彭克勤 朱敏玲 北京信息科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院

一款基于MSP430單片機(jī)指紋密碼鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

彭克勤 朱敏玲 北京信息科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院

密碼鎖的形態(tài)有很多種，按照相關(guān)技術(shù)可分為分：按鍵式的、射頻式、還有指紋式等。本文選用低功耗的單片機(jī)MSP430F5419作主控機(jī)，采用指紋模塊ATK-AS608、LCD屏、按鍵、語音等硬件，嘗試設(shè)計(jì)一款指紋式密碼鎖。MSP430F5419通過串口對指紋模塊ATK-AS608數(shù)據(jù)讀取即錄入指紋，通過對MSP430F5419編程，實(shí)現(xiàn)指紋密碼鎖功能。本文主要介紹指紋模塊ATK-AS608基本特性，接口協(xié)議；分析MSP430F5419與指紋模塊ATK-AS608之間通信要求以及實(shí)現(xiàn)指紋密碼鎖系統(tǒng)的編程方法。

單片機(jī)MSP430F5419 指紋模塊ATK-AS608 串口通訊接口協(xié)議 密碼鎖

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。指紋模塊通過串口協(xié)議與MSP430F5419相互通信，LCD屏采用OCMJ128x64帶字庫LCD顯示屏；語音采用ISD1720，通過SPI接口與MSP430F5419相互通信；按鍵采用HD7279，通過其特殊的SPI協(xié)議與MSP430F5419進(jìn)行通信。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件介紹

1.2.1 MSP430F5419

MSP430f5419 系列單片機(jī)（MCU）是一個(gè) 16 位、采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)的MCU；簡便的 27 條內(nèi)核指令和大量的模擬指令；具有很多尋址方式如：源操作數(shù)尋址、目的操作數(shù)尋址等；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及大量的寄存器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125 ns ；片上資源豐富，具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

1.2.2 按鍵接口HD7279

按鍵接口選用的是HD7279。這是一片智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片,采用串行接口, 能同時(shí)接8位LED數(shù)碼管，同時(shí)可以連接8*8個(gè)矩陣鍵盤。

本設(shè)計(jì)中采用中文液晶顯示（LCD）模塊。該模塊采用新型控制器8133，它完全兼容原8130 控制器的指令系統(tǒng)，是原8130控制器的基礎(chǔ)上升級改進(jìn)版，并增加了一些特殊的功能，老用戶可在原有硬件接口不改變的條件下，對軟件程序稍做修改就可實(shí)現(xiàn)以下特殊的功能：

（1）光標(biāo)功能：寫入光標(biāo)功能指令后，光標(biāo)會(huì)在下一個(gè)輸入的字符或漢字的下一地址位顯示（不在最后顯示的字符或漢字下方）?？筛鶕?jù)需要對光標(biāo)閃爍效果和光標(biāo)長度（8點(diǎn)或16點(diǎn)）進(jìn)行設(shè)置。

（2）反白功能：寫入反白功能指令后，以后寫入的內(nèi)容將出現(xiàn)反顯效果。

（3）漢字字模為 16*16點(diǎn)陣，字體改為15*15點(diǎn)陣，內(nèi)置字庫增加為GB 2312國標(biāo)一、二級簡體漢字字庫及前16區(qū)字符（16*16點(diǎn)陣）。

（4）顯示移動(dòng)功能：寫入顯示移動(dòng)功能指令后；整屏顯示移動(dòng)的位置和速度可編程。

1.2.4 指紋模塊ATK-AS608介紹

（1）指紋模塊ATK-AS608性能介紹

ATK-AS608指紋識別模塊采用了國內(nèi)著名指紋識別芯片公司杭州晟元芯片技術(shù)有限公司(Synochip)的AS608指紋識別芯片，是ALIENTEK推出的一款高性能的光學(xué)指紋識別模塊。由于芯片內(nèi)置DSP運(yùn)算單元并集成了指紋識別算法，因此ATK-AS608模塊能高效快速采集圖像并識別指紋特征。

制取模型時(shí)2組患者的舒適度比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)(見表1)。數(shù)字化方法組取模時(shí)所有患者舒適度評級均為A級和B級，傳統(tǒng)方法組有3例患者在取模過程中存在強(qiáng)烈不適感。2組瓷貼面隨訪期內(nèi)脫落率比較：46例患者跟蹤隨訪時(shí)間6個(gè)月，在隨訪期內(nèi)，2組患者均未出現(xiàn)瓷貼面脫落，2組瓷貼面脫落率的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

ATK-AS608模塊具有USB、串口兩種通訊接口標(biāo)配，用戶不需研究復(fù)雜的圖像處理過程以及指紋識別算法，而只需通過對USB或串口按照提供通訊協(xié)議便可對模塊實(shí)施控制。本模塊可應(yīng)用于指紋鎖、保險(xiǎn)箱柜、考勤機(jī)、門禁系統(tǒng)等場合。

ATK-AS608模塊內(nèi)設(shè)有二個(gè)512bytes大小的特征文件緩沖區(qū)與一個(gè)72K字節(jié)的圖像緩沖區(qū)，名字分別稱為：CharBuffer1,CharBuffer2和ImageBuffer。用戶可以通過指令讀寫任意一個(gè)緩沖區(qū)。CharBuffer1或CharBuffer2既可以用于存放普通特征文件也可以用于存放模板特征文件。為了加快速度，通過UART口上傳或下載圖像時(shí)，只用到像素字節(jié)的高4位，即將兩個(gè)像素合成一個(gè)字節(jié)傳送；通過USB口則是整8位像素。

指紋庫容量根據(jù)掛接的FLASH容量不同而改變，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判別。指紋模板按照序號存放，序號定義為：0—（N-1）（N為指紋庫容量）。用戶只能根據(jù)序號訪問指紋庫內(nèi)容。

（2）通信協(xié)議分析

上位機(jī)與模塊之間通訊、MCU與模塊之間通訊，模塊指令和數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，都是按照模塊指令格式和數(shù)據(jù)格式打包；解析指令和接收數(shù)據(jù)包也按照對應(yīng)的格式。

一、指令格式

模塊指令格式分為三種：命令格式（如表1所示）、數(shù)據(jù)格式（如表2所示）、結(jié)束包格式（如表3所示）。

表1 命令格式

表2 數(shù)據(jù)包格式

表3 結(jié)束包格式

二、模塊應(yīng)答格式

應(yīng)答是將有關(guān)命令執(zhí)行情況與結(jié)果上報(bào)給上位機(jī)或者M(jìn)CU；應(yīng)答包含有參數(shù)，并可跟后續(xù)數(shù)據(jù)包。上位機(jī)或者M(jìn)CU只有在收到模塊的應(yīng)答包后才能確認(rèn)模塊收包情況與指令執(zhí)行情況。模塊應(yīng)答包中包含一個(gè)參數(shù)：確認(rèn)碼。確認(rèn)碼表示執(zhí)行指令完畢的情況。模塊應(yīng)答格式如表4所示。

表4 模塊應(yīng)答格式

2 軟件實(shí)現(xiàn)

MSP430F5419 編譯環(huán)境為IAR for 430軟件，采用C語言編程。

按照功能來分，主要分為三部分：主程序，中斷程序，指紋模塊功能子程序等部分，每個(gè)功能是相互關(guān)聯(lián)的，又相互獨(dú)立，下面按功能要求來講述。

2.1 主程序

主程序流程圖如圖2：程序上電時(shí)，首先，時(shí)鐘及IO口初始化，串口初始化，語音初始化，指紋模塊初始化，，然后進(jìn)入查詢按鍵，檢查按鍵功能進(jìn)入相應(yīng)的功能程序。

圖2 主程序流程圖

2.2 指紋模塊函數(shù)

本次設(shè)計(jì)里一共有三個(gè)函數(shù)，分別是刪除指紋、錄指紋、刷指紋；每個(gè)函數(shù)都包含著很多相同的子功能函數(shù)，如獲取圖像命令PS_GetImage()、應(yīng)答包處理功能JudgeStr()等，在此僅對press_FR()刷指紋函數(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹；其流程程圖如圖3所示。

圖3 刷指紋函數(shù)流程圖

函數(shù)代碼如下：

2.3 串口數(shù)據(jù)接收

串口接收數(shù)據(jù)采用中斷的方式，當(dāng)有數(shù)據(jù)來時(shí)，串口接收中斷信號，進(jìn)入接收中斷，然后接收數(shù)據(jù)，按照指紋模塊提供的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行接收，其流程圖如圖4所示

圖4 串口接收指紋數(shù)據(jù)流程圖

中斷接收處理函數(shù)如下

3 結(jié)束語

本文由于篇幅的原因，很多細(xì)節(jié)沒有詳盡寫入。比如串口接收數(shù)據(jù)，文中只是簡單提到接收，其實(shí)這個(gè)也需要處理，在本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的程序里，開啟了一個(gè)1MS的定時(shí)器，時(shí)間到，即表示接收完畢，然后主程序開始處理接收到的數(shù)據(jù)；這是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理最重要的一塊。

[1]洪利，章?lián)P，李世寶.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例詳解[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.7

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[6]HD7279A串行接口8位LED數(shù)碼管及64鍵鍵盤智能控制芯片（第四版）.PDF》HTTP：//www.bitcode.com.cn

[7] B系列改進(jìn)型中文液晶顯示模塊使用說明書.pdf HTTP：//www.gptlcm.com

[8] ISD 1700系列數(shù)碼語音電路使用手冊（中文版）.pdf HTTP：//www.atvoc.com

彭克勤，女，碩士，副教授；朱敏玲，女，博士，副教授。