圖書館指紋門禁系統的設計與實現

張信　鄺小飛

摘 要：針對目前“圖書館門禁系統的便捷性和安全性不足”的問題，提出一種基于BR8220芯片及內嵌GC0307的指紋傳感器實現圖書館門禁系統的設計方案。在指紋識別算法方面，采用了eAlg指紋算法。研究結果表明，該系統使用更方便，識別更精確可靠，總體性能滿足了設計要求。

關鍵詞：指紋門禁系統；BR8220；指紋識別算法；指紋傳感器

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

圖書館門禁系統是圖書館安全防范系統的重要部分[1]。目前，圖書館門禁系統多采用IC卡，由于技術本身的缺陷，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。

指紋識別技術是一種應用比較成熟的生物識別技術。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]。

本研究設計實現一種基于BR8220[4]圖書館指紋門禁系統，通過內嵌GC0307[5]的指紋傳感器采集指紋圖像數據，將采集到的數據上傳至主控芯片，通過指紋算法（eAlg）處理指紋數據和實現指紋識別匹配。該設計通過將BR8220作為主控芯片，引用eAlg算法，提高了系統性價比。同時結合編程實現了與PC機間的以太網通信。該研究設計提高了圖書館門禁系統的安全性和便捷性，通過以太網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 系統的硬件設計

1.1 結構組成及特點

本研究采用ARC 600內核的32位處理器BR8220作為主控制器[10]，此芯片采用RISC處理器內核，內嵌128 KB SRAM，支持以太網MAC的RMII接口，內嵌一個專用于從片外CMOS光學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位數據和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，成本低等優點，在指紋識別方面具有很高的實用性。

圖書館門禁系統結構功能框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

系統硬件主要包括：電源模塊、CMOS光學傳感指紋采集模塊、指紋數據存儲模塊（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MAC模塊及LCD顯示模塊等。

具體工作流程如下：系統通過USB供給5 V電源，通過轉換芯片ASM117-3.3轉換為3.3 V穩壓電源給主控芯片，串行FLASH，同步并口SDRAM，TFT-LCD液晶模塊及傳感器等模塊供電。系統上電后，BR8220先進行系統復位和初始化傳感器GC0307，液晶顯示器，外部FLASH，SDRAM，IP101ALF等外設，然后光學指紋傳感器采集指紋圖像，通過I2C接口同BR8220的最小系統通信，將采集到的指紋圖像通過并口發給并保存到SRAM中，主控芯片通過各種算法實現對圖像的預處理，特征值提取和指紋匹配，最后實現指紋識別功能。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提示信息，如權限，姓名，學號等。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送給PC機顯示，這部分顯示的圖像是采集后經過處理的指紋圖像，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中的指紋模板調到其中，以便加快匹配速度達到MS級。為了考慮兼容性問題，這里還是掛載了IC模塊，IC卡內可存儲3枚指紋模板，在第一次刷卡時，將卡內指紋模板加載到系統中，此部分在以后可以移除。

為了實現指紋枚數的無上限性，采用了TCP協議[9]，利用MAC接口掛載了一塊IP101ALF芯片，實現同電腦的網絡通信。通過C語言在Metaware IDE環境下編寫程序[10]，經過調試實現功能。

1.2 指紋采集電路設計

采集指紋圖像的好壞對于識別功能影響重大，一幅較高質量的圖像可減少算法的復雜度，提高圖像識別率，降低圖像的拒真率，但圖像質量太高又加大了數據的傳輸時間。

這里采用的GC0307是GalaxyCore公司的一款光學指紋傳感器，片內集成了640*480的傳感器陣列，256級的灰度圖像和8位的像素數據，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接口發送初始化，采集控制命令，通過并口D0～D7結合像素時鐘（CLK），水平同步（HSYNC），幀同步（VSYNC），系統時鐘（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公司生產的16 MB的IS45S16800E。其硬件原理圖如圖3所示。

主控系統的時鐘輸入CLK，內部刷新時鐘控制端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，字節與字控制端DQML和DQMH，數據端DQ0-DQ15。圖2中的B00～B15，D00～D11，D20～D29均為主控系統的引腳標號。

圖2 光學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 系統的軟件設計

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 實驗結果圖

4 結 語

該設計實現了圖書館指紋門禁系統的硬件設計，通過內嵌GC0307的光學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算法實現指紋模板的生成和匹配。通過IP101GA實現與上位機網絡通信，異步通信口上傳處理后圖像和便于程序的開發調試。實驗結果顯示，實現了預期的功能，實現了性能提高和便捷性要求。

參考文獻

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