图书馆指纹门禁系统的设计与实现

引 言

图书馆门禁系统是图书馆安全防范系统的重要部分 [1]。目前，图书馆门禁系统多采用IC 卡，由于技术本身的缺陷， 其安全性和便捷性越来越不能满足人们的要求。IC 卡识别系统存在识卡不识人、易弯折损坏、携带不方便和易丢失等安全和便捷问题 [2]。故本文提出了一种高安全和便捷性的指纹门禁系统。

指纹识别技术是一种应用比较成熟的生物识别技术。鉴于人指纹的唯一性，长期固定性，各指指纹的差异性以及存储的是指纹特征值而非指纹图像本身，这些保证了其高安全性， 而其易采集性保证了其便捷性[3]。

本研究设计实现一种基于BR8220[4] 图书馆指纹门禁系统，通过内嵌 GC0307[5] 的指纹传感器采集指纹图像数据，将采集到的数据上传至主控芯片，通过指纹算法（eAlg）处理指纹数据和实现指纹识别匹配。该设计通过将BR8220 作为主控芯片，引用 eAlg 算法，提高了系统性价比。同时结合编程实现了与 PC 机间的以太网通信。该研究设计提高了图书馆门禁系统的安全性和便捷性，通过以太网与电脑通信保证了采集指纹的无上限及大容量指纹匹配的高效性。

1 系统的硬件设计

1.1 结构组成及特点

本研究采用ARC 600 内核的 32 位处理器BR8220 作为主控制器 [10]， 此芯片采用RISC 处理器内核， 内嵌 128 KB SRAM， 支持以太网 MAC 的 RMII 接口， 内嵌一个专用于从片外 CMOS 光学传感器采集指纹图像的专用接口，支持USB 2.0 FS Host/Device 接口， 高速串行 FLASH 接口，3 个可配置为SPI/I2C/UART 的异步串口，最大可外扩 16 MB 的SDRAM/SRAM 的 16 位数据和 24 地址线的异步并行接口等。典型工作频率 128 MHz，支持多种 DSP 专用指令，运算速度快，体积小，成本低等优点，在指纹识别方面具有很高的实用性。

图书馆门禁系统结构功能框图如图 1 所示。

系统硬件主要包括 ：电源模块、CMOS 光学传感指纹采集模块、指纹数据存储模块（SRAM 和SDRAM）、指纹程序及指纹模板存储模块（FLASH）、UART 模块、USB 2.0 模块、指纹图像算法处理模块、IC 卡、以太网MAC 模块及LCD 显示模块等。

具体工作流程如下：系统通过 USB供给 5V电源，通过转换芯片ASM117-3.3转换为 3.3V稳压电源给主控芯片，串行 FLASH， 同步并口SDRAM，TFT-LCD 液晶模块及传感器等模块供电。系统上电后，BR8220先进行系统复位和初始化传感器 GC0307，液晶显示器，外部 FLASH，SDRAM， IP101ALF等外设，然后光学指纹传感器采集指纹图像，通过I2C接口同 BR8220的最小系统通信，将采集到的指纹图像通过并口发给并保存到 SRAM中，主控芯片通过各种算法实现对图像的预处理，特征值提取和指纹匹配，最后实现指纹识别功能。在此过程中，同时在 320*240的液晶显示器ILI9320[6] 显示采集到的指纹图像匹配者的相关提示信息，如权限，姓名，学号等。另外，PC机同BR8220 间可通过异步串口通信（UART）将指纹图片等信息发送给 PC机显示，这部分显示的图像是采集后经过处理的指纹图像，其大小在 73KB左右。为了存储 3000枚的指纹模板及程序等信息，这里采用了外扩一块支持 SPI 串行通信 [7] 的 8MB的W25Q64FLASH 芯片，模板及程序都存在此模块中。为了加强其处理能力，如液晶显示及指纹匹配速度，这里外扩了一块容量为16 MB 的 IS45S16800E 的 SDRAM[8]， 这块 SDRAM 在指纹匹配时先将FLASH 中的指纹模板调到其中，以便加快匹配速度达到MS 级。为了考虑兼容性问题，这里还是挂载了IC 模块， IC 卡内可存储 3 枚指纹模板，在第一次刷卡时，将卡内指纹模板加载到系统中，此部分在以后可以移除。

为了实现指纹枚数的无上限性，采用了TCP 协议 [9]，利用MAC 接口挂载了一块 IP101ALF 芯片，实现同电脑的网络通信。通过 C 语言在 Metaware IDE 环境下编写程序[10]，经过调试实现功能。

1.2 指纹采集电路设计

采集指纹图像的好坏对于识别功能影响重大，一幅较高质量的图像可减少算法的复杂度，提高图像识别率，降低图像的拒真率，但图像质量太高又加大了数据的传输时间。

这里采用的 GC0307 是 GalaxyCore 公司的一款光学指 纹传感器，片内集成了640*480 的传感器阵列，256 级的灰度 图像和 8 位的像素数据，支持 I2C 接口模式，工作电压 3.3 V， 通过与主控芯片的专用光学指纹接口相连，主控芯片的硬件支 持采用隔行隔列采样图像。这 里采样行大小为 172*2 和列大 小为 256*2，故采样的指纹图 像大小为 172*256，故一幅原始 采集的指纹图像大小在 44 KB 左右。指纹采集的硬件原理图 如图 2 所示。

其工作原理是，通过 I2C 接口发送初始化，采集控制命 令， 通 过并口 D0 ～ D7 结合 像 素时钟（CLK）， 水平同步 （HSYNC），帧同步（VSYNC）， 系统时钟（IN_CLK）来控制将 采集到的图像上传到主控芯片 的 SRAM 中。

1.3 SDRAM 工作原理图

为了 提 高 系 统 的 性 能， 主要是提高图像处理的速度 及缩短匹配时间，这里外扩了 ISSI 公司生产的 16 MB 的 IS45S16800E。其硬件原理图如图 3 所示。

主控系统的时钟输入CLK，内部刷新时钟控制端 CKE， 片选 #CS，BANK 的选择 BA1 和 BA0，地址线 A0~A11，行 地址选通 #RAS，列地址选通 #CAS，写使能 #WE，字节与 字控制端 DQML 和 DQMH，数据端 DQ0-DQ15。图 2 中的 B00 ～B15，D00 ～D11，D20 ～D29 均为主控系统的引脚标号。

1.4 IP101GA 的工作原理图

为了实现存储指纹的无上限性及在线功能，这里采用了 RMII 接口与上位机通信。其工作原理图如图 4 所示。

IP101GA 这里采用的 RMII 的接口工作方式，选择的是 100M 工频，能快速与上位机进行通信。鉴于篇幅的原因，这 里的 RC522，LCD，Winbond 的 W25Q64 的原理图不再绘制。

2 系统的软件设计

软件方面只介绍指纹录入及指匹配，其流程如图 5、图 6 所示。

3 实验结果

 图 7 为同一手指的三枚指纹图像，其中左边两图是采集 模板时采集的图样，最右边是该枚指纹较差的匹配时采集的图。

4 结 语

该设计实现了图书馆指纹门禁系统的硬件设计，通过内 嵌 GC0307 的光学指纹传感器采集指纹图像通过并口上传至 主控芯片 BR8220，主控芯片通过 eAlg 算法实现指纹模板的 生成和匹配。通过 IP101GA 实现与上位机网络通信，异步通 信口上传处理后图像和便于程序的开发调试。实验结果显示， 实现了预期的功能，实现了性能提高和便捷性要求。