摘 要

最近几年经济飞速发展，大型超市商场也随之增多，为了给顾客提供一个安全便利的购物环境，各大商场都会放置多个储物柜以方便顾客存放物品。而这些超市储物柜大多还是条形码储物柜。使用条形码来存储有很多弊端，容易出现条形码丢失，条形码损坏无法识别以及条形码纸张用尽等问题，在管理和使用上不便，还会造成纸张的浪费。

当前有一种既安全又便利，在多个领域都有应用的识别技术，它就是指纹识别技术。因此本次课题计划针对传统条形码储物柜的弊端，设计一种基于新型指纹识别技术的储物柜控制系统。储物柜控制系统主要由四个部分组成：FPGA主控模块、指纹识别模块、远程通信模块和显示电路等其他模块。FPGA主控模块选用Altera公司Cyclone IV系列的芯片EP4CE6E22C8作为主控芯片，它具有较多的I/O口资源，能够检测储物柜柜门的当前状态，主控芯片还能通过RS-232总线与PC进行远程通信，将柜门状态信息即时反馈给PC。指纹传感器选用富士通公司生产的新型半导体指纹传感器mbf200，它主要帮助指纹模块完成指纹信息采集工作。显示电路用来显示柜子状态实时信息，方便顾客知晓柜子使用情况，仿真结果表明，指纹识别储物柜安全可行，能够满足顾客安全、便利的存取需求。

关键字：指纹识别；FPGA；RS-232；储物柜

Abstract

In recent years, the economy has developed rapidly, and large-scale supermarket shopping malls have also increased. In order to provide customers with a safe and convenient shopping environment, major shopping malls will have multiple lockers for customers to store items. Most of these supermarket lockers are bar code lockers. The use of locker for storage has many drawbacks, such as the loss of locker, the inability to identify locker and the exhaustion of locker, and the inconvenience of management and use, as well as waste of paper.

Fingerprint recognition technology is currently more avant-garde recognition technology, widely used. Therefore, this project plans to design a kind of locker control system based on the new fingerprint identification technology for the drawbacks of traditional bar code lockers. The locker control system is mainly composed of four parts: an FPGA main control module, a fingerprint identification module, a remote communication module, and a display circuit and other modules. The FPGA main control module chooses EP4CE6E22C8 of Altera Company Cyclone IV series as the main control chip, it has more I/O mouth resources, can detect the current state of the locker cabinet door, the main control chip can also pass RS-232 bus line Remote communication with the PC, the cabinet door status information is immediately fed back to the PC. The fingerprint identification module used Fujitsu's new semiconductor fingerprint sensor mbf200 as a detection sensor to complete the collection of fingerprint information. The display circuit is used to display the real-time information of the cabinet status to facilitate the customer to know the cabinet usage. Simulation results show that the fingerprint identification locker is safe and feasible, and can satisfy the customer's safe and convenient access experience.

Keywords: Fingerprinting; FPGA; RS-232; Locker

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究目的 2

1.4 论文内容 3

第2章 指纹识别技术介绍 4

2.1 指纹识别技术背景及发展前景 4

2.2 指纹识别技术原理 4

2.3 指纹传感器分类及选型 5

第3章 系统方案设计 7

3.1 设计要求 7

3.2 方案比较 7

3.3 总体方案设计 8

第4章 系统硬件电路设计 9

4.1 FPGA主控模块 9

4.1.1 FPGA简介 9

4.1.2 FPGA的分类 9

4.1.3 主控芯片EP4CE6E22C8介绍 10

4.1.4 EP4CE6E22C8最小系统 12

4.2 指纹识别模块 13

4.3 柜门锁驱动电路 14

4.4 显示电路 15

4.5 远程通信模块 16

4.5.1 串口通信简介 16

4.5.2 RS-232协议 17

4.5.3 远程管理设计 18

第5章 系统软件设计 19

5.1 仿真软件QUARTUS II简介 19

5.2 储物柜控制程序设计 19

5.3 指纹传感器初始化程序设计 20

5.4 显示电路程序设计 21

5.5 远程通信程序设计 21

第6章 调试和仿真 23

6.1 时序仿真软件Modeisim简介 23

6.2 储物柜控制程序仿真 26

6.3 显示电路仿真 27

6.4 远程通信模块仿真 28

6.4.1 ASCII码介绍 28

6.4.2 仿真 29

结论 32

参考文献 33

附录A：总体系统硬件电路图 34

附录B：主控制电路程序 35

致谢 38

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

最近几年经济飞速发展，人们的消费水平大大增长，国内的各种大型商场，购物超市也随之增多。为了给顾客营造更温馨，更便利的购物环境，同时也为了顾客们在购物时随身携带的物品能安全存放不会丢失，大型超市商场都会设立许多储物柜，以便顾客在购物时存放物品。

而国内大部分储物柜主要还是采用条形码存储条来进行存储，不过这种存储方式显然不能满足人们对安全和便利的需求了。条形码存储方式有许多缺点：首先条形码易丢失易损坏，不防水，顾客们不方便保存存储条；其次，纸张为一次性使用，造成纸张浪费；近来更有报道条形码储物柜有缺陷，使用手机拍条形码可打开储物柜，不得不让我们对储物柜的安全性能产生担忧。除此之外在学校图书馆等场所还会有IC卡存储，通过学生证识别就能存取物品，既方便又安全，但缺点也显而易见，适用范围窄不适合超市等大范围推广。随着人们购买力的增加，需要一种更安全，更便利的储物柜来服务大众。

而现在有一种识别技术应用非常广泛，涉及IT互联网、教育、金融等多个领域，已经逐渐渗透到了人们的日常生活中，它就是指纹识别技术。指纹识别技术最早起源于中国古代的宋朝，想必影视剧中“签字画押”的情节我们都还记得吧。十九世纪九十年代，科学家亨利通过大量的数据比对证明了手指上的纹路是独一无二的，这直接鉴定了现代指纹识别技术的基础。而到二十世纪中期，美国人把指纹识别技术搬上了电脑，并且发明了指纹识别系统，这是指纹识别技术第一次正式得到应用。之后，指纹学便得到了广泛的发展，二十一世纪以来，指纹识别技术已经在警用和民用领域得到了飞速的发展。国家政府使用指纹识别技术来加强国防安全系统的建设，公安部门使用指纹识别技术来侦破大大小小的案子；民用领域，许多电子电器都开始采用指纹识别技术，考勤系统、电子锁等等都有基于指纹识别技术的相关产品出现。到今天，手机已经深入了各家各户，替代了钱包、钟表以及游戏机电视机等等，成为了现代人不可或缺的第一件电子产品，而现在的手机基本都搭载了指纹识别技术。随着经济的发展，指纹识别技术必将在多个领域得到应用，不断发展起来。

1.2 国内外研究现状

指纹识别技术的发展最早其实可以追溯到中国古代，秦朝时，文书、地契等民用场合已经使用指纹按印，而宋朝时，“签字画押”相信影视剧中已不少出现。在现代，指纹识别这个概念最早是由欧洲学者梅耶提出的，他提出了“没有两个人的指纹会相同”的理论，在这之后，十九世纪末期，科学家亨利通过大量实验数据证明了指纹的独一无二性，这直接鉴定了现在指纹学的基础。

在国外，二十世纪指纹识别技术就开始发展起来，开始逐渐应用在民用军用等多个领域。随着经济的飞速发展，超市商场的公用储物柜也开始采用指纹识别技术，出现了指纹识别的储物柜。美国、日本、德国的存储柜安全性能特别好，他们的储物柜采用感应卡技术，生物识别技术等新型技术，使得储物柜控制系统发展非常迅速。这几个国家的储物柜控制系统很复杂，综合性比较好，储物柜系统已经非常成熟，出现了基于感应卡识别，指纹识别，虹膜识别，面部识别等新型识别技术的储物柜，它们的储物柜安全性和实用性能都很高。指纹储物柜在国外早已出现，广泛用于各种公共场所。在国内由于花费较高，一般主要还是企业，公司以及政府机关等小部分场所使用较多，而国内某些企业开始采用指纹识别的储物柜来存放员工物品。但是在公共场所，指纹识别的储物柜还比较少见，大多数超市商场还是使用条形码储物柜来存储物品。由于花费过高，且维修保养费用相较传统储物柜不太划算，所以目前国内，公共场所指纹识别的储物柜还没有广泛应用。不过鉴于现在指纹识别技术的广泛发展，未来成本必将降低，以方便这项技术更好的融入到人们的日常生活中。指纹识别储物柜的使用效率高，它将指纹作为存取“密码”来存取物品，既安全又便利。用户通过录入和识别指纹来完成存物和取物，方便又安全，使用过程也不需要消耗材料，深受广大员工的喜爱。未来指纹识别技术必将广泛发展，有望出现在公共场所，出现指纹识别的储物柜，指纹识别取票机等等。

1.3 课题研究目的

本次课题计划设计一种基于指纹识别技术的储物柜控制系统。指纹识别技术既安全又高效，在国内很多领域都得到了应用：指纹识别门禁锁已在很多高档小区得到使用；企业得日常考勤打卡也广泛使用指纹识别技术；我们平时使用的手机也广泛使用指纹识别来解锁，既方便又安全，得到了各大手机厂商的推广使用。而FPGA（即现场可编程门阵列）具有低功耗，低成本，可并行运行等优点，在数字信号处理领域应用非常多，是现在飞速发展的可编程逻辑器件。基于这两种技术，计划设计一种新型储物柜，既能安全存储，也能方便大众。要求完成系统的硬件软件设计以及远程通信管理设计，能够实现储物柜的指纹识别控制和远程监控管理。需要完成主要任务要求如下：

1、分析国内外研究现状

2、控制系统总体方案设计

3、指纹传感器原理分析及选型

4、系统硬件电路设计，包括数据采集电路，储物柜驱动控制电路设计

5、储物柜远程管理设计

6、外文资料翻译

7、按照要求撰写论文

1.4 论文内容

本次课题是设计一款基于指纹识别技术的新型储物柜控制系统。根据论文设计要求，需要完成指纹识别原理介绍，指纹传感器原理、分类和选型，储物柜的硬件软件设计以及远程通信管理设计。所以计划把整篇论文分为六章。论文第一章主要写绪论，主要包括研究背景目的，国内外研究现状等。第二章写指纹识别的原理，识别的过程以及指纹传感器的分类和选型。第三章写整个系统的总体方案设计。第四章将介绍整个系统的硬件电路设计。第五章用来介绍整个储物柜控制系统的软件设计。第六章主要内容写调试和仿真过程以及设计过程中遇到的问题。

第2章 指纹识别技术介绍

2.1 指纹识别技术背景及发展前景

近代的指纹识别技术最早在美国兴起，二战之后，美国成为第一大国，经济军事能力雄厚。二十世纪中期，美国人就把指纹识别技术与计算机结合起来，并且发明了指纹自动识别系统，为指纹识别技术在新世界开辟了道路。

指纹识别技术在上世纪九十年代就在国内兴起，当时最早主要是在各大城市用于刑事侦查领域，破案人员通过采集犯罪现场罪犯的指纹信息并将指纹与指纹库比对来协助找出罪犯。指纹识别技术的发展，协助了公安机关抓获罪犯，大大提高了破案结案率。之后，指纹识别技术在市场中广泛推广和应用，逐渐在民用领域得到应用，越来越多基于指纹识别技术的电子产品开始进入人们的生活，如：PC机，ATM机，门禁控制系统等等。传统的钥匙锁，电子密码锁开始逐渐被新型指纹锁代替。现在的手机方便小巧，既能正常通信，也能购物消费，还能娱乐，已经成为居民生活必不可少的一部分。指纹识别技术在移动通讯领域也开始得到应用，现在生产的智能手机基本都支持指纹识别技术，能够指纹解锁，指纹付款等等，大大方便了人们的生活。

由于指纹识别技术安全高效等优点，在识别领域有着巨大的市场前景，相信随着经济社会的发展，国内和国际安防甚至其他相关行业都会受到指纹识别技术的巨大冲击。

2.2 指纹识别技术原理

人的手指末端正面有形状规则不同的纹线，这些纹线的起点，终点，分叉点以及纹线的纹路不尽相同，这些独一无二的纹线被称为指纹。每个人的指纹都是不同的，所以现代生物学将指纹作为识别个人身份的一种方式。指纹识别就是指通过比对不同指纹的特征点（纹线的起点，终点，分叉点以及纹线的走向纹路等等）来识别身份^[1]。指纹识别时，首先录入指纹信息，然后将指纹信息输入到指纹库中进行查找比对是否有相同的指纹数据，以这种方式来达到识别输入者身份的目的。指纹识别的主要过程包括指纹信息的录入，预处理，特征提取，后处理以及特征比对。具体步骤如下图：

图2.1 指纹识别过程图

指纹信息初步采集后，其中往往含有大量噪声，为了提高特征提取的效率，还需要对初步提取的指纹进行预处理，以此来除去噪声。这个过程包括图像分割、图像增强、二值化以及细化。由于指纹识别实际上是指纹特征信息的比对，而为了得到更好的特征信息，预处理其实是指纹识别过程中比较占用时间的过程。从经过预处理后的指纹图像中提取出指纹特征信息就是特征提取，提取的信息主要包括三种特征信息：特征点位置、特征点方向和特征点类型。特征点分为两类：端点和分叉点，每个特征点在指纹图像中都有一个对应的绝对坐标，这个坐标就是特征点位置，而指特征点所处脊线的方向就是特征点方向。特征匹配就是将两个指纹的特征点信息进行比对，统计众多特征点匹配符合的数目来分析判断指纹匹配的结果。

2.3 指纹传感器分类及选型

现有的指纹传感器主要分为光学指纹传感器、半导体指纹传感器、温差感应式指纹传感器、超声波指纹传感器这四种。

光学指纹传感器：手指通过光源的照射，在棱镜的投射下，会在电荷耦合器件上，形成脊线和谷线等纹线，采集到的纹理线条可以通过处理变成指纹图像。通过光学技术采集技术出现最早，发展时间最长，技术手段相当成熟，而且价格比较低。这种技术的缺点是由于需要足够长的光程，需要足够大的尺寸，使用时手指干燥或潮湿对使用效果影响较大。

半导体指纹传感器：半导体硅电容技术在二十世纪九十年代后期兴起。半导体指纹传感器工作时，首先会发出用于检测的电子信号，电子信号会穿过手指皮肤，到达手指表皮层下的真皮层，然后直接检测真皮层的指纹纹路信息。检测时，整个传感器就相当于一个电容，硅半导体相当于电容的一个极板，人的手指相当于另外一个极板，这两个极板之间会形成电容差，根据这个电容差可以处理成指纹图像信息。由于硅电容技术深入读取真皮层指纹信息，采集到的指纹信息更真实，不易受到手指污垢以及环境的影响，采集的指纹图像信息更准确，所以半导体传感器的精度和安全性很高。缺点就是易受静电影响，不过可通过其他手段比如安装时接地解决。

温差感应式指纹传感器：温差感应式指纹传感器可以通过感应手指纹路的不同区域与芯片之间的温度差，产生一个能代表指纹图像信息的电信号。通过比对这个电信号来识别指纹信息。而通常所说的滑动式指纹识别仪就是采用温差式感应技术，优点是识别速度快，可在0.1s内识别指纹图像，缺点就是受环境温度等限制。

超声波指纹传感器：超声波指纹传感器是一种新型传感器，目前技术手段还不够成熟。它主要是利用超声波具有穿透性，而且当超声波穿过不同材质时会产生不同的回波，通过这种方式来读取手指表层的指纹信息。超声波指纹传感器的精度是现有指纹传感器种精度最高的，而且不易受到手指污垢的影响，对手指表层的清洁度要求较低，不过采集指纹信息的时间较长，造价也昂贵许多，该技术目前应用并不成熟，超声波指纹传感器也应用较少。

本次课题设计计划设计一种用于公众场所的指纹识别储物柜。所以指纹传感器需要具备：价格不能太高；识别精度需要较高；识别模块需要安全耐用，能使用较长时间。综合这些优缺点，计划采用半导体电容传感器作为本次设计的传感器。

第3章 系统方案设计

3.1 设计要求

指纹识别技术是当前比较先进的生物识别技术，它具有安全高效便利的特点，在安防、通信等领域发展很好。由于现有的传统储物柜有诸多弊端，计划引入指纹识别技术，结合FPGA（即现场可编程门阵列）技术，设计一款新型储物柜。能够完成指纹识别存取物品，并能远程通讯管理。要求进行指纹传感器的选型，储物柜控制系统的硬件电路设计及软件设计。要求能完成储物柜的指纹识别控制和远程监控管理。

3.2 方案比较

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