2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1.1系統(tǒng)概述及設(shè)計原則

　　門禁管理系統(tǒng)是新型現(xiàn)代化的安全管理系統(tǒng)，主要用于管理重要部門出入口，是實現(xiàn)安全防范管理的有效措施，適用于各種重要部門，如企業(yè)、政府、銀行、賓館、金融貿(mào)易樓和綜合辦公樓等。

　　門禁系統(tǒng)一般分為獨立型和聯(lián)網(wǎng)型，聯(lián)網(wǎng)型門禁系統(tǒng)通訊方式常見的有RS232、RS485、CAN和TCP/IP，采用TCP/IP通訊方式的聯(lián)網(wǎng)型門禁系統(tǒng)簡稱為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)。相對其它通訊方式，基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信的門禁系統(tǒng)通過局域網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)，更容易實現(xiàn)遠程控制和分布式管理。

　　從門禁鎖的控制方式來看，主要有鑰匙、密碼、磁卡、IC卡等。隨著現(xiàn)代生活對安防水平要求的提高，從目前已有的門禁鎖具的控制方式來看，存在著一定的安全隱患，鑰匙、密碼和磁卡容易復(fù)制、竊取；IC卡的安全性較高，但也容易丟失。因此，現(xiàn)在人們心目中的門禁鎖具必須具有方便、安全，美觀等特點。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，基于人體生理特征的身份識別系統(tǒng)逐漸被人們開始采用，目前，從實用角度看，指紋識別技術(shù)要比其它生物識別技術(shù)更安全和方便。

　　基于指紋識別的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)方案設(shè)計的前提是滿足用戶的各種需求，利用系統(tǒng)強大的功能以及良好的性價比，讓用戶得到最好的服務(wù)和最大的利益。方案的設(shè)計原則：實用性、穩(wěn)定性、安全性、可擴展性和易維護性。

　　2.1.2 系統(tǒng)組成及功能

　　一般RS485門禁控制器只支持128臺或者256臺設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，而TCP／IP門禁控制器理論上可以支持無限多臺門禁設(shè)備。所以TCP／IP網(wǎng)絡(luò)型門禁控制器是最適合大型大面積的門禁系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的。例如供電部門的變電站門禁的聯(lián)網(wǎng)管理、銀行儲蓄所的門禁管理等都適合這種模式。互聯(lián)網(wǎng)的門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

圖2-1互聯(lián)網(wǎng)的門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　基于指紋識別的TCP/IP門禁系統(tǒng)方案基本組成：

　　（1）管理中心：一臺連接到門禁控制器或網(wǎng)絡(luò)的PC機，通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)與其它門禁控制器或PC機連接，實現(xiàn)門禁控制器采集信息的處理和分析，并發(fā)送控制指令，以及對相應(yīng)的軟件管理。

　　（2）門禁管理軟件：管理工作站通過管理軟件遠程監(jiān)控服務(wù)器和各門禁控制器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)各種管理功能。

　　（3）門禁控制器：用于前端信息的采集、傳輸和處理，并控制門禁的電控鎖和門鈴，執(zhí)行處理器下達的開門、報警、啟動門鈴等指令以及提供通信多機連接端口等。

　　（4）電子門鎖：門禁系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)和關(guān)鍵設(shè)備，用于對物理通道的控制。

　　（5）電力設(shè)備：采用直流電源作為整個門禁系統(tǒng)的運行電源和門鎖電源（一般采用內(nèi)部電源）。

　　（6）聯(lián)動設(shè)備：可與門禁控制器所有輸入、輸出節(jié)點進行聯(lián)動，實現(xiàn)防盜報警、消防報警等大型系統(tǒng)的聯(lián)動，一般在門禁管理軟件中對聯(lián)動設(shè)備進行相關(guān)的編程設(shè)臵。

　　（7）通訊設(shè)備：包括交換機設(shè)備、路由器和MODEM等，實現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。

　　指紋識別門禁系統(tǒng)的主要功能特點：

　　（1）采用高效的指紋識別模塊，可使指紋直接開鎖，使用方便快捷，具有很高的安全性。

　　（2）應(yīng)用ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)，可以很好的保證門禁系統(tǒng)獨立連續(xù)工圖2-1互聯(lián)網(wǎng)的門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　（3）系統(tǒng)采用指紋與密碼的結(jié)合，可以根據(jù)實際需要設(shè)臵多種認證模式，支持多用戶，多組別組合開門，具有良好的靈活性。

　　（4）系統(tǒng)配以科學(xué)化管理軟件，可以實現(xiàn)門禁系統(tǒng)的科學(xué)化管理。

　　（5）應(yīng)用TCP/IP以太網(wǎng)模塊，可以方便實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和遠程控制。

　　（6）系統(tǒng)采用分級管理，分為管理者和用戶，采用逐級權(quán)限管理，將用戶的指紋采集并存儲在中央管理主機上，根據(jù)用戶的開門權(quán)限，將用戶指紋下傳至相應(yīng)的子門禁系統(tǒng)中。

　　（7）系統(tǒng)有視頻監(jiān)控和報警等一些相應(yīng)的輔助功能，提高系統(tǒng)的安全性。

　　本文基于ARM9（S3C24lO）設(shè)計和實現(xiàn)了一種指紋識別的網(wǎng)絡(luò)型門禁控制器。采用指紋識別器為前端信息的采集，用以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)門禁控制器與上位PC機間的通信，并利用LCD來實時顯示狀態(tài)，并可以提供一些其它的輔助功能，如語音提示、報警和攝像監(jiān)控等。 指紋型網(wǎng)絡(luò)門禁控制系統(tǒng)框架如圖2-2所示。

　　圖2-2門禁系統(tǒng)框圖

　　2.2 嵌入式主控模塊設(shè)計

　　2.2.1 ARM微處理器與地址空間映射

　　本系統(tǒng)選擇了韓國三星公司的高性能ARM9微處理器芯片S3C241O作為主處理器，S3C2410芯片是基于ARM920T內(nèi)核，五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，內(nèi)核工作電壓為1.8V，輸入輸出電壓為3.3V，具有180MHZ/200MIPS性能，是高性能和低功耗的硬宏單元。ARM920T內(nèi)核具有全性能的MMU、指令和數(shù)據(jù)Cache以及高速AMBA總線接口。

　　S3C2410內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可提供很多可擴展的功能模塊，主要有MMU虛擬內(nèi)存管理單元，LCD控制器（支持上到4k色的STN和256k色的TFT），3通道UART，4通道DMA，4通道具備PWM功能的定時器，I/O口，具有日歷功能的RTC（實時時鐘），8通道10bit精度ADC和觸摸屏控制器，IIC總線接口，IIS數(shù)字音頻總線接口，兩個USB2.0全速主設(shè)備及一個從設(shè)備，SD/MMC卡控制器，2通道SPI及內(nèi)臵lQ/100M的網(wǎng)絡(luò)接口等。

　　2.2.2 NAND FLASH單元

　　Flash是一種可在系統(tǒng)（In-System）進行電擦寫、掉電后信息不丟失的存儲器。它的高集成度和低成本使它成為市場主流。Flash芯片具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程（燒寫）、擦除等特點，并且可由內(nèi)部嵌入的算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種非易失性存儲器，F(xiàn)lash在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。常用的Flash為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為單3.3V。

　　Flash技術(shù)根據(jù)不同的應(yīng)用場合也分為不同的發(fā)展方向，有擅長存儲代碼的NOR Flash和擅長存儲數(shù)據(jù)的NAND Flash。同時，S3C2410內(nèi)部集成了NAND Flash控制器，為了支持系統(tǒng)從NAND Flash中啟動，S3C24lO內(nèi)部有一塊被稱為墊腳石（Steppingstone）的SRAM緩存。如果選擇從NAND Flash中啟動，在啟動時S3C2410會自動的將NAND Flash存儲器中最前面的4KB數(shù)據(jù)拷貝到S3C24lO內(nèi)部的SRAM中并自動執(zhí)行。如果這4KB存放的是啟動代碼，那么啟動代碼就可以從S3C241O內(nèi)部的SRAM中執(zhí)行，啟動代碼初始化系統(tǒng)和外部SDRAM后將存儲在NAND Flash中的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序拷貝到外部SDRAM中，這時整個系統(tǒng)就可以啟動了。

　　在本系統(tǒng)中，采用的是三星公司的K9F5608U芯片，其電路原理圖如圖2-3所示。

　　圖2-3 NAND FLASH原理圖

　　2.2.3 SDRAM單元

　　SDRAM具有容量大、存取速度快、成本低的特點，得到了廣泛的應(yīng)用。與Flash存儲器相比，SDRAM不具有掉電保持數(shù)據(jù)的特性，但存取速度高于Flash存儲器，且具有讀/寫屬性，因此SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間、數(shù)據(jù)以及堆棧區(qū)，是系統(tǒng)啟動之后進行存取操作的存儲器。

　　S3C2410在片內(nèi)具有獨立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM連接。同時，由于S3C24lO片內(nèi)的存儲空間不大，大量的數(shù)據(jù)都要通過SDRAM暫時存放和交換，即動態(tài)存儲區(qū)。系統(tǒng)啟動時，CPU首先從起始地址讀取啟動代碼進行系統(tǒng)初始化，在完成系統(tǒng)初始化后，程序代碼一般調(diào)入SDRAM中運行以提高系統(tǒng)的運行速度。SDRAM存儲單元猶如一個電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時充電刷新。

　　圖2-4 SDRAM 外圍接口

　　2.2.4 USB及USB攝像頭單元

　　USB（Universal Serial Bus）即通用串行總線，是現(xiàn)在非常流行的一種快速、雙向、廉價、可以進行熱插拔的接口。隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，USB的應(yīng)用已經(jīng)逐漸從PC機擴展到了嵌入式技術(shù)中，并且發(fā)揮著重要的作用。USB設(shè)備之所以會被大量應(yīng)用，主要具有以下優(yōu)點：

　　（1）可以熱插拔，使用方便。

　　（2）系統(tǒng)總線供電，并可提供5V/500mA電源，具有獨立供電特點。

　　（3）支持設(shè)備眾多，支持多種設(shè)備類，例如鼠標，鍵盤，攝像頭等。

　　（4）連接靈活，可以連接多個設(shè)備，最多可擴127個，連接的方式也非常靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器Hub把多個設(shè)備連接在一起再與PC的USB口相連。

　　（5）速度快，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，USBl.1是12Mb/s，USB2.0高達480Mb/s S3C2410帶有兩個USB主設(shè)備控制器和一個USB從設(shè)備控制器，這樣可以方便USB設(shè)備的使用。在設(shè)計開發(fā)一個USB外設(shè)的時候，主要需要編寫三部分的程序：固件程序、USB驅(qū)動程序和客戶應(yīng)用程序。USB的電路連接圖如圖2-5 所示。

　　圖2-5 USB電路連接圖

　　USB接口的設(shè)備可以方便應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中，具有USB接口的優(yōu)盤因為存儲容量大，價格低，在嵌入式系統(tǒng)中一般可以用來存儲數(shù)據(jù)。在門禁控制器中，可以用來存儲初始化的資料數(shù)據(jù)也可以存儲采集到的重要數(shù)據(jù)，方便用戶的保存和修改。另外，本系統(tǒng)中應(yīng)用到的視頻監(jiān)控就用到了USB接口的攝像頭。

　　2.3 界面顯示接口模塊設(shè)計

　　LCD（Liquid Crystal Display）稱為液晶。LCD顯示器的基本工作原理是通過給不同的液晶單元供電，控制其光線的通過與否，從而達到顯示的目的。因此，LCD的驅(qū)動控制器是對每個液晶單元的通電的控制。液晶工作時使用的是外部的光線，其光線照明方式有兩種：傳送式和反射式。由于液晶自己本身并不發(fā)光，所以與CRT相比，液晶顯示器的耗電量較低。

　　本系統(tǒng)選用傳送式背光（CCFL）彩色STN液晶屏，LCD的控制器使用S3C2410的內(nèi)部集成的控制器。系統(tǒng)選用5.7寸、320×240像素、256色的彩色LCD屏。其可提供4/8/12/16位顏色模式，電源操作范圍寬（2.7v-5.5V），低功耗設(shè)計可滿足系統(tǒng)省電的要求。 為了保證LCD正常工作，一定要保證硬件正確連接，S3C2410與STN-LCD屏的關(guān)鍵電路連接如2-6圖所示。

　　圖2-6 S3C2410與LCD連接圖

　　（1）S3C2410上液晶數(shù)據(jù)線VD［19:23］、VD［10:15］、VD［3:7］分別對應(yīng)R、G、B的三色信息。一個R、G、B共16bits的組合代表了一個像素的信息。

　　（2）S3C24lO上液晶電壓控制信號VM．VDEN與LCD的ENAB信號連接，保證數(shù)據(jù)的有效指示。

　　（3）S3C2410液晶的位時鐘信號VCLK與LCD的時鐘信號CK連接。在VM-VDEN信號有效的情況下，LCD控制器送出的數(shù)據(jù)在VCLK的上升沿送出，在下降沿時被LCD驅(qū)動器采樣。

　　（4）S3C2410的液晶幀時鐘信號VF-VS與LCD的幀同步信號連接，LCD控制器在一個完整幀顯示完成后立即插入一個VFRAME信號，并開始新的一幀。

　　（5）S3C24lO的液晶線時鐘信號VL．HS與LCD的行同步信號連接，LCD控制器在整個水平線數(shù)據(jù)移入LCD驅(qū)動器后插入一個VLINE信號。

　　2.4 指紋識別模塊設(shè)計

　　指紋采集器采集到指紋圖像后，才能被計算機進行識別、處理，指紋圖像的質(zhì)量會直接影響到識別的精度以及指紋識別系統(tǒng)的處理速度，因此指紋采集技術(shù)是指紋識別系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因為指紋的表面積相對較小，日常生活中手指常常會受到磨損，所以獲得優(yōu)質(zhì)的指紋細節(jié)圖像是一項十分復(fù)雜的工作。目前主要使用的指紋采集技術(shù)有光學(xué)指紋采集技術(shù)，半導(dǎo)體指紋采集技術(shù)和超聲波指紋采集技術(shù)。

　　光學(xué)指紋采集是歷史久遠、使用最廣泛的技術(shù)，它是將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)臵光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的數(shù)字化的、可被指紋設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。優(yōu)點是一定程度上適應(yīng)溫度的變異，較為廉價，可達到500DPI的較高分辨率，但存在要求足夠大的尺寸，且過分干燥和過分油膩的手指也將使光學(xué)指紋產(chǎn)品的效果變壞的缺點。 半導(dǎo)體指紋采集技術(shù)又有硅電容指紋圖像傳感器、半導(dǎo)體壓感應(yīng)傳感器和半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器三種類型。最常見的指紋傳感器是半導(dǎo)體指紋傳感器，它通過電子度量來捕捉指紋，在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100，O00個電容傳感器，其外面是絕緣的表面。傳感器陣列的每一點是一個金屬電極，充當電容器的一極，按在傳感面上的手指頭的對應(yīng)點則作為另一極，傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同（紋路深淺的存在），導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個電容值不同，測量并記錄各點的電容值，就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。

　　半導(dǎo)體指紋采集設(shè)備可以獲得相當精確的指紋圖像，分辨率可高達600DPI，并且指紋采集時不需要光學(xué)采集設(shè)備要求的較大面積的采集頭。由于半導(dǎo)體芯片的體積小巧、功耗很低，可以集成到許多現(xiàn)有設(shè)備中，這是光學(xué)采集設(shè)備所無法比擬的。隨著各種工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的防靜電性能和耐用度也得到了很大的改善，現(xiàn)在許多指紋識別系統(tǒng)研發(fā)工作都采用半導(dǎo)體采集設(shè)備來進行。

　　本系統(tǒng)使用Veridicom公司的半導(dǎo)體指紋采集傳感器FPS200，其核心技術(shù)是基于高可靠性硅傳感器芯片設(shè)計。FPS200是Veridicom公司在吸收了己廣泛應(yīng)用的FPSll0系列傳感器優(yōu)點的基礎(chǔ)上，推出的新一代指紋傳感器。其表面運用Veridicom公司專利技術(shù)而制成，堅固耐用，可防止各種物質(zhì)對芯片的劃傷、腐蝕、磨損等，F(xiàn)PS200能承受超過8KV的靜電放電（ESD），因此FPS200可應(yīng)用在苛刻的環(huán)境下。FPS200采用CMOS技術(shù)，獲取的圖像為256×300像素，分辨率為500DPI（點每英寸）并且內(nèi)臵8位高速A/D轉(zhuǎn)換器，適合更復(fù)雜的手指，大大減低了誤識率（FAR）和拒識率（FRR）。其內(nèi)部控制邏輯如圖2-7所示。

　　圖2-7 FPS200內(nèi)部邏輯圖

　　3.指紋識別算法研究及實現(xiàn)

　　指紋識別技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)大致可以分為兩類：即驗證（Verification）和辨識（Identification）。驗證就是通過把一個現(xiàn)場采集到的指紋與己經(jīng)登記的指紋進行一對一的對比（1：1）來確認身份的過程。辨識則是把現(xiàn)場采集到的指紋同指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋逐一對比，從中找出與現(xiàn)場指紋相匹配的指紋，這也叫一對多匹配（1：N）。驗證和辨識在對比算法和系統(tǒng)設(shè)計上各具技術(shù)特點。 所有的生物識別系統(tǒng)都包括如下幾個處理過程：采集、對比和匹配。指紋識別處理也一樣，它包括指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)處理、特征提取及匹配等過程。指紋識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

　　圖3-1指紋識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)