張信 鄺小飛
摘 要:針對目前“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的指紋傳感器實現(xiàn)圖書館門禁系統(tǒng)的設(shè)計方案。在指紋識別算法方面,采用了eAlg指紋算法。研究結(jié)果表明,該系統(tǒng)使用更方便,識別更精確可靠,總體性能滿足了設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞:指紋門禁系統(tǒng);BR8220;指紋識別算法;指紋傳感器
中圖分類號:TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號: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)計實現(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)和實現(xiàn)指紋識別匹配。該設(shè)計通過將BR8220作為主控芯片,引用eAlg算法,提高了系統(tǒng)性價比。同時結(jié)合編程實現(xiàn)了與PC機間的以太網(wǎng)通信。該研究設(shè)計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
1.1 結(jié)構(gòu)組成及特點
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個可配置為SPI/I2C/UART的異步串口,最大可外擴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,運算速度快,體積小,成本低等優(yōu)點,在指紋識別方面具有很高的實用性。
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現(xiàn)對圖像的預(yù)處理,特征值提取和指紋匹配,最后實現(xiàn)指紋識別功能。在此過程中,同時在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3 000枚的指紋模板及程序等信息,這里采用了外擴一塊支持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。為了加強其處理能力,如液晶顯示及指紋匹配速度,這里外擴了一塊容量為16 MB的IS45S16800E的SDRAM[8],這塊SDRAM在指紋匹配時先將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,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)試實現(xiàn)功能。
1.2 指紋采集電路設(shè)計
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位的像素數(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)合像素時鐘(CLK),水平同步(HSYNC),幀同步(VSYNC),系統(tǒng)時鐘(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間,這里外擴了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)的時鐘輸入CLK,內(nèi)部刷新時鐘控制端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。
圖2 光學(xué)指紋頭與主控芯片接口電路
圖3 外擴SDRAM原理框圖
1.4 IP101GA的工作原理圖
為了實現(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,能快速與上位機進行通信。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
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 實驗結(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采集的圖樣,最右邊是該枚指紋較差的匹配時采集的圖。
圖7 實驗結(jié)果圖
4 結(jié) 語
該設(shè)計實現(xiàn)了圖書館指紋門禁系統(tǒng)的硬件設(shè)計,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算法實現(xiàn)指紋模板的生成和匹配。通過IP101GA實現(xiàn)與上位機網(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。實驗結(jié)果顯示,實現(xiàn)了預(yù)期的功能,實現(xiàn)了性能提高和便捷性要求。
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