基于ARM7的指紋考勤機(jī)設(shè)計(jì)

　　引言

　　生物識(shí)別技術(shù)依靠其鑒別的唯一性和可靠性，經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛和成熟，目前指紋識(shí)別技術(shù)已趨向民用市場(chǎng)普及，指紋考勤機(jī)就是其主要的應(yīng)用之一。筆者采用功能強(qiáng)大的S33C44B0X處理器設(shè)計(jì)了一款指紋考勤機(jī)，在功能、接口、價(jià)格等方面都有著極大的優(yōu)勢(shì)。

　　所設(shè)計(jì)的考勤機(jī)具有指紋采集和刷卡采集兩大基本功能。指紋采集部分采用CMOS光學(xué)傳感器。刷卡采集相應(yīng)的射頻模塊，它可以通過(guò)串口的方式與CPU通信。考勤機(jī)和上位機(jī)的通訊則采用通用的模擬USB接口，有效地達(dá)到了即保證低成本又方便用戶(hù)使用的目的。另外還加入了USB充電，實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示，語(yǔ)音提示等眾多人性化功能。系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)功能框圖

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主CPU采用的是三星公司的S3C44B0X處理器，該處理器具有功能多、功耗低、運(yùn)算速度快、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

　　硬件設(shè)計(jì)主要包括指紋采集、刷卡采集、和電源管理三個(gè)部分。

　　存儲(chǔ)器采用外接的方式，分別接了64M的HY57V641620HG的SDRAM和16M的39VF1601的flash。語(yǔ)音提示模塊采用的是總長(zhǎng)為21S錄音時(shí)間的AP8921A芯片。

　　上位機(jī)通訊通過(guò)CH341芯片進(jìn)行異步串口轉(zhuǎn)USB1.1接口，用戶(hù)對(duì)外可以按照正常的USB接口使用，省去了麻煩的串口。系統(tǒng)采用了MAX1508芯片通過(guò)USB接口給鋰電充電，平時(shí)采用電池供電，插上USB接口后即可通過(guò)USB接口給系統(tǒng)供電，并給鋰電充電。

　　按鍵總共有三個(gè)，一個(gè)是系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)機(jī)按鍵，另外兩個(gè)分別是實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)的置按鍵和方向鍵。

　　指紋采集

　　指紋采集傳感器采用OV7620，并以I2C總線(xiàn)及DMA的數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)與CPU的信息交互。圖2為指紋采集接口。

圖2 指紋采集接口

　　J1為采集頭的接口，主要有15個(gè)引腳，其中引腳8至引腳15為數(shù)據(jù)輸出接口，連接至鎖存器，最終接到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上;引腳6、7為I2C總線(xiàn)，用于對(duì)傳感器寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置;引腳3到引腳5分別為傳感器的時(shí)鐘信號(hào)、行同步信號(hào)和幀同步信號(hào)。幀同步信號(hào)直接連接至CPU的通用I/O端口GPF3上，行同步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)與非門(mén)接至CPU的外部DMA請(qǐng)求輸入nXDREQ1。

　　當(dāng)nXDREQ1輸出由高電平變得低電平時(shí)，傳感器便有數(shù)據(jù)輸出，并且數(shù)據(jù)能夠維持至下一個(gè)同樣的過(guò)程的到來(lái)。這正好符合44B0的外部DMA請(qǐng)求的單步模式的要求。于是自然就可以采用DMA的方式來(lái)讀取數(shù)據(jù)。最終的數(shù)據(jù)讀取是通過(guò)片選鎖存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于DMA的方式不干預(yù)CPU，因此也大大提高了讀取的速度。

　　刷卡采集

　　刷卡采集選用的是MTP-125K4模塊，并選擇ASCII方式以及固定的9600bps輸出RS232數(shù)據(jù)，感應(yīng)距離為30cm，其輸出數(shù)據(jù)端口直接連接CPU的串口1接收端即可。輸出的數(shù)據(jù)格式為頭碼(02)+10ASCII數(shù)據(jù)+Checksum校驗(yàn)碼+結(jié)束碼(03)，事實(shí)上我們只需存儲(chǔ)10位數(shù)據(jù)信息中的4位卡號(hào)。具體電路如圖3所示。

圖3 讀卡模塊

　　電源管理

　　電源管理部分采用了1150mAh的LI電，通過(guò)DC-DC升壓至5V，再通過(guò)LDO給系統(tǒng)所需要的3.3V和2.5V電壓。其中DC-DC是LT1308A芯片，LDO采用AMS1117-3.3V和AMS1117-2.5V，可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓供給。

　　圖4是電源開(kāi)關(guān)控制部分電路，功能為實(shí)現(xiàn)USB和電池供電的切換。當(dāng)未插入U(xiǎn)SB時(shí)采用電池供電，而連接時(shí)系統(tǒng)采用USB供電。S9為總電源開(kāi)關(guān)。具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：電池供電時(shí)，開(kāi)關(guān)S9按下，TEST1點(diǎn)由高變低，Q0導(dǎo)通，NAND網(wǎng)絡(luò)為高，系統(tǒng)開(kāi)始供電，此時(shí)程序運(yùn)轉(zhuǎn)并給與SHDN引腳高電平信號(hào)，促使Q6導(dǎo)通，此時(shí)即使按鍵抬起TEST1點(diǎn)仍為低電平，維持Q0的導(dǎo)通。當(dāng)插上USB后，按鍵的按下使得Q4導(dǎo)通，Q0此時(shí)截至，系統(tǒng)由電池供電切換為USB供電，其它道理相同。關(guān)機(jī)時(shí)按鍵按下，POWER_DET網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)電平由高變低，給予SHDN低電平，Q6截至，按鍵抬起后無(wú)論是Q0還是Q4均截至，系統(tǒng)斷電。

圖4電源管理模塊

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分除了CPU的底層初始化部分采用ARM匯編，其余全部用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

　　程序初始化后進(jìn)入低功耗模式，等待各種具體操作。當(dāng)有指紋采集時(shí)，就進(jìn)入指紋數(shù)據(jù)采集和處理模塊，處理結(jié)束后，又重新退回低功耗等待模式，等待其他操作。同理，當(dāng)有讀卡數(shù)據(jù)或者時(shí)鐘設(shè)置響應(yīng)時(shí)，便進(jìn)入相應(yīng)的操作模塊進(jìn)行處理。值得注意的是，系統(tǒng)有兩種關(guān)機(jī)方式。一種是通過(guò)手動(dòng)關(guān)機(jī)，另一種則通過(guò)系統(tǒng)定時(shí)器定時(shí)到后自動(dòng)關(guān)機(jī)。

　　圖像數(shù)據(jù)讀取

　　根據(jù)前面的分析，圖像數(shù)據(jù)的采集采用的是DMA方式的單步模式。初始化時(shí)，除了設(shè)置單步模式外，還需要將DMA讀取的源地址設(shè)為鎖存器上的片選地址，目的地址則是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的緩存地址;數(shù)據(jù)的大小設(shè)置為一幀數(shù)據(jù)的大小，這里為480×640字節(jié)。

　　在讀取數(shù)據(jù)過(guò)程中，系統(tǒng)首先檢測(cè)幀同步信號(hào)，以確定一幀的開(kāi)始，然后等待傳感器發(fā)出的DMA請(qǐng)求(與非門(mén)輸出低電平)。當(dāng)接收到請(qǐng)求后，便按DMA的方式傳輸數(shù)據(jù)，每接收一個(gè)字節(jié)，相應(yīng)的用于指示剩余字節(jié)數(shù)的寄存器的值便會(huì)減一，直至減到零，表示數(shù)據(jù)接收完畢。

　　讀卡

　　考慮到刷卡的隨機(jī)性，決定采用中斷的方式來(lái)讀取數(shù)據(jù)。即通常情況下，系統(tǒng)是在低功耗下等待;當(dāng)有刷卡時(shí)，跳出低功耗并讀取數(shù)據(jù)。

　　整個(gè)讀取過(guò)程就是對(duì)串口通信的操作過(guò)程。當(dāng)有數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)時(shí)，串口模塊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。因此在相應(yīng)的中斷響應(yīng)便可以讀取這一數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)完整讀取;所讀取的數(shù)據(jù)中有一個(gè)校驗(yàn)和，可以幫助驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)采用了大量成熟的模塊，具有指紋采集、刷卡、語(yǔ)音提示、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、USB接口等功能的一款便攜設(shè)備。本產(chǎn)品目前已經(jīng)研制出樣機(jī)，經(jīng)調(diào)試檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)合格，實(shí)現(xiàn)了上述各項(xiàng)功能，滿(mǎn)足了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. S3c44b0x_datasheet Sungsang Corp

　　2. 趙晶，Protel 99高級(jí)應(yīng)用，人民郵電出版社，2005.8