基于FPGA 和指纹识别的储物柜控制系统设计

2024年6月2日发(作者：)

第33卷第5期

2017年5月

科技通报

BULLETINOFSCIENCEANDTECHNOLOGY

Vol.33No.5

May.2017

基于FPGA和指纹识别的储物柜控制系统设计

吴霞

（中国计量大学机电工程学院，杭州310018）

摘要：随着人们的安全意识的不断提高，越来越多的产品需要个人身份的认证，指纹识别是当前较为

可靠的身份识别方式，应用广泛。FPGA（现场可编程门阵列）是近年来迅速发展起来的新型可编程器

件，具有功耗低，体积小，并行运行等优点，大量运用于数字信号处理领域。基于这两种技术，以纯硬件

电路的方式设计出一款新型的储物柜控制系统。该系统由指纹传感器、柜门驱动器、FPGA控制器以及

捷。

RS485通讯模块组成，可以通过上位机实现远程监控管理。实验证明，该控制器运行快速稳定，操作便

关键词：储物柜控制系统；指纹识别；FPGA；纯硬件电路

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1001-7119（2017）05-0162-05

DOI:10.13774/.2017.05.038

DesignoftheControlSystemofLockersBasedonFPGAandFingerprint

IdentificationTechnology

WuXia

（CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018，China）

Abstract：Inrecentyears,people'ssafetyawarenessisconstantlyimproving,moreandmoreproducts

requiretheauthenticationofpersonalidentity,Fingerprintidentificationisareliablemethodofidentity

recognition,(fieldprogrammablegatearray)isanew

headvantagesoflowpower

asisofthesetwotechnologies,achievinganewlockerscontrolsystemthroughpure

consumption,smallsize,parallelingoperationandsoon,andwidelyusedinthefieldofdigitalsignal

stemiscomposedoffingerprintsensor,lockerdrivemodule,FPGAcontrol

eenverifiedthatthissystemisrunningrapidlyandoperateconveniently.

Keywords：lockerscontrolsystem；fingerprintidentification；FPGA；purehardwarecircuit

ametime,itcanbemanagedbyuppercomputerin

近年来，各种大中型超市、百货公司、购物中

心不断发展，为了给顾客营造更方便、更温馨的

购物环境，同时也为了防止一些不法之人通过携

带包裹窃取商场内物品而造成经济损失，各大超

市都会放置多个储物柜，给顾客提供随身物品寄

存服务。传统的储物柜大都是通过打印条形码

储物进行识别。使用这类储物柜容易出现如识

别码打印纸用完，顾客纸条丢失，纸条失效后的

处理，事故管理等相关问题。

针对上述问题，市场上出现了IC卡储物柜，

这类储物柜主要的问题是：（1）只适合在各类高

校图书馆等公共场所；（2）IC卡的使用大大限制

了使用的范围，通用性差；（3）IC卡也容易丢失。

针对这些弊端，通过引入指纹识别技术，可有效

收稿日期：2016-05-12

基金项目：2014年“十二五”浙江省级实验教学示范中心重点建设项目。

作者简介：吴霞，主任，副教授。

第5期

吴霞.基于FPGA和指纹识别的储物柜控制系统设计

163

解决储物柜使用的场合限制问题，条形码带来的

环境污染与材料浪费问题。当需要控制的数量

增多时，DSP和ARM控制器处理会变得复杂，而

使用FPGA来控制处理将变得简单快速。

1指纹识别储物柜系统通用性实现

由于传统扫码式和刷卡式的储物柜，验证信

息容易丢失，所以采用指纹作为验证信息，结合

上文提到的通用性问题，给指纹识别系统设计两

种工作模式，应对不同场合只需更改程序，不用

更改硬件设施，使用更加灵活。

指纹识别储物柜的两种工作模式:

（1）临时存储模式：每次存物品时，记录存储

者的指纹信息，并打开任何一个空着的柜子。当

存储者的物品被取出之后，那么系统会自动清除

用户的个人信息。在事故情况下，管理员可以通

过电脑对任何一个柜门进行远程控制。临时存

储模式下系统工作流程如图1所示。

图1临时存储模式工作流程

（

Fig.1

2）个人专用模式：

Workflowdiagramof

个人专用模式下，

temporarystoragemode

则需要

上位机对储物柜的用户信息进行管理，每个柜子

只有专属者可以打开，管理员可以删除或添加用

户信息。个人专用模式下系统工作流程如图2。

2指纹传感器原理及其选择

要实现指纹识别，传感器的选择最为关键。

目前市场上主要存在两类指纹传感器：光学传感

器和半导体传感器。

图2个人专用模式工作流程

Fig.2Workflowdiagramofpersonalmode

两种传感器的原理及其性能对比：

（1）光学指纹传感器：

主要是利用光的折摄和反射原理，光从底部

射向三棱镜，并经棱镜射出，射出的光线在手指

表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射

回去的光线明暗就会不一样。如图3中左图。

（2）半导体指纹传感器：

无论是电容式或是电感式，其原理类似，在

一块集成有成千上万半导体器件的“平板”上，手

指贴在其上与其构成了电容（电感）的另一面，凸

点处和凹点处接触平板的实际距离大小就不一

样，形成的电容/电感数值也就不一样。如图3中

右图所示。

从价格上比较，两种传感器的价格相差不

大，但是光学采集头的精度不高，安全性差，有的

甚至用手指的照片就可以开锁，相比较半导体传

感器准确性和安全性更高，更适合在人流动量大

的的场合使用。

图3指纹传感器原理图

Fig.3Schematicdiagramoffingerprintsensors

3远程控制指纹识别储物柜的实现

164

科技

3.1指纹识别储物柜远程管理系统

为了减轻储物柜管理员的工作量，储物柜控

制系统采用RS485总线通信，从而实现远程控

制，方便监控管理。指纹识别储物柜远程管理系

统框图如图4所示：

图4指纹识别储物柜远程管理系统框图

Fig.4Schematic

上位机界面设计如图

fingerprint

diagram

identification

ofremotemanagementsystemof

5所示：

lockers

图5指纹识别储物柜远程管理系统上位机界面

Fig.5Operatinginterfaceofremotemanagementsystemof

3.2硬件功能模块简介

fingerprintidentificationlockers

选择模块、

FPGA内部主要分为以下几个子模块：

三个串口通信模块、一个存取控制处

功能

理模块、数据存储单元、检测柜门状态处理模

块。整体功能框图如图6所示：

图6FPGA内部系统功能框图

各个子模块的功能描述：

Fig.6FunctionaldiagramofFPGAinternalsystem

（1）串口通信模块：指纹模块，以及上位机通

通报

第33卷

信，液晶显示器（TFT2.4寸液晶屏）都是通过串口

实现通讯，指纹模块的串口主要实现指纹识别指

令的传输，读取指纹信息等；上位机串口:传输柜

子的使用情况等信息，并接受来自上位机的控制

指令；液晶显示串口：控制液晶显示器显示柜子

的使用信息。

（2）存储控制处理模块:选择不同的工作模

式；根据不同的工作模式执行各自的存取处理；

当接受到存信号，根据当前柜子的使用信息以及

开关状态进行分配空闲的柜子，当接收到取信

号，读取指纹信息，与现有用户信息进行匹配，然

后处理是否开启。

（3）数据存储模块:存储当前柜子的开关状态

和使用情况

3.3电控锁及其驱动电路

电控锁作为整个系统的执行机构，其核心为

继电器控制的电磁铁。

相关技术参数如表1所示：

表1电控锁技术参数

Table1Technicalparametersofelectriccontrollock

项目名称参数

型号

电磁铁电气参数

12V

HT6513

，2A

电源直流电源部分正负

门关监控开关状态开门闭合；门关断开

开锁时间

温度

-10℃-65℃保证锁头正常使用

<0.8

控制继电器参数要求：

（1）驱动电流一般20~40mA或者更大。

（2）继电器内阻100~200Ω。

储物柜控制驱动电路分析：

当三极管N6基极输入高电平时，晶体管饱

和导通，集电极变为低电平，继电器线圈处于导

通状态，常开触点闭合。

图7储物柜控制驱动电路

Fig.7Drivecircuitofelectriccontrollocker

第5期

吴霞.基于FPGA和指纹识别的储物柜控制系统设计

165

晶体管N6一般选VCBO≈VCEO≥24V，放大

倍数β一般选择在120～240之间。电阻R1主要

起限流作用，降低晶体管T1功耗，阻值为2KΩ。

电阻R2使晶体管N6可靠截止，阻值为5.1KΩ。

二极管反向续流，抑制浪涌，一般选1N4148即

可。

3.4储物柜控制逻辑与实现

当柜子的数量少时，可以采用一个I/O口控

制一个柜子，但是当柜子数量较多时，该方法将

大量占用I/O资源，故采用I/O组成矩阵网络来实

现控制，控制原理如下（以24个柜子为例）：

表2I/O矩阵网络组成表

Table2CompositiontableofI/Omatrixnetwork

横向

纵向

ABCD

EAE

G

F

AG

AF

BE

BG

BF

CEDE

IAI

BH

CG

CF

CH

DG

DF

HAHDH

的端口。横向分为

A

J

BICIDI

、B、C、D

AJ

、E、F、

BJCJDJ

H、I。这样就可以控制

A

G

、

、

B

H

、

、

C

I

、

、

D

J

；

分别代表输出控制

纵向分为E、F、G、

ABCD=0001

当两个相交的端口同时为

4*6=24

被选中。

；EFGHI=000100；

‘

个柜子。

查表可得

1’信号使能。例

DH柜子

随机选中某个储物柜

ABCD=0001<

（M，N）的算法：

（

EFGHI=000001<

（1）

M、N的取值范围由被移数据位数决定）

（2）

随机选中某控制柜的

reg[4:0]

verilogHDL程序：

reg[2:0]

rand;

生范围

rand

0-5

=

的随机数

{$random}

rand1;

%5;//通过位拼接操作{}产

产生范围

rand1={$random}%3;//通过位拼接操作

reg[3:0]

0-3的随机数

{}

reg[5:0]

ABCD;

ABCD

EFGFIJ;

EFGFIJ

=

……

=

ABCD<

//

EFGFIJ

通过查表确定是那个柜子

<

3.5储物柜开关状态检测的实现

O

24个柜子需要24个检测信号，若使用24个I/

消耗的引脚资源过多。所以采用循环扫描检测

去检测柜子的开关状态，虽然处理速度快，但是

的方式来解决引脚资源不足的问题。

选用3个8选1数据选择器组成一个24选1

的数据选择器,按照一定的时钟频率对每一个输

入端口进行扫描，

脚排列如图

74LS151

8

为互补输出的

读取柜子的开关状态并存储。

所示：

8选1数据选择器，引

选择控制端（地址端）为C~A，按二进制译

码，从8个输入数据D0~D7中，选择一个需要的

数据送到输出端Y，G为使能端，低电平有效。

（1）使能端G＝1时，不论C~A状态如何，均

无输出（Y＝0，W＝1），多路开关被禁止。

图874LS151引脚图

（2）使能端

Fig.8

G＝

Pin

0

diagram

时，多路开关正常工作，

of74LS151

根

据地址码C、B、A的状态选择D0～D7中某一个通

道的数据输送到输出端Y。如：CBA＝000，则选

择D0数据到输出端，即Y＝D0。如：CBA＝001，

则选择

8选

D1数据到输出端,即Y＝D1，

Y

1

D3

=

数据选择器的逻辑函数：

其余类推。

D0

ˉ

D6

(

(

A

ABC

BC

(

ˉ

A

ˉ

)

)

B

ˉ

+

C

ˉ

+

D4

D7(ABC)

)

+

(

D1

AB

ˉ

(

C

ˉ

A

ˉ

)

B

ˉ

+

C

)

D5

+

(

D2

AB

ˉ

(

C

A

ˉ

)

BC

ˉ

+

)

+

（3）

使用3个8选1的数据选择器构成24选1的

数据选择器

G1、G2

令3个数据选择器的G引脚分别标记为G0、

G0

G1

=

DE

G2

=

=

D

ˉ

ˉ

E

ˉ

ˉ

;

;

选中第一块芯片

选中第二块芯片

D5

G1所对应的数据选择器的

D

E

;选中第三块芯片

D0D1D2D3D4

D15

D6

代替

D7分别用D8D9D10D11D12D13D14

166

科技

D5

D23

D6

G2

代替

D7

所对应的数据选择器的

分别用D16D17D18D19

D0D1

D20

D2

D21

D3

D22

D4

最终得到

Y=

+D2

D0

(

A

ˉ

24选1

+D5

(

+D8

(

A

(

A

ˉ

B

A

ˉ

B

ˉ

ˉ

B

ˉ

C

BC

ˉ

C

ˉ

数据选择器的逻辑函数：

CD

ˉ

D

DE

ˉ

E

ˉ

)

+D1

(

A

ˉ

ˉ

D

ˉ

ˉ

E

ˉ

)

E

ˉ

)

+

)

+

D3

+

D6(A

(

A

D9

(

ˉ

ˉ

B

A

ˉ

B

ˉ

B

ˉ

ˉ

C

ˉ

BC

CDE

C

ˉ

D

DE

ˉ

E

)

ˉ

D

ˉ

ˉ

E

)

)

)

+

+

+

D7

D4

D10

(

(

A

ˉ

A

ˉ

(

B

ˉ

B

ˉ

A

ˉ

CDE

CD

ˉ

E

ˉ

BC

ˉ

DE

)

)

+D11(

(

A

ˉ

)

+D13

+D15

(

(

A

A

ˉ

ˉ

ˉ

BCD

BC

ˉ

DE

BCDE

ˉ

E

)

)

)

+

+

+

D14

D12

D16

(

(

(

A

AB

ˉ

A

ˉ

BCDE

BCD

ˉ

E

ˉ

)

ˉ

C

ˉ

D

ˉ

E

ˉ

ˉ

)

+D17

+D19

(

(

AB

AB

ˉ

C

C

ˉ

D

ˉ

E

)

+D18

(

AB

ˉ

ˉ

C

ˉ

CD

DE

ˉ

ˉ

E

ˉ

)

)

+D21

ˉ

ˉ

CD

ˉ

ˉ

DE

E

)

)

+

+

D22

D20

(

(

AB

AB

)

+D23

(

(

AB

AB

ˉ

CDE

)

ˉ

CDE

ˉ

)

24选1数据选择器电路原理图如图9所示：

（4）

图924选1数据选择器电路图

Fig.9Circuitof24select1dataselector

5装置制作与实验分析

为验证方案的有效性，设计并制作了一个5

柜门的控制器，经过测试，该控制器可以有效实

现储物柜的指纹识别控制以及远程监控管理。

通报

第33卷

图105柜门控制器实物图

Fig.10Physicalmapof5lockerscontroldevice

运行稳定，操作便捷。控制5柜门的控制器实物

如图10所示。

6结论

本文提出了一种新的基于FPGA和指纹识别

技术的储柜物控制系统，有效解决了传统储物系

统的各类缺陷。基于FPGA设计的控制器可以实

现数据并行处理，控制逻辑简单，其纯硬件的特

点大大提高了系统运行速率，适用于需要大量储

物柜的公共场所。实验证明，该系统运行快速可

靠。

参考文献:

[1]章毓晋

社，2008:29-48.

.图像处理和分析技术[M].北京:高等教育出版

[2]

[3]沈建华，

216.

陆蓓.C语言程序设[M].北京:科学出版社，2004:185-

片机实践与系统设计

杨艳琴，翟骁曙

[M].

.MSP430

北京:清华大学出版社，

系列16位超低功耗单

2005:

[4]

195-228

潘松，

[5]

2003.

黄继业.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社，

王道宪

北京:国防工业出版社，

.CPLD/FPGA下可编程逻辑器件应用与开发

2004.

[M].

[6]徐志军，

电子工业出版社，

徐光辉.CPLD/FPGA

2002.

下的开发与运用[M].北京:

[7]王诚，

人民邮电出版社，

薛小刚，钟信潮

2004.

.CPLD/FPGA设计工具[M].北京:

[8]刘韬，

北京:人民邮电出版社，

楼兴华.FPGA数字电子系统与开发实例导航

2005.

[M].