采用S3C2410和Linux系統的指紋識別管理系統

作者Email: newtonian@263.net

摘要：隨著(zhù)ARM系列處理器性能的不斷提高，過(guò)去一些專(zhuān)屬于DSP領(lǐng)域的運算密集型的應用，例如指紋識別等，也能夠在A(yíng)RM處理器上得以很好的實(shí)現。并且由于MCU的強大控制功能，以及操作系統的巨大靈活性，使得這種系統有DSP平臺不可比擬的優(yōu)勢。本文著(zhù)重介紹了基于S3C2410和Linux操作系統的指紋識別管理系統的實(shí)現方法，以及這種實(shí)現方法與傳統DSP系統的異同。

指紋識別技術(shù)在金融、交通、安全等領(lǐng)域以及日常工作和生活中被越來(lái)越廣泛地應用。指紋識別的算法中通常有大量的矩陣運算，域變換，三角函數運算等等，屬于典型的運算密集型的應用，因此通常采用DSP來(lái)實(shí)現嵌入式應用。不過(guò)近期情況有了很大改觀(guān)，MCU的性能突飛猛進(jìn)，使得指紋識別這樣的運算密集型的應用也可以采用MCU來(lái)實(shí)現。例如，三星公司推出的基于A(yíng)RM920內核的嵌入式處理器S3C2410，速度高達200MIPS，完全可以滿(mǎn)足指紋識別應用對運算速度的要求。S3C2410具有的豐富外設，并且可以運行Linux操作系統，這樣的特性則是傳統的DSP所無(wú)法比擬的。

進(jìn)行指紋識別，首先要設法獲取指紋。之前用得最多的是光學(xué)采集器，特點(diǎn)是價(jià)格相對便宜（$15-$100），但體積比較大，結構復雜。最近光學(xué)采集器正受到半導體電容陣列式指紋采集器的強烈沖擊。這種新型的采集器采用硅片表面的微小電容陣列來(lái)感知指尖的細微紋理，其特點(diǎn)是靈敏度高，采集圖像質(zhì)量好，并且體積非常小，很容易將其安裝到小型設備，例如手機或者是門(mén)鎖等產(chǎn)品中。盡管目前其價(jià)格還比較高（>$25），但由于它是按照莫爾定律發(fā)展的半導體產(chǎn)品，可以預見(jiàn)，正如傳統的相機會(huì )被數碼相機代替一樣，在不久的將來(lái)它將成為指紋采集器的主流產(chǎn)品。目前半導體采集器的主要生產(chǎn)廠(chǎng)家有ST和Fujitsu等。

在我們這項設計方案中采用的指紋采集器是Fujutsu公司的FSP200。它能在大約25mmX30mm的面積上獲得256X300個(gè)象素的指紋圖像。FPS200可以直接連接到S3C2410的總線(xiàn)上，因此這項設計的硬件十分簡(jiǎn)潔緊湊。硬件如下圖所示：

從上圖可以看出，指紋識別核心板實(shí)際只有3個(gè)組成部分，即電源管理，CPU和內存。電源管理部分采用DC-DC以獲得高效率，這對于門(mén)鎖等采用電池的應用非常有用。內存有16MB的SDRAM和4MB的Flash。實(shí)際上如果僅僅需要進(jìn)行指紋識別是用不到那么多Flash的，但我們的設計并不僅僅是要實(shí)現簡(jiǎn)單的指紋識別，而是一個(gè)可以對多個(gè)用戶(hù)進(jìn)行管理的指紋管理系統，因此4MB的Flash是必要的。

核心板提供了兩個(gè)外部接口，即傳感器接口和用戶(hù)板接口。傳感器接口采用16Pin的扁平印刷電纜與FPS200傳感器相連。用戶(hù)板接口實(shí)際上是一個(gè)UART，用戶(hù)板開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)任何一個(gè)帶有UART的簡(jiǎn)單單片機對它進(jìn)行完全的控制。對核心板的控制是通過(guò)一系列指令集來(lái)完成。為了與過(guò)去的大量用戶(hù)保持兼容性，我們的控制指令集與現在被廣泛應用的FDA2000指紋識別模塊是兼容的。（FDA2000由于Intel的S1100的停產(chǎn)而面臨供貨的問(wèn)題）通過(guò)指令集操作，用戶(hù)板可以在核心板上實(shí)現建立和刪除檔案，比對，查詢(xún)等等功能，核心板可以在一秒左右的時(shí)間將比對的結果反饋給用戶(hù)板。

在軟件方面，引入了操作系統是這種設計方案的最大特點(diǎn)。盡管會(huì )對效率有所影響，但由于處理器速度很快，并且算法可以針對處理器做很多優(yōu)化，因此較引入操作系統帶來(lái)的好處而言，對效率的影響就不值一提了。系統的軟件結構如下圖所示：

如上圖所示，軟件由Linux操作系統內核，設備驅動(dòng)程序，指紋識別算法以及用戶(hù)接口程序等四個(gè)部分組成。操作系統負責整個(gè)系統的管理，進(jìn)程調度等。設備驅動(dòng)用于驅動(dòng)各種外設進(jìn)行工作，例如指紋采集，串口通信等。指紋識別算法是系統的核心部分，算法設計的好壞直接關(guān)系到指紋識別系統的速度、可靠性等重要指標。清華大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗室林教授領(lǐng)導數名博士、碩士進(jìn)行了十余年的潛心鉆研以及眾多國家級公安、國防、人事部門(mén)的實(shí)用驗證保證了我們這款設計中算法的先進(jìn)性和可靠性。用戶(hù)接口程序則提供核心板和用戶(hù)板之間的通信機制，使得用戶(hù)可以方便地對核心板進(jìn)行控制。

基于操作系統的最大好處在于，可以在指紋識別系統上幾乎無(wú)限制地擴充出各種各樣的功能，例如適應于網(wǎng)絡(luò )化管理的以太網(wǎng)接口，適應于移動(dòng)應用的GPRS或者WLAN通信接口，適應于安全數據存儲應用的U盤(pán)讀寫(xiě)操作等等。如果沒(méi)有OS，上述功能的實(shí)現是不可想象的。

下面是我們開(kāi)發(fā)的指紋識別管理系統核心板的一些性能參數：
n采用世界最先進(jìn)的CMOS電容式指紋傳感器，體積小，靈敏度高
n以Samsung S3C2410 ARM920內核RISC CPU為核心
n200MIPS 運算速度
n16MB SDRAM提供強大運算能力
n4MB Flash可存儲1000個(gè)樣本
n低功耗設計，最大功耗僅360mW，有可利用電池工作
n小尺寸（40mm X 90mm X 10mm)，可方便地嵌入小型設備進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；
n系統成本低廉
n以L(fǎng)inux操作系統為核心，提供優(yōu)異的穩定性和良好的可擴展性
n核心算法由清華大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)發(fā)
n拒真率0.001%
n認假率0.0001%
n匹配時(shí)間1.8s（匹配成功）
n通過(guò)UART與用戶(hù)板進(jìn)行通信，二次開(kāi)發(fā)十分簡(jiǎn)便
n指令集兼容被廣泛應用的韓國FDA2000指紋模塊

此外，還可以方便地在核心板的硬軟件基礎上擴充出以下非常實(shí)用的功能：
n以太網(wǎng)接口以及TCP/IP通訊協(xié)議
nModem接口以及PPP通訊協(xié)議
nGPRS通訊功能
n802.11B WLAN通訊接口

我們開(kāi)發(fā)的核心板，用戶(hù)既可以直接將其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)后直接嵌入自己的產(chǎn)品中，也可以根據自己的特定需求向我們進(jìn)行功能定制。目前我們的指紋算法已經(jīng)在公安、軍事以及人事等領(lǐng)域進(jìn)行了多年的實(shí)際應用驗證，而新近開(kāi)發(fā)的這款指紋識別管理系統核心板也即將應用于上述領(lǐng)域。我們利用自己開(kāi)發(fā)的核心板做了幾套完整的功能演示系統，大家可以到清華大學(xué)精密儀器國家實(shí)驗室來(lái)實(shí)地評估，請致電62772990與林教授聯(lián)系。也可以發(fā)email到 newtonian@263.net詢(xún)問(wèn)您想了解的其它情況。