一种指纹模块在考勤终端中的应用与研究

0 前言
 
    随着社会信息化水平的提高，信息安全技术越来越显示其重要的地位，而信息安全技术应用水平的高低直接影响了社会的方方面面。近几年来，信息技术发展日新月异、突飞猛进，个人身份信息安全技术也不例外，有了长足的发展。目前通过计算机对个人身份的识别方式多种多样，有传统的实现方法，即多重操作密码、动态密码和安全访问权限控制，经常用于用户与主机、主机与主机之间的认证，但被伪造和窃取的可能性比较大；还有被确认为最安全的认证— — 内部具有多重安全机制和多种加密算法的智能卡，它具有较难复制和伪造、对网络的依赖性比较小等特点，但智能卡在使用过程中容易损坏，需要相当高的后期维护费用；基于生物特征的认证方式是一种新型的信息安全技术，系利用用户的指纹、耳纹、声音、视网膜、DNA等生物特征进行身份认证 。

    在众多的身份特征认证中，指纹识别的应用比较成功，近年来已得到快速的发展和普及。其原因主要有：① 指纹是独一无二的，世界上不存在相同的指纹，这样就保证了被认证与需要验证的身份之间严格的一一对应关系。② 指纹的细节特征和辅助特征在人的一生中永不会改变，保证用户安全信息的长期有效性 。③ 使用指纹认证技术，免除了记忆1：3令的负
担。弥补了智能卡的可替代性。

    本研究所要介绍的是基于光学指纹模块、结合C8051F020处理器的指纹考勤终端，并将它用于考试学生的身份特征认证。

1 系统总体结构要求 

    指纹考勤终端不是孤立的，联合其他部分后可组成功能强大的指纹考勤系统 ，不仅能适应一般的考勤任务，还可用于学校考试中。指纹考勤系统的总体结构框图，如图1所示。它由指纹考勤终端、上位机、数据库服务器组成。 

图1 指纹考勤系统的总体结构框图

    指纹考勤终端是该系统的核心部分(以下简称终端)，它有单机工作模式和联网工作模式之分。单机工作模式下，可实现指纹采集并与终端已有指纹数据库进行比对、用户的删除、添加等功能，同时把相应的用户指纹数据保存到光学指纹识别模块数据库中，其他信息存到CAT24CW256内；联网工作模式下，能完成单机模式中所有的数据库操作、比对操作和取图像值操作，不同的是所涉及的数据存取都通过数据库服务器进行。 

    只有在终端工作于单机模式时，才需要上位机的支持。上位机的功能是：把已有的学生用户指纹特征数据导入终端，为终端提供在单机模式下指纹数据库的支持，同时也承担了把终端数据传送到上位机的任务。当终端工作于联网模式时，数据库服务器才能发挥其应有的作用，它允许多台指纹考勤机与其联网，使学生指纹特征数据库得以实现共享，并且充当了指纹数据库的日常管理服务角色，如不同的班级在某个时刻同时进行考试，服务器就把相应的学生数据库权限分配给不同的终端。

    单机模式下的指纹比对工作过程如下：首先把上位机已有的学生指纹数据库导入到终端的指纹识别模块中；当身份认证对象接近指纹传感器时，终端自动检测手指，并提取相应的指纹特征值与模块数据库进行比对操作；最后把比对结果显示于LCD并存储于CAT24CW256内，或上传上位机。而联网模式下，比对结果显示于LCD，并把相应的数据传送到数据库服务器上。

2 终端系统硬件组成及设计 

    终端系统硬件结构示意图，如图2所示。C8051F02处理器是完全集成的混合信号系统级8位MCU芯片，具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP一51内核(可达25 MIPS)，及全速、非侵入式的在线系统调试接口等新特性 。它通过UART0、UART1分别与上位机和光学指纹识别模块进行数据交换，自带SMBUS(兼容I C)控制器接口实现CAT24CW256 和PCF8563T的数据访问，而通过以太网模块、LCD显示模块和外部RAM与处理器外部总线接口(EMIF)可实现数据通信。

图2 指纹考勤终端系统硬件结构示意图

    光学指纹识别模块是上海一维科技有限公司的产品。它采用高速DSP(TI)处理器，可以独立完成全部的指纹识别工作，拥有异步通信接口 ，与C8051F020处理器的UART1直接连接，波特率设置为115 200bps，其产品规格指标，如表1所示。

表1 光学指纹识别模块产品规格

    实时时钟PCF8563T可提供具体至秒的信息，而EEPROM(CAT24CW256)提供了32 k×8 bit的存储空间，它们与处理器以SMBus串行接口相连，由于处理器晶振频率为22．118 4 MHz，为了保证数据传送的快速性和可靠性，设置了320 kbps数据传输。而LCD显示模块(4线触摸屏，通过SPI与处理器连接)是清达图形液晶显示模块AHG3202401-B·LWH，采用SED1335控制器，具有320×240点阵，LED背光，8位并行总线接口，5 V工作电压 。由于C8051F020、网络模块和外部RAM(IS62LV256)采用3 V工作电压(能兼容5 V信号电平)，LCD显示模块与处理器之间所有的连接线都添加上拉电阻(1．5 k)，经调试证明运行良好。LDC工作于图形和文本混合模式。


3 终端系统软件功能实现 

    为了使系统易于维护与功能扩展，软件采用模块化设计，在uVision3开发平台上使用C语言开发。软件部分主要由主程序和中断服务程序组成，主程序流程图，如图3所示。主程序开启后，对外围设备和通信端13进行初始化，并选择相应的程序运行方式，除了传送各自的指纹识别数据之外，还要配合LCD显示数据、更新相应的网形界面，而LCD显示数据(文本模式)在计时中断中刷新。

图3 主程序流程图

    中断程序流程图，如网4所示。中断服务程序共有5个：计时中断通过T0实现，每隔3 s检测手指，每隔1 s更新LCD显示数据；四线触摸屏由外部中断0 触发，通过SPI二次采集获得稳定坐标数据，并执行相应操作；光学指纹识别模块中断用于获取指纹采集、比对结果；上位机中断和以太网中断负责数据传输或确定通信状态。 

图4 中断服务程序

    软件编程_T作量比较大，而且无论是LCD、触摸屏部分还是网络通信部分，在设计上都有一定的难度。就本系统软件设计和指纹模块使用中遇到的几个问题，举例如下：

  (1)处理器与光学指纹识别模块之间的数据传输 

    方式是采用异步传输的数据块，数据块由前导码、后导码组成。系统开始调试时，波特率为9 600 bps，能够接收到数据，但数据经常出错。经查证，计时中断中更新LCD数据占用了35 ms左右时间。后来把波特率改为ll5 200 kbps，在接收指纹识别模块数据块期间，屏蔽其他中断源，该问题基本解决。 

    (2)在指纹采集和比对过程中，由于比对等级设 

    置比较高、手指汗睹、严重脱皮、指纹采集过程中抖动等原因，拒识率比较高。为了保持较高的安全性，在未调整比对等级的情况下，对一个帐户分配了l0个指纹数据，每个手指对应一个，只要一个能够匹配成功即认为比对成功，在使用过程中也注意了落实操作规范和保持手指清洁干燥。经过实践，效果明显，同时也避免产生因某个手指受伤破损而无法实现身份认证的情况。

4 结束语 

    本研究介绍的指纹考勤系统采用人体指纹生物特征，可提高身份认证的安全性，最大程度地减少学生代考、冒名顶替等情况出现。同时，该终端拥有网络接口，具有组网方便、容易组成分布式的考勤系统等特点，适合大规模的考试场合。如能集成其他无线网络接口，其适应环境的能力将得到极大提高。

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作者简介：王芳(1971-)，女，浙江杭州人，浙江机电职业技术学院电子信息工程系,主要从事电子技术方面的研究。