摘要：嵌入式系统不但可以达到更高的集成度，而且体积小，功耗低，逐渐成为信息家电及信息工业领域的一大重要产品。本文首先对ARM及嵌入式系统整体设计方案进行简单介绍，之后分别从硬件平台设计、嵌入指纹识别模块以及软件等方面对基于ARM嵌入式系统设计进行全面阐述。
关键词：ARM；嵌入式系统；硬件；嵌入指纹识别
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 09-0000-02
一、前言
随着现代化通讯技术以及互联网技术的迅猛发展，信息家电以及信息工业也取得长足发展，嵌入式系统的重要性逐渐引起关注，在今后一段时间内，其功能也必定会有很大程度的提升，最终发展成为具有数字处理、管理、控制以及通讯等功能的系统。嵌入式系统是建立在计算机技术基础之上的，应用是其中心内容，系统的硬件及软件具有可裁剪性，可以满足专用计算机系统对功能、成本、功能以及体积等方面的要求。嵌入式系统最突出的优势在于可以从用户的现实需求出发，对系统的硬件及软件进行相应的裁剪，有效提升集成度、降低功耗及体积，对于系统的智能化水平以及网络化程度等具有重要意义。当前，技术较为成熟的指纹识别系统主要依托于PC平台，从而在很大程度上对指纹识别设备的广泛应用形成了阻碍，同时也导致系统成本上升；此外，还有不少的嵌入式系统选择的是51系列单片机充当系统的中央处理器，这样的系统只能向用户提供较为简单的人机界面，并且性能不够优越，完善的空间也极为有限。ARM处理器成本低、性能优越、体积有限并且功耗较低，鉴于其上述优点，深入分析和研究基于ARM嵌入式指纹识别系统具有重要的现实指导意义和价值。
二、理论概述
（一） ARM
ARM架构，过去称作进阶精简指令集机器，更早称作Acorn RISC Machine。是一个32位元精简指令集中央处理器架构，基于ARM架构的主要产品为低功耗且质优价廉的RISC处理器、相关技术及软件，被广泛应用于教育多媒体、DSP、嵌入式控制以及移动式应用等领域。ARM32为体系结构是当前处于业内领先水平的32位嵌入式RISC微处理器结构，被全部ARM处理器共享。由于具有较强的节能特性，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。
（二）嵌入式系统
嵌入式系统主要有处理器、存储器、输入输出以及相关软件等部分构成。其中，嵌入式处理器时系统最关键的部件。当前全球共有千余种具备嵌入式处理器，每种处理器都具有自身的功能及优势，对于嵌入式系统应用而言，基本特点高性能、低能耗以及低成本；作为嵌入式系统另一重要组成部分的存储器，需要与所使用的处理器相配套，然而在功能方面，还需要关注存储器的稳定性以及容量的大小；至于系统的其他外围设备，在选择时则需要对现实需求以及处理器等情况予以全面考虑。
三、基于ARM嵌入式系统的设计及其应用
（一）硬件设计
在硬件设计方面，从用户的实际情况出发，出于有效控制成本以及降低开发难度的考虑，笔者选择了飞利浦公司研发的32位嵌入式处理器LPC2104芯片，其具有体积小、功耗低以及性能强等优势，系统结构详见下图所示。
图1 基于ARM嵌入式系统结构示意图
在实践中，比较常见的调试方式就是非插入式的JTAG调试，作为标准测试接口，借助JTAG边界扫描便可以实现与ARM CPU的通信；调试主机作用在于编译ARM程序，并借助调试程序进行调试；蜂鸣器的主要作用是报警以及反馈指纹识别系统工作情况；LPC2104的电源有两组，分别为I/O口供电电源及内核供电电源，二者的电压分别是3.3V和1.8V，因此需要选择输入电源为5V的电源芯片；利用I2C总线可以确保看门狗时钟电路与处理器之间通讯的实现，该系统选择X1228芯片，一旦芯片的电压超出或低于正常值，可以及时进行复位，并对重要数据进行保存；键盘采取扫描方式，包括六个功能性按键，可以执行上、下、左、右移动以及进入和退出等操作；该系统选择的是SMG12864B点阵型LED液晶，要先进行初始化才可以正常使用，其主要作用是对ID号、姓名、时间以及其他信息等进行显示，控制器中设置了数据地址页指针以及数据地址列指针各一个，以便用户对内部的512字节RAM进行访问；Flash存储器具有易于操作、读写可靠性高、成本低廉以及可擦写等优势，在嵌入式系统中得到普遍应用。在此次系统设计方案中笔者选择三星公司研发的K9F6408u0b芯片，其主要作用是对指纹库数据、用户信息以及出入记录等进行保存。本次系统设计方案的重点之一就是通讯模块，LPC2104具备两个UART，二者的寄存器的区别不大，分别负责与上位机PC的通讯以及与指纹识别模块的通信。因为所选择的是RS232协议，所以要选择相应的电平转换电路。LPC2104数据处理操作并不面向存储器，其唯一针对的对象就是寄存器中的相关内容，这样就在很大程度上降低了操作的难度，只需要在发送缓冲区中写入相关数据便可以完成数据发送任务。系统选择FIQ中断进行数据接收，在数据达到接收缓冲区的时候，便会出现中断，随即相应的中断程序被执行。
本系统设计方案所选择的RS232电平转换芯片MAX3232的RS232电平转换共有两组，这样便可以保证和两个串口开展有效通信。将MAX3232芯片的TTL/CMOS输入及输出信号连接到LPC2104的UART的输入及输出上，同时将MAX3232的输入输出口连接到串口9针连接器。具体的连接方式详见下图所示。在需要应用UART0的场合，首先要对TXD0以及RXD0管脚连接进行设置，在此基础上对串口波特率以及工作模式进行相应的设置，完成上述设置之后便可以正常的开展发送及接受数据的操作。
图2 LPC2104与串口连接示意图
（二）嵌入指纹识别模块及软件设计
在完成嵌入式系统的硬件设计的基础上，借助UART0串口嵌入指纹识别模块便可以实现正常的系统通信。在此次设计方案中，笔者选择的是中正公司研发的主要应用于功耗较低场合的SM-60指纹识别模块。笔者所选择的指纹识别模块具有光学指纹传感器，包括性能优越的DSP处理器以及Flash等芯片，其主要功能包括处理指纹图像、提取模板、匹配模板、保存模板以及搜索指纹等，不仅如此，相关指令只需加以整合还可以实现复杂程度更高的功能。 系统程序是由通讯及管理两大内容构成的，以指纹识别模块相关协议为主要依据进行编写。一方面是对指令帧进行发送，对相关数据进行接收和校验，另一方面是在数据库中添加用户信息，同时对诸如用户姓名、ID号以及开启时间等门禁开启记录进行保存。利用键盘以及LCD液晶显示，可以实现对现场的控制操作以及显示，此外还可以在液晶屏菜单中进行选择，对指纹库进行增加或删除，或者是对个人信息进行修改，除此之外，依据LPC2104单片机的指示，还可以执行录入指纹、处理图像、提取特征、生成及保存模板、对比指纹以及搜索指纹等操作。只需按下相应的按键便可以执行与该键盘相对应的程序。
四、结语
本文首先对ARM及嵌入式系统整体设计方案进行简单介绍，之后分别从硬件平台设计、嵌入指纹识别模块以及软件等方面对基于ARM嵌入式系统设计进行全面阐述。选用ARM公司所研发的ADS软件，可以仿真实现指纹识别设备自身所具备的一系列的功能。除此之外，在LPC2104的Flash芯片中对相关程序进行固化，还可以取得脱机工作效果，所以，依托于ARM嵌入式系统的指纹识别系统，可以确保用户对系统性能、成本、功耗以及体积等方面的要求的实现，从一定意义上讲，未来指纹识别设备的发展将会朝着小型化和嵌入式趋势发展。笔者在此次的设计方案中对指纹识别技术以及嵌入式技术进行了有效的融合，系统的成本得到了有效控制，在生活小区物业管理、政府以及军事等领域的身份甄别等方面将会有极大的应用空间。
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[作者简介]刘芳宇（1979-），女，山西五台人，硕士，太原理工大学物理与光电工程学院，讲师，主要从事嵌入式系统研究。