基于ARM7的指纹考勤机设计

　　引言
 
　　生物识别技术依靠其鉴别的唯一性和可靠性，经过近十年的发展，应用已经越来越广泛和成熟，目前指纹识别技术已趋向民用市场普及，指纹考勤机就是其主要的应用之一。笔者采用功能强大的S33C44B0X处理器设计了一款指纹考勤机，在功能、接口、价格等方面都有着极大的优势。

　　所设计的考勤机具有指纹采集和刷卡采集两大基本功能。指纹采集部分采用CMOS光学传感器。刷卡采集相应的射频模块，它可以通过串口的方式与CPU通信。考勤机和上位机的通讯则采用通用的模拟USB接口，有效地达到了即保证低成本又方便用户使用的目的。另外还加入了USB充电，实时时钟显示，语音提示等众多人性化功能。系统的框图如图1所示。

图1　系统功能框图

　　系统硬件设计
　　
　　本系统主CPU采用的是三星公司的S3C44B0X处理器，该处理器具有功能多、功耗低、运算速度快、价格低廉等优点。

　　硬件设计主要包括指纹采集、刷卡采集、和电源管理三个部分。

　　存储器采用外接的方式，分别接了64M的HY57V641620HG的SDRAM和16M的39VF1601的flash。语音提示模块采用的是总长为21S录音时间的AP8921A芯片。

　　上位机通讯通过CH341芯片进行异步串口转USB1.1接口，用户对外可以按照正常的USB接口使用，省去了麻烦的串口。系统采用了MAX1508芯片通过USB接口给锂电充电，平时采用电池供电，插上USB接口后即可通过USB接口给系统供电，并给锂电充电。

　　按键总共有三个，一个是系统的开关机按键，另外两个分别是实时时钟设的置按键和方向键。

　　指纹采集

　　指纹采集传感器采用OV7620，并以I2C总线及DMA的数据传输方式实现与CPU的信息交互。图2为指纹采集接口。 

图2 指纹采集接口

　　J1为采集头的接口，主要有15个引脚，其中引脚8至引脚15为数据输出接口，连接至锁存器，最终接到数据总线上;引脚6、7为I2C总线，用于对传感器寄存器进行初始化设置;引脚3到引脚5分别为传感器的时钟信号、行同步信号和帧同步信号。帧同步信号直接连接至CPU的通用I/O端口GPF3上，行同步信号和时钟信号通过与非门接至CPU的外部DMA请求输入nXDREQ1。

　　当nXDREQ1输出由高电平变得低电平时，传感器便有数据输出，并且数据能够维持至下一个同样的过程的到来。这正好符合44B0的外部DMA请求的单步模式的要求。于是自然就可以采用DMA的方式来读取数据。最终的数据读取是通过片选锁存器来实现的。由于DMA的方式不干预CPU，因此也大大提高了读取的速度。

刷卡采集

　　刷卡采集选用的是MTP-125K4模块，并选择ASCII方式以及固定的9600bps输出RS232数据，感应距离为30cm，其输出数据端口直接连接CPU的串口1接收端即可。输出的数据格式为头码(02)+10ASCII数据+Checksum校验码+结束码(03)，事实上我们只需存储10位数据信息中的4位卡号。具体电路如图3所示。

图3 读卡模块

　　电源管理

　　电源管理部分采用了1150mAh的LI电，通过DC-DC升压至5V，再通过LDO给系统所需要的3.3V和2.5V电压。其中DC-DC是LT1308A芯片，LDO采用AMS1117-3.3V和AMS1117-2.5V，可以为系统提供稳定的电压供给。

　　图4是电源开关控制部分电路，功能为实现USB和电池供电的切换。当未插入USB时采用电池供电，而连接时系统采用USB供电。S9为总电源开关。具体的实现过程为：电池供电时，开关S9按下，TEST1点由高变低，Q0导通，NAND网络为高，系统开始供电，此时程序运转并给与SHDN引脚高电平信号，促使Q6导通，此时即使按键抬起TEST1点仍为低电平，维持Q0的导通。当插上USB后，按键的按下使得Q4导通，Q0此时截至，系统由电池供电切换为USB供电，其它道理相同。关机时按键按下，POWER_DET网络检测电平由高变低，给予SHDN低电平，Q6截至，按键抬起后无论是Q0还是Q4均截至，系统断电。 

图4电源管理模块

　　系统软件设计

　　软件部分除了CPU的底层初始化部分采用ARM汇编，其余全部用C语言编写。

　　程序初始化后进入低功耗模式，等待各种具体操作。当有指纹采集时，就进入指纹数据采集和处理模块，处理结束后，又重新退回低功耗等待模式，等待其他操作。同理，当有读卡数据或者时钟设置响应时，便进入相应的操作模块进行处理。值得注意的是，系统有两种关机方式。一种是通过手动关机，另一种则通过系统定时器定时到后自动关机。

　　图像数据读取

　　根据前面的分析，图像数据的采集采用的是DMA方式的单步模式。初始化时，除了设置单步模式外，还需要将DMA读取的源地址设为锁存器上的片选地址，目的地址则是存储数据的缓存地址;数据的大小设置为一帧数据的大小，这里为480×640字节。

　　在读取数据过程中，系统首先检测帧同步信号，以确定一帧的开始，然后等待传感器发出的DMA请求(与非门输出低电平)。当接收到请求后，便按DMA的方式传输数据，每接收一个字节，相应的用于指示剩余字节数的寄存器的值便会减一，直至减到零，表示数据接收完毕。

　　读卡

　　考虑到刷卡的随机性，决定采用中断的方式来读取数据。即通常情况下，系统是在低功耗下等待;当有刷卡时，跳出低功耗并读取数据。

　　整个读取过程就是对串口通信的操作过程。当有数据进来时，串口模块会产生一个中断。因此在相应的中断响应便可以读取这一数据，直至数据完整读取;所读取的数据中有一个校验和，可以帮助验证数据的正确性。

　　结语

　　本系统采用了大量成熟的模块，具有指纹采集、刷卡、语音提示、实时时钟、USB接口等功能的一款便携设备。本产品目前已经研制出样机，经调试检测各项指标合格，实现了上述各项功能，满足了产品的设计指标。