基于指纹识别的大学生体育锻炼管理系统

一、项目概述

1.1 引言

人的指纹是生物特征之一。指纹识别是生物识别技术中最为成熟的, 其唯一性、稳定性, 一直都被视为身份鉴别的可靠手段之一。在当今大学生活中，大学生的身体素质逐渐达不到标准，需要学校引导学生进行锻炼。然而若进行人工管理会非常不便，而进行机器智能管理，则相对简单。而指纹识别，能将各个学生的信息统一进行管理，促进了学校对学生体育锻炼的管理。

1.2 项目背景/选题动机

本系统基于Xilinx的FPGA开发平台Nexys™3 Spartan-6 作为核心控制器件，这款器件拥有48M字节的外部存储器，以及丰富的I/O器件和接口，适用于本系统。通过一些高精度的指纹识别算法，然后通过FPGA的运算，我们达到指纹图像的采集，存储，处理和对比功能，SDRAM 和Flash分别用作存储指纹程序运行时的临时数据和指纹数据信息。同时，通过USB与电脑相连，在电脑中建立数据库，并实现FPGA与电脑的通信，完成指纹识别管理系统。

二、需求分析

2.1 功能要求

使用指纹采集器采集指纹信息，传送至SDRAM存储。在FPGA上对指纹进行处理和匹配，同时编写程序使FPGA与计算机通信并且在计算机上建立数据库，使得可以使用计算机的数据库完成数据管理。

2.2 性能要求

实现以精准，快速，实用性强的指纹识别系统。同时实现良好的FPGA与计算机通信的功能。

2.3 系统要点

本系统主要难点在于指纹识别的算法以及XILINX 与PC机通信时所需要写的驱动。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

本系统采用Xilinx公司 Spartan 6系列FPGA作为核心控制芯片，通过FPC1011F传感器采集指纹传送至存储器SDRAM存储。在Spartan上运行的指纹处理程序对指纹信息进行处理获得特征点，并存储在SDRAM中或与SDRAM中的指纹信息进行匹配。最终，通过USB与计算机通信，使用计算机中的学生数据库。

系统框图如图所示：

3.2 硬件平台选用及资源配置

3.2.1 指纹传感器FPC1011F

FPC1011F 是瑞典Fingerprint Cards公司成功推出的一种电容式面装指纹传感器。该传感器采用了多项专利，如独立的晶圆体信号放大、传感器表面的保护膜等。内部具有A/D转换，高速的SPI接口，8PIN的软排线可以方便的接入各种系统。

FPC1011F指纹传感器具有以下特点：

(1)FPC1011F芯片产自瑞典，采用独特的反射式测量法，抗静电可达正负15 kV，耐磨100万次，已被国内金融界公认为银行指定零件。

(2)采用专业的指纹识别芯片PS1802DSP和最优化的指纹算法，指纹成像效果好。

(3)处理速度快，峰值能达到480MIPS，在1：1 000模式下，时间小于1 s。

(4)功耗较同类产品低，正常工作主频120 MHz下，只有120 mW。

(5)模块体积为35 mm×26 mm×1 mm，便于各种指纹产品的开发。

(6)对干湿手指有自动调节功能。

FPC1011F指纹传感器含有小电容板，传感器使用高灵敏度像素放大器，让每个像素即使是非常微弱的信号FPC1011F都能探测到，以此提高图像质量。用了交替命令的并排列和传感器电板，交替板的形式是两个电容板，以及指纹的山谷和山脊成为板之间的电介质。两者之间的恒量电介质传感器检测变化生成指纹图像。

3.2.2 SPI 通信接口

SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。

SDO – 主设备数据输出，从设备数据输入 。

SDI – 主设备数据输入，从设备数据输出 。

SCLK – 时钟信号，由主设备产生 。

CS – 从设