主要分為發(fā)卡讀寫(xiě)器和身份認(rèn)證讀寫(xiě)器。發(fā)卡讀寫(xiě)器一般由系統(tǒng)控制中心發(fā)卡處使用。而身份認(rèn)證讀寫(xiě)器一般用在卡的使用終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)持卡人合法性的認(rèn)證。   

 發(fā)卡讀寫(xiě)器應(yīng)用的主要流程是：首先刷卡錄入用戶的指紋圖像，指紋采集過(guò)程需要對(duì)同一指紋錄入三次，對(duì)三次指紋綜合處理提取特征，生成指紋模板；然后將指紋模板上傳到MCU，讀寫(xiě)器對(duì)指紋模板進(jìn)行加密處理后寫(xiě)入卡片；最后在卡中寫(xiě)入用戶其他相關(guān)信息，完成發(fā)卡過(guò)程。    終端身份認(rèn)證過(guò)程的主要流程是：持卡人刷卡后，讀寫(xiě)器將卡中存儲(chǔ)的指紋模板信息解密后下載到指紋識(shí)別模塊的模板緩沖區(qū)中，然后通過(guò)傳感器采集持卡人指紋，指紋識(shí)別模塊生成指紋特征值，并將值存在該模塊的特征值緩沖區(qū)中并與模板緩沖區(qū)模板信息進(jìn)行比對(duì)；根據(jù)比對(duì)結(jié)果判定持卡人的合法性，通過(guò)后才可以進(jìn)行其他相關(guān)操作。    兼容指紋識(shí)別的IC卡讀寫(xiě)器可以應(yīng)用在需要身份認(rèn)證的門(mén)禁系統(tǒng)、考試身份認(rèn)證以及其他安全性要求比較高的身份認(rèn)證管理系統(tǒng)中。    

本文討論了一種具有指紋識(shí)別功能的IC卡讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)方法。指紋識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)的結(jié)合使用，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。衡量指紋識(shí)別性能的重要標(biāo)志是識(shí)別率。識(shí)別率包括FRR（拒真率）和FAR（認(rèn)假率）兩部分。FRR和FAR是一個(gè)反比的關(guān)系，根據(jù)不同的用途，權(quán)衡易用性和安全性，調(diào)整這兩個(gè)值的大小，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。本讀寫(xiě)器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成功，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，即將投入某門(mén)禁系統(tǒng)使用。