图书馆指纹门禁系统的设计与实现

张信　邝小飞

摘 要：针对目前“图书馆门禁系统的便捷性和安全性不足”的问题，提出一种基于BR8220芯片及内嵌GC0307的指纹传感器实现图书馆门禁系统的设计方案。在指纹识别算法方面，采用了eAlg指纹算法。研究结果表明，该系统使用更方便，识别更精确可靠，总体性能满足了设计要求。

关键词：指纹门禁系统；BR8220；指纹识别算法；指纹传感器

中图分类号：TP316 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）03-00-03

0 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。

图1 系统硬件框图

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5 V电源，通过转换芯片ASM117-3.3转换为3.3 V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73 KB左右。为了存储3 000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8 MB的W25Q64 FLASH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。

图2 光学指纹头与主控芯片接口电路

图3 外扩SDRAM原理框图

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。

图5 指纹录入流程

图6 指纹匹配流程

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。

图7 实验结果图

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。

参考文献

[1]尤小平. 门禁管理与图书馆服务[J]. 图书馆建设， 2008 （6）： 111-112.

[2]永宁. 非接触 IC 卡原理与应用[M].北京：电子工业出版社， 2006.

[3]孙冬梅， 裘正定. 生物特征识别技术综述[J]. 电子学报， 2009 （z1）： 1744-1748.

[4] BRMICRO. BR8220数据手册[R].2013.

[5] GALAXYCORE INC.VGA CMOS Image Sensor GC0307 Data Sheet V 2.0[R]. 2009.

[6] ILITEKE.COM.a-Si TFT LCD Single Chip Driver 240RGBx320 Resolution and 16.7M color Datasheet[R].2006.

[7]王 耿，王金明. SPI 接口控制器设计与实现[J]. 电子质量，2010（1）：4- 6.

[8] Akesson B， Goossens K， Ringhofer M. Predator： a predictable SDRAM memory controller[C]//Proceedings of the 5th IEEE/ACM international conference on Hardware/software codesign and system synthesis. ACM， 2007： 251-256.

[9]陈晓燕， 庞涛， 卢宇翔. 嵌入式 TCP/IP 协议数据传输监控系统的设计[J]. 测控技术， 2012， 31（2）： 81-83.

[10]祝敏.基于ARC600的H. 264解码器实现[D]. 杭州：浙江大学， 2006.