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(yùn)算密集型的應(yīng)用，例如指紋識(shí)別等，也能夠在ARM處理器上得以很好的實(shí)現(xiàn)。并且由于MCU的強(qiáng)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(tái)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。本文著重介紹了基于S3C2410和Linux操作系統(tǒng)的指紋識(shí)別管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，以及這種實(shí)現(xiàn)方法與傳統(tǒng)DSP系統(tǒng)的異同。

    指紋識(shí)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(shí)別的算法中通常有大量的矩陣運(yùn)算，域變換，三角函數(shù)運(yùn)算等等，屬于典型的運(yùn)算密集型的應(yīng)用，因此通常采用DSP來實(shí)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(jìn)，使得指紋識(shí)別這樣的運(yùn)算密集型的應(yīng)用也可以采用MCU來實(shí)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(dá)200MIPS，完全可以滿足指紋識(shí)別應(yīng)用對(duì)運(yùn)算速度的要求。S3C2410具有的豐富外設(shè)，并且可以運(yùn)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(jìn)行指紋識(shí)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(diǎn)是價(jià)格相對(duì)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(qiáng)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(xì)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(shè)備，例如手機(jī)或者是門鎖等產(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(dǎo)體產(chǎn)品，可以預(yù)見，正如傳統(tǒng)的相機(jī)會(huì)被數(shù)碼相機(jī)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(xiàng)設(shè)計(jì)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的總線上，因此這項(xiàng)設(shè)計(jì)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(shí)別核心板實(shí)際只有3個(gè)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(duì)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(shí)際上如果僅僅需要進(jìn)行指紋識(shí)別是用不到那么多Flash的，但我們的設(shè)計(jì)并不僅僅是要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的指紋識(shí)別，而是一個(gè)可以對(duì)多個(gè)用戶進(jìn)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(gè)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(shí)際上是一個(gè)UART，用戶板開發(fā)者可以通過任何一個(gè)帶有UART的簡(jiǎn)單單片機(jī)對(duì)它進(jìn)行完全的控制。對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)建立和刪除檔案，比對(duì)，查詢等等功能，核心板可以在一秒左右的時(shí)間將比對(duì)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(jì)方案的最大特點(diǎn)。盡管會(huì)對(duì)效率有所影響，但由于處理器速度很快，并且算法可以針對(duì)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(duì)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(dòng)程序，指紋識(shí)別算法以及用戶接口程序等四個(gè)部分組成。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理，進(jìn)程調(diào)度等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)各種外設(shè)進(jìn)行工作，例如指紋采集，串口通信等。指紋識(shí)別算法是系統(tǒng)的核心部分，算法設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到指紋識(shí)別系統(tǒng)的速度、可靠性等重要指標(biāo)。清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室林教授領(lǐng)導(dǎo)數(shù)名博士、碩士進(jìn)行了十余年的潛心鉆研以及眾多國家級(jí)公安、國防、人事部門的實(shí)用驗(yàn)證保證了我們這款設(shè)計(jì)中算法的先進(jìn)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(jī)制，使得用戶可以方便地對(duì)核心板進(jìn)行控制。

    基于操作系統(tǒng)的最大好處在于，可以在指紋識(shí)別系統(tǒng)上幾乎無限制地?cái)U(kuò)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(dòng)應(yīng)用的GPRS或者WLAN通信接口，適應(yīng)于安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用的U盤讀寫操作等等。如果沒有OS，上述功能的實(shí)現(xiàn)是不可想象的。

下面是我們開發(fā)的指紋識(shí)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(jìn)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(yùn)算速度
n 16MB SDRAM提供強(qiáng)大運(yùn)算能力
n 4MB Flash可存儲(chǔ)1000個(gè)樣本
n 低功耗設(shè)計(jì)，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(jìn)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(kuò)展性
n 核心算法由清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)
n 拒真率<0.001%
n 認(rèn)假率<0.0001%
n 匹配時(shí)間<1.8s（匹配成功）
n 通過UART與用戶板進(jìn)行通信，二次開發(fā)十分簡(jiǎn)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(kuò)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
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(jìn)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(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(yīng)用驗(yàn)證，而新近開發(fā)的這款指紋識(shí)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(shí)驗(yàn)室來實(shí)地評(píng)估，請(qǐng)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。