2.1系統硬件設計

　　2.1.1系統概述及設計原則

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

　　門禁系統一般分為獨立型和聯網型，聯網型門禁系統通訊方式常見的有RS232、RS485、CAN和TCP/IP，采用TCP/IP通訊方式的聯網型門禁系統簡稱為TCP/IP網絡門禁系統。相對其它通訊方式，基于TCP/IP網絡通信的門禁系統通過局域網傳遞數據，更容易實現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、密碼和磁卡容易復制、竊取；IC卡的安全性較高，但也容易丟失。因此，現在人們心目中的門禁鎖具必須具有方便、安全，美觀等特點。隨著計算機技術的飛速發展，基于人體生理特征的身份識別系統逐漸被人們開始采用，目前，從實用角度看，指紋識別技術要比其它生物識別技術更安全和方便。

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

　　2.1.2 系統組成及功能

　　一般RS485門禁控制器只支持128臺或者256臺設備聯網，而TCP／IP門禁控制器理論上可以支持無限多臺門禁設備。所以TCP／IP網絡型門禁控制器是最適合大型大面積的門禁系統聯網的。例如供電部門的變電站門禁的聯網管理、銀行儲蓄所的門禁管理等都適合這種模式。互聯網的門禁系統結構如圖2-1所示。

圖2-1互聯網的門禁系統結構圖

　　基于指紋識別的TCP/IP門禁系統方案基本組成：

　　（1）管理中心：一臺連接到門禁控制器或網絡的PC機，通過局域網或廣域網與其它門禁控制器或PC機連接，實現門禁控制器采集信息的處理和分析，并發送控制指令，以及對相應的軟件管理。

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

　　（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：門禁系統的執行機構和關鍵設備，用于對物理通道的控制。

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

　　（6）聯動設備：可與門禁控制器所有輸入、輸出節點進行聯動，實現防盜報警、消防報警等大型系統的聯動，一般在門禁管理軟件中對聯動設備進行相關的編程設臵。

　　（7）通訊設備：包括交換機設備、路由器和MODEM等，實現設備的網絡連接。

　　指紋識別門禁系統的主要功能特點：

　　（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）應用ARM處理器和Linux操作系統，可以很好的保證門禁系統獨立連續工圖2-1互聯網的門禁系統結構圖

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

　　（4）系統配以科學化管理軟件，可以實現門禁系統的科學化管理。

　　（5）應用TCP/IP以太網模塊，可以方便實現網絡控制和遠程控制。

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

　　（7）系統有視頻監控和報警等一些相應的輔助功能，提高系統的安全性。

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

　　圖2-2門禁系統框圖

　　2.2 嵌入式主控模塊設計

　　2.2.1 ARM微處理器與地址空間映射

　　本系統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內核，五級流水線和哈佛結構，內核工作電壓為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內核具有全性能的MMU、指令和數據Cache以及高速AMBA總線接口。

　　S3C2410內部結構比較復雜，可提供很多可擴展的功能模塊，主要有MMU虛擬內存管理單元，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數字音頻總線接口，兩個USB2.0全速主設備及一個從設備，SD/MMC卡控制器，2通道SPI及內臵lQ/100M的網絡接口等。

　　2.2.2 NAND FLASH單元

　　Flash是一種可在系統（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、可整片或分扇區在系統編程（燒寫）、擦除等特點，并且可由內部嵌入的算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統中得到了廣泛的應用。作為一種非易失性存儲器，Flash在系統中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統掉電后需要保存的用戶數據等。常用的Flash為8位或16位的數據寬度，編程電壓為單3.3V。

　　Flash技術根據不同的應用場合也分為不同的發展方向，有擅長存儲代碼的NOR Flash和擅長存儲數據的NAND Flash。同時，S3C2410內部集成了NAND Flash控制器，為了支持系統從NAND Flash中啟動，S3C24lO內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數據拷貝到S3C24lO內部的SRAM中并自動執行。如果這4KB存放的是啟動代碼，那么啟動代碼就可以從S3C241O內部的SRAM中執行，啟動代碼初始化系統和外部SDRAM后將存儲在NAND Flash中的操作系統和應用程序拷貝到外部SDRAM中，這時整個系統就可以啟動了。

　　在本系統中，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，得到了廣泛的應用。與Flash存儲器相比，SDRAM不具有掉電保持數據的特性，但存取速度高于Flash存儲器，且具有讀/寫屬性，因此SDRAM在系統中主要用作程序的運行空間、數據以及堆棧區，是系統啟動之后進行存取操作的存儲器。

　　S3C2410在片內具有獨立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM連接。同時，由于S3C24lO片內的存儲空間不大，大量的數據都要通過SDRAM暫時存放和交換，即動態存儲區。系統啟動時，CPU首先從起始地址讀取啟動代碼進行系統初始化，在完成系統初始化后，程序代碼一般調入SDRAM中運行以提高系統的運行速度。SDRAM存儲單元猶如一個電容，總是傾向于放電，為避免數據丟失，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。隨著嵌入式技術的快速發展，USB的應用已經逐漸從PC機擴展到了嵌入式技術中，并且發揮著重要的作用。USB設備之所以會被大量應用，主要具有以下優點：

　　（1）可以熱插拔，使用方便。

　　（2）系統總線供電，并可提供5V/500mA電源，具有獨立供電特點。

　　（3）支持設備眾多，支持多種設備類，例如鼠標，鍵盤，攝像頭等。

　　（4）連接靈活，可以連接多個設備，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把多個設備連接在一起再與PC的USB口相連。

　　（5）速度快，支持高速數據傳輸，USBl.1是12Mb/s，USB2.0高達480Mb/s S3C2410帶有兩個USB主設備控制器和一個USB從設備控制器，這樣可以方便USB設備的使用。在設計開發一個USB外設的時候，主要需要編寫三部分的程序：固件程序、USB驅動程序和客戶應用程序。USB的電路連接圖如圖2-5 所示。

　　圖2-5 USB電路連接圖

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

　　2.3 界面顯示接口模塊設計

　　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光，所以與CRT相比，液晶顯示器的耗電量較低。

　　本系統選用傳送式背光（CCFL）彩色STN液晶屏，LCD的控制器使用S3C2410的內部集成的控制器。系統選用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），低功耗設計可滿足系統省電的要求。 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上液晶數據線VD［19:23］、VD［10:15］、VD［3:7］分別對應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，保證數據的有效指示。

　　（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控制器送出的數據在VCLK的上升沿送出，在下降沿時被LCD驅動器采樣。

　　（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據移入LCD驅動器后插入一個VLINE信號。

　　2.4 指紋識別模塊設計

　　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，指紋圖像的質量會直接影響到識別的精度以及指紋識別系統的處理速度，因此指紋采集技術是指紋識別系統的關鍵技術之一。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，所以獲得優質的指紋細節圖像是一項十分復雜的工作。目前主要使用的指紋采集技術有光學指紋采集技術，半導體指紋采集技術和超聲波指紋采集技術。

　　光學指紋采集是歷史久遠、使用最廣泛的技術，它是將手指放在光學鏡片上，手指在內臵光源照射下，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）呈白色的數字化的、可被指紋設備算法處理的多灰度指紋圖像。優點是一定程度上適應溫度的變異，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指紋產品的效果變壞的缺點。 半導體指紋采集技術又有硅電容指紋圖像傳感器、半導體壓感應傳感器和半導體溫度感應傳感器三種類型。最常見的指紋傳感器是半導體指紋傳感器，它通過電子度量來捕捉指紋，在半導體金屬陣列上能結合大約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。

　　半導體指紋采集設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采集設備要求的較大面積的采集頭。由于半導體芯片的體積小巧、功耗很低，可以集成到許多現有設備中，這是光學采集設備所無法比擬的。隨著各種工藝技術的不斷發展，芯片的防靜電性能和耐用度也得到了很大的改善，現在許多指紋識別系統研發工作都采用半導體采集設備來進行。

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

　　圖2-7 FPS200內部邏輯圖

　　3.指紋識別算法研究及實現

　　指紋識別技術的應用系統大致可以分為兩類：即驗證（Verification）和辨識（Identification）。驗證就是通過把一個現場采集到的指紋與己經登記的指紋進行一對一的對比（1：1）來確認身份的過程。辨識則是把現場采集到的指紋同指紋數據庫中的指紋逐一對比，從中找出與現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設計上各具技術特點。 所有的生物識別系統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、指紋圖像預處理、特征提取及匹配等過程。指紋識別系統的結構如圖3-1所示。

　　圖3-1指紋識別系統結構