圖書館指紋門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張信　鄺小飛

摘 要：針對(duì)目前“圖書館門禁系統(tǒng)的便捷性和安全性不足”的問題，提出一種基于BR8220芯片及內(nèi)嵌GC0307的指紋傳感器實(shí)現(xiàn)圖書館門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在指紋識(shí)別算法方面，采用了eAlg指紋算法。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)使用更方便，識(shí)別更精確可靠，總體性能滿足了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：指紋門禁系統(tǒng)；BR8220；指紋識(shí)別算法；指紋傳感器

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

圖書館門禁系統(tǒng)是圖書館安全防范系統(tǒng)的重要部分[1]。目前，圖書館門禁系統(tǒng)多采用IC卡，由于技術(shù)本身的缺陷，其安全性和便捷性越來越不能滿足人們的要求。IC卡識(shí)別系統(tǒng)存在識(shí)卡不識(shí)人、易彎折損壞、攜帶不方便和易丟失等安全和便捷問題 [2]。故本文提出了一種高安全和便捷性的指紋門禁系統(tǒng)。

指紋識(shí)別技術(shù)是一種應(yīng)用比較成熟的生物識(shí)別技術(shù)。鑒于人指紋的唯一性，長期固定性，各指指紋的差異性以及存儲(chǔ)的是指紋特征值而非指紋圖像本身，這些保證了其高安全性，而其易采集性保證了其便捷性[3]。

本研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于BR8220[4]圖書館指紋門禁系統(tǒng)，通過內(nèi)嵌GC0307[5]的指紋傳感器采集指紋圖像數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至主控芯片，通過指紋算法（eAlg）處理指紋數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別匹配。該設(shè)計(jì)通過將BR8220作為主控芯片，引用eAlg算法，提高了系統(tǒng)性價(jià)比。同時(shí)結(jié)合編程實(shí)現(xiàn)了與PC機(jī)間的以太網(wǎng)通信。該研究設(shè)計(jì)提高了圖書館門禁系統(tǒng)的安全性和便捷性，通過以太網(wǎng)與電腦通信保證了采集指紋的無上限及大容量指紋匹配的高效性。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

本研究采用ARC 600內(nèi)核的32位處理器BR8220作為主控制器[10]，此芯片采用RISC處理器內(nèi)核，內(nèi)嵌128 KB SRAM，支持以太網(wǎng)MAC的RMII接口，內(nèi)嵌一個(gè)專用于從片外CMOS光學(xué)傳感器采集指紋圖像的專用接口，支持USB 2.0 FS Host/Device接口，高速串行FLASH接口，3個(gè)可配置為SPI/I2C/UART的異步串口，最大可外擴(kuò)16 MB的SDRAM/SRAM的16位數(shù)據(jù)和24地址線的異步并行接口等。典型工作頻率128 MHz，支持多種DSP專用指令，運(yùn)算速度快，體積小，成本低等優(yōu)點(diǎn)，在指紋識(shí)別方面具有很高的實(shí)用性。

圖書館門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)硬件主要包括：電源模塊、CMOS光學(xué)傳感指紋采集模塊、指紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（SRAM和SDRAM）、指紋程序及指紋模板存儲(chǔ)模塊（FLASH）、UART模塊、USB 2.0模塊、指紋圖像算法處理模塊、IC卡、以太網(wǎng)MAC模塊及LCD顯示模塊等。

具體工作流程如下：系統(tǒng)通過USB供給5 V電源，通過轉(zhuǎn)換芯片ASM117-3.3轉(zhuǎn)換為3.3 V穩(wěn)壓電源給主控芯片，串行FLASH，同步并口SDRAM，TFT-LCD液晶模塊及傳感器等模塊供電。系統(tǒng)上電后，BR8220先進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位和初始化傳感器GC0307，液晶顯示器，外部FLASH，SDRAM，IP101ALF等外設(shè)，然后光學(xué)指紋傳感器采集指紋圖像，通過I2C接口同BR8220的最小系統(tǒng)通信，將采集到的指紋圖像通過并口發(fā)給并保存到SRAM中，主控芯片通過各種算法實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的預(yù)處理，特征值提取和指紋匹配，最后實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別功能。在此過程中，同時(shí)在320*240的液晶顯示器ILI9320[6] 顯示采集到的指紋圖像匹配者的相關(guān)提示信息，如權(quán)限，姓名，學(xué)號(hào)等。另外，PC機(jī)同BR8220間可通過異步串口通信（UART）將指紋圖片等信息發(fā)送給PC機(jī)顯示，這部分顯示的圖像是采集后經(jīng)過處理的指紋圖像，其大小在73 KB左右。為了存儲(chǔ)3 000枚的指紋模板及程序等信息，這里采用了外擴(kuò)一塊支持SPI串行通信[7]的8 MB的W25Q64 FLASH芯片，模板及程序都存在此模塊中。為了加強(qiáng)其處理能力，如液晶顯示及指紋匹配速度，這里外擴(kuò)了一塊容量為16 MB的IS45S16800E的SDRAM[8]，這塊SDRAM在指紋匹配時(shí)先將FLASH中的指紋模板調(diào)到其中，以便加快匹配速度達(dá)到MS級(jí)。為了考慮兼容性問題，這里還是掛載了IC模塊，IC卡內(nèi)可存儲(chǔ)3枚指紋模板，在第一次刷卡時(shí)，將卡內(nèi)指紋模板加載到系統(tǒng)中，此部分在以后可以移除。

為了實(shí)現(xiàn)指紋枚數(shù)的無上限性，采用了TCP協(xié)議[9]，利用MAC接口掛載了一塊IP101ALF芯片，實(shí)現(xiàn)同電腦的網(wǎng)絡(luò)通信。通過C語言在Metaware IDE環(huán)境下編寫程序[10]，經(jīng)過調(diào)試實(shí)現(xiàn)功能。

1.2 指紋采集電路設(shè)計(jì)

采集指紋圖像的好壞對(duì)于識(shí)別功能影響重大，一幅較高質(zhì)量的圖像可減少算法的復(fù)雜度，提高圖像識(shí)別率，降低圖像的拒真率，但圖像質(zhì)量太高又加大了數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。

這里采用的GC0307是GalaxyCore公司的一款光學(xué)指紋傳感器，片內(nèi)集成了640*480的傳感器陣列，256級(jí)的灰度圖像和8位的像素?cái)?shù)據(jù)，支持I2C接口模式，工作電壓3.3 V，通過與主控芯片的專用光學(xué)指紋接口相連，主控芯片的硬件支持采用隔行隔列采樣圖像。這里采樣行大小為172*2和列大小為256*2，故采樣的指紋圖像大小為172*256，故一幅原始采集的指紋圖像大小在44 KB左右。指紋采集的硬件原理圖如圖2所示。

其工作原理是，通過I2C接口發(fā)送初始化，采集控制命令，通過并口D0～D7結(jié)合像素時(shí)鐘（CLK），水平同步（HSYNC），幀同步（VSYNC），系統(tǒng)時(shí)鐘（IN_CLK）來控制將采集到的圖像上傳到主控芯片的SRAM中。

1.3 SDRAM工作原理圖

為了提高系統(tǒng)的性能，主要是提高圖像處理的速度及縮短匹配時(shí)間，這里外擴(kuò)了ISSI公司生產(chǎn)的16 MB的IS45S16800E。其硬件原理圖如圖3所示。

主控系統(tǒng)的時(shí)鐘輸入CLK，內(nèi)部刷新時(shí)鐘控制端CKE，片選#CS，BANK的選擇BA1和BA0，地址線A0～A11，行地址選通#RAS，列地址選通#CAS，寫使能#WE，字節(jié)與字控制端DQML和DQMH，數(shù)據(jù)端DQ0-DQ15。圖2中的B00～B15，D00～D11，D20～D29均為主控系統(tǒng)的引腳標(biāo)號(hào)。

圖2 光學(xué)指紋頭與主控芯片接口電路

圖3 外擴(kuò)SDRAM原理框圖

1.4 IP101GA的工作原理圖

為了實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)指紋的無上限性及在線功能，這里采用了RMII接口與上位機(jī)通信。其工作原理圖如圖4所示。

IP101GA這里采用的RMII的接口工作方式，選擇的是100M工頻，能快速與上位機(jī)進(jìn)行通信。鑒于篇幅的原因，這里的RC522，LCD，Winbond的W25Q64的原理圖不再繪制。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件方面只介紹指紋錄入及指匹配，其流程如圖5、圖6所示。

圖5 指紋錄入流程

圖6 指紋匹配流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7為同一手指的三枚指紋圖像，其中左邊兩圖是采集模板時(shí)采集的圖樣，最右邊是該枚指紋較差的匹配時(shí)采集的圖。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

4 結(jié) 語

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了圖書館指紋門禁系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，通過內(nèi)嵌GC0307的光學(xué)指紋傳感器采集指紋圖像通過并口上傳至主控芯片BR8220，主控芯片通過eAlg算法實(shí)現(xiàn)指紋模板的生成和匹配。通過IP101GA實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，異步通信口上傳處理后圖像和便于程序的開發(fā)調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，實(shí)現(xiàn)了性能提高和便捷性要求。

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