多模态生物特征识别系统采集前端硬件描述

多模态生物特征识别系统采集前端硬件描述
多模态生物特征识别系统采集前端总体结构如图1所示：主要包括AVR单片机与计算机实现通信的接口电路部分和与单片机相连接的外围电路部分。

其中外围电路分为电源控制部分、灯光控制部分和传感器检测部分。

这三部分电路都通过I/O端口和单片机连接，用以实现感知手指放置就绪，打开灯光，进行拍照的目的。

灯光控制又包括PWM红外电源、红外分组控制以及造影可见光控制三部分。

由于系统需要识别指腹截痕以增加识别精度，所以在灯光控制部分中需要进行造影可见光控制，用来获取自然光条件下的指腹截痕照片。

本系统在采集静脉纹理图像时使用的红外发光二极管共有三组，由红外分组控制电路进行分组控制，以方便在不同场合环境下的红外灯光要求，也方便了系统的调试过程。

PWM 红外电源用来提供发光二极管稳定的0～VDD连续可调的工作电压。

图1 系统框图
中央微处理器
中央微处理器采用美国Atmel公司具有8KB系统内可编程Flash的8位AVR 微控制器ATmega8。

ATmega8是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC微控制器最高至 10倍的数据吞吐率，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8 的数据吞吐率高达 1MIPS MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega8 有如下特点 8K 字节的系统内可编程 Flash( 具有同时读写的能力，即 RWW)，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数 (T/C),片内/外中断，
可编程 USART ，面向字节的两线串行接口， 10 位 6 路 (8 路为 TQFP 与 MLF 封装 )ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及五种可以通过软件进行选择的省电模式。

工作于空闲模式 CPU 停止工作，而 SRAM 、 T/C 、 SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。

系统电源部分
系统电源部分原理图如图2所示。

由于本系统设计红外光控制、可见光控制、系统状态传感器检测和摄像机控制，所以采用了适合摄像机的供电电源作为系统外接电源，同时考虑到系统调试的便捷性和系统工作的鲁棒性，系统采用依条线JP1、JP2可选双电源供电。

电源部分属于一个软开关型电源，实现的功能是当手指按下按键开关并松开，外部电源通过本电路对整个系统（包括单片机、灯光控制、传感器检测等）进行供电，手指再次按下开关，电源停止供电。

这样的程控开关与传统开关不同，按键过程只是发出一个控制信号，不会在触点处产图2 系统电源部分原理图
生电火花，当内部电路元件出现故障时，整个供电系统随即停止工作，不会造成其他系统的损坏。

PW 是外部供电部分，提供有15V （摄像机工作要求电源）和可调节电源两种类型的供电，根据实际外部光线情况，通过跳线PJ1和PJ2进行选用。

当按下开关时，PNP 型三极管PQ1基极被拉低，三极管导通，同时，单片机通过检测PC2端口，使POWERCTRL 产生一个高电平，使NPN 型三极管导通，从而和电阻PR2一起对稳压管PZ1提供偏置，并使NPN 型三极管PQ2导通。

因为三极管正向发射结导通电压be v 是0.7V 左右，而稳压管的稳定电压在5.7V 左右，因此在VCC 端就
可以得到约为5V 的电压，在VDD 端得到15V 的电压。

松开开关后，由于POWERCTRL 仍处于高电平，PQ3导通，PQ1基极仍然是低电平，电路仍然保持稳定。

当再次按下开关，单片机通过POWERCTRL 端产生一个低电平，使三极管PQ3处于截止状态，从而稳压管截止，同时PNP 型三极管PQ1的基极为高电平，处于截止状态。

三极管PQ2截止，VCC 没有电压。

当松开开关后，PQ1基极仍然是高电平，电路仍然保持稳定。

电路中PR1是上拉电阻，电解电容作用是当电源负载产生变化时，通过它的充放电保护电路，电容PC1、PC2作用是滤波，二极管PD1是防止电路内部电流对单片机PC2口产生影响。

传感器部分
在本系统中，传感器检测电路在系统自动控
制状态中起到非常关键的作用，传感器电路主要
实现检测手指放置就绪，发出信号从而控制后续
电路进行相应动作。

虽然传统的按键方式设计电
路简单，容易实现，但为了使采集过程更加友好、
方便，更加人性化，我们采用无接触感应的控制
电路。

目前，能够实现无接触式感应的传感器（方
案）有很多，下图对几种常用的传感器（方案）
进行了优缺点比较：
图3 传感器检测电路原理图
此外，利用触摸开关也可以进行控制，但是触摸开关价格较为昂贵，接口电路也较为复杂，因此不进行采用。

在本系统中，我们采用硅光电池以及光敏电阻两种传感器综合进行系统检测，将两种传感器优缺点互补，以达到提高系统检测灵敏度和增强系统冗余的目的，电路原理图如图3所示。

当手指放置在平台上，会挡住光敏电阻接受到的可见光，同时也会使硅光电池受光面的光通量减少，电压下降，通过单片机的端口读入相应电平，从而控制用于获得静脉图像的照射灯光以及摄像头等器件，实现无接触开关。

灯光控制部分
灯光控制部分主要包括红外灯光控制和可见光打光控制，其控制部分电路原理图如图4所示。

图中左边部分是红外灯光控制。

通过单片机的PB0、PB1、PB2口分组控制。

单片机发出一定占空比的脉冲信号，使三极管EQ2处于截止和导通的交替状态，进而使三极管EQ3也处于相同状态，发出脉冲信号。

脉冲信号经过EL1、EE1、EE2、EC1组成的∏型滤波整形电路，将脉冲波形整形成为近似于直流的电压信号，使得发光二极管发出持续稳定的红外光线。

通过软件单片机的PWM （脉宽调制器）改变输出脉冲占空比，可以实现0V 到电源电压可调的电压，加在发光管上，使其亮度连续可调，方便后期的调试。

其中的电阻ER5、ER6为偏置电阻。

图中右边为可见灯光控制电路，通过控制三极管EQ1的导通和截止来控制发光二极管ED1发出可见光，从而可以获得手指指腹戒痕图像。

考虑到系统的调试便捷性和工作的冗余性，采用双电源供电模式进行供电，可见光电路电源根据实际情况选用VDD （15V ）或VCC （5V ），从而可以提供两个亮度级别的可见光打光。

红外打光分组控制部分
红外打光分组控制主要是为了提高系统调
试的灵活性和增强系统工作的鲁棒性而设置的，
其电路原理图如图5所示。

图中各个红外发光二
极管采用串联的方式，以保证通过各个二极管的
电流相同，有相同的亮度，保证采集出的静脉图
像均匀清晰。

单片机的PD7口与NPN 型三极管相
连用于控制所有发光二极管的亮灭。

这样的红外
发光二极管共有三组，由于波长在850～930nm 的红外光对手指静脉的造影特性十分显著，所以三组分组控制的红外发光管分别图4 灯光控制部分电路原理图
图5 红外打光分组控制原理图
采用波长分为930nm 、850nm 、930nm 并且都能够分组控制，亮度连续可调（如上所述）。

配置部分
单片机的编程和配置部分电路原理如图6
所示。

mega8单片机提供了一个真正的同时读-
写(Read-While-Write ，简称RWW) 自编程机
制，可以使用户在编写程序的同时进行调试。

通过设置跳线JBOOT ，控制单片机由
BOOTLOADER 启动工作，通过串行口、IIC 、SIP
或TWI 等通信端口可以实现远程在应用程序编
程功能，从而大大方便了系统调试和升级的。

通信部分
图7是利用MAX232芯片进行单片机和电脑进行通信的接口电平点评转换电路电路。

MAX232是由德州仪器公司（TI ）推出的一款兼容RS232标准的芯片。

由于电脑串口RS232电平是-10v +10v ，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL 电平0 +5v,MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F 电平。

其中4只电容的功能是产生+12v 和-12v 两个电源，来提供给
RS-232串口电平的需要。

电路
只选用MAX232的第一组数据通
道。

11脚和12脚与单片机相连
接，13脚14脚和PC 机相连接，
以实现它们之间的相互通信。

图6 配置部分电路原理图
图7 通信接口部分原理图。