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(xiàn)一種基于BR8220[4] 圖書館指紋門禁系統(tǒng)，通過內嵌 GC0307[5] 的指紋傳感器采集指紋圖像數(shù)據，將采集到的數(shù)據上傳至主控芯片，通過指紋算法（eAlg）處理指紋數(shù)據和實現(xiàn)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(tǒng)性價比。同時結合編程實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)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(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)結構功能框圖如圖 1 所示。

系統(tǒng)硬件主要包括 ：電源模塊、CMOS 光學傳感指紋采集模塊、指紋數(shù)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(tǒng)通過 USB供給 5V電源，通過轉換芯片ASM117-3.3轉換為 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先進行系統(tǒng)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(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(fā)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 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(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)同電腦的網絡通信。通過 C 語言在 Metaware IDE 環(huán)境下編寫程序[10]，經過調試實現(xiàn)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(shù)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(shù)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(fā)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(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)據端 DQ0-DQ15。圖 2 中的 B00 ～B15，D00 ～D11，D20 ～D29 均為主控系統(tǒng)的引腳標號。

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。

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。

4 結 語

該設計實現(xiàn)了圖書館指紋門禁系統(tǒng)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(xiàn)指紋模板的 生成和匹配。通過 IP101GA 實現(xiàn)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(fā)調試。實驗結果顯示， 實現(xiàn)了預期的功能，實現(xiàn)了性能提高和便捷性要求。