作者Email:  newtonian@263.net

    摘要：隨著ARM系列處理器性能的不斷提高，過去一些專屬于DSP領(lǐng)域的運算密集型的應(yīng)用，例如指紋識別等，也能夠在ARM處理器上得以很好的實現(xiàn)。并且由于MCU的強大控制功能，以及操作系統(tǒng)的巨大靈活性，使得這種系統(tǒng)有DSP平臺不可比擬的優(yōu)勢。本文著重介紹了基于S3C2410和Linux操作系統(tǒng)的指紋識別管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，以及這種實現(xiàn)方法與傳統(tǒng)DSP系統(tǒng)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越廣泛地應(yīng)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(shù)運算等等，屬于典型的運算密集型的應(yīng)用，因此通常采用DSP來實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。不過近期情況有了很大改觀，MCU的性能突飛猛進，使得指紋識別這樣的運算密集型的應(yīng)用也可以采用MCU來實現(xiàn)。例如，三星公司推出的基于ARM920內(nèi)核的嵌入式處理器S3C2410，速度高達200MIPS，完全可以滿足指紋識別應(yīng)用對運算速度的要求。S3C2410具有的豐富外設(shè)，并且可以運行Linux操作系統(tǒng)，這樣的特性則是傳統(tǒng)的DSP所無法比擬的。

    進行指紋識別，首先要設(shè)法獲取指紋。之前用得最多的是光學(xué)采集器，特點是價格相對便宜（$15-$100），但體積比較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。最近光學(xué)采集器正受到半導(dǎo)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感知指尖的細微紋理，其特點是靈敏度高，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(shè)備，例如手機或者是門鎖等產(chǎn)品中。盡管目前其價格還比較高（>$25），但由于它是按照莫爾定律發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)品，可以預(yù)見，正如傳統(tǒng)的相機會被數(shù)碼相機代替一樣，在不久的將來它將成為指紋采集器的主流產(chǎn)品。目前半導(dǎo)體采集器的主要生產(chǎn)廠家有ST和Fujitsu等。

    在我們這項設(shè)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個象素的指紋圖像。FPS200可以直接連接到S3C2410的總線上，因此這項設(shè)計的硬件十分簡潔緊湊。硬件如下圖所示：

    從上圖可以看出，指紋識別核心板實際只有3個組成部分，即電源管理，CPU和內(nèi)存。電源管理部分采用DC-DC以獲得高效率，這對于門鎖等采用電池的應(yīng)用非常有用。內(nèi)存有16MB的SDRAM和4MB的Flash。實際上如果僅僅需要進行指紋識別是用不到那么多Flash的，但我們的設(shè)計并不僅僅是要實現(xiàn)簡單的指紋識別，而是一個可以對多個用戶進行管理的指紋管理系統(tǒng)，因此4MB的Flash是必要的。

    核心板提供了兩個外部接口，即傳感器接口和用戶板接口。傳感器接口采用16Pin的扁平印刷電纜與FPS200傳感器相連。用戶板接口實際上是一個UART，用戶板開發(fā)者可以通過任何一個帶有UART的簡單單片機對它進行完全的控制。對核心板的控制是通過一系列指令集來完成。為了與過去的大量用戶保持兼容性，我們的控制指令集與現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的FDA2000指紋識別模塊是兼容的。（FDA2000由于Intel的S1100的停產(chǎn)而面臨供貨的問題）通過指令集操作，用戶板可以在核心板上實現(xiàn)建立和刪除檔案，比對，查詢等等功能，核心板可以在一秒左右的時間將比對的結(jié)果反饋給用戶板。

    在軟件方面，引入了操作系統(tǒng)是這種設(shè)計方案的最大特點。盡管會對效率有所影響，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(tǒng)帶來的好處而言，對效率的影響就不值一提了。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

    如上圖所示，軟件由Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核，設(shè)備驅(qū)動程序，指紋識別算法以及用戶接口程序等四個部分組成。操作系統(tǒng)負責(zé)整個系統(tǒng)的管理，進程調(diào)度等。設(shè)備驅(qū)動用于驅(qū)動各種外設(shè)進行工作，例如指紋采集，串口通信等。指紋識別算法是系統(tǒng)的核心部分，算法設(shè)計的好壞直接關(guān)系到指紋識別系統(tǒng)的速度、可靠性等重要指標。清華大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室林教授領(lǐng)導(dǎo)數(shù)名博士、碩士進行了十余年的潛心鉆研以及眾多國家級公安、國防、人事部門的實用驗證保證了我們這款設(shè)計中算法的先進性和可靠性。用戶接口程序則提供核心板和用戶板之間的通信機制，使得用戶可以方便地對核心板進行控制。

    基于操作系統(tǒng)的最大好處在于，可以在指紋識別系統(tǒng)上幾乎無限制地擴充出各種各樣的功能，例如適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)化管理的以太網(wǎng)接口，適應(yīng)于移動應(yīng)用的GPRS或者WLAN通信接口，適應(yīng)于安全數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用的U盤讀寫操作等等。如果沒有OS，上述功能的實現(xiàn)是不可想象的。

下面是我們開發(fā)的指紋識別管理系統(tǒng)核心板的一些性能參數(shù)：
n 采用世界最先進的CMOS電容式指紋傳感器，體積小，靈敏度高
n 以Samsung S3C2410 ARM920內(nèi)核RISC CPU為核心
n 200MIPS 運算速度
n 16MB SDRAM提供強大運算能力
n 4MB Flash可存儲1000個樣本
n 低功耗設(shè)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(shè)備進行二次開發(fā)；
n 系統(tǒng)成本低廉
n 以Linux操作系統(tǒng)為核心，提供優(yōu)異的穩(wěn)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)及儀器國家重點實驗室開發(fā)
n 拒真率<0.001%
n 認假率<0.0001%
n 匹配時間<1.8s（匹配成功）
n 通過UART與用戶板進行通信，二次開發(fā)十分簡便
n 指令集兼容被廣泛應(yīng)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(chǔ)上擴充出以下非常實用的功能：
n 以太網(wǎng)接口以及TCP/IP通訊協(xié)議
n Modem接口以及PPP通訊協(xié)議
n GPRS通訊功能
n 802.11B WLAN通訊接口

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