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

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 卡識別系統(tǒng)存在識卡不識人、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)。

指紋識別技術(shù)是一種應(yīng)用比較成熟的生物識別技術(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。

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)存儲模塊（SRAM 和SDRAM）、指紋程序及指紋模板存儲模塊（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 5V電源，通過轉(zhuǎn)換芯片ASM117-3.3轉(zhuǎn)換為 3.3V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 73KB左右。為了存儲 3000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 8MB的W25Q64FLASH 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。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 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于識別功能影響重大，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。

1.4 IP101GA 的工作原理圖

為了實(shí)現(xiàn)存儲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。

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。

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。