0 前言
 
    隨著社會(huì)信息化水平的提高，信息安全技術(shù)越來(lái)越顯示其重要的地位，而信息安全技術(shù)應(yīng)用水平的高低直接影響了社會(huì)的方方面面。近幾年來(lái)，信息技術(shù)發(fā)展日新月異、突飛猛進(jìn)，個(gè)人身份信息安全技術(shù)也不例外，有了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)個(gè)人身份的識(shí)別方式多種多樣，有傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，即多重操作密碼、動(dòng)態(tài)密碼和安全訪問(wèn)權(quán)限控制，經(jīng)常用于用戶與主機(jī)、主機(jī)與主機(jī)之間的認(rèn)證，但被偽造和竊取的可能性比較大；還有被確認(rèn)為最安全的認(rèn)證— — 內(nèi)部具有多重安全機(jī)制和多種加密算法的智能卡，它具有較難復(fù)制和偽造、對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性比較小等特點(diǎn)，但智能卡在使用過(guò)程中容易損壞，需要相當(dāng)高的后期維護(hù)費(fèi)用；基于生物特征的認(rèn)證方式是一種新型的信息安全技術(shù)，系利用用戶的指紋、耳紋、聲音、視網(wǎng)膜、DNA等生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證 。

    在眾多的身份特征認(rèn)證中，指紋識(shí)別的應(yīng)用比較成功，近年來(lái)已得到快速的發(fā)展和普及。其原因主要有：① 指紋是獨(dú)一無(wú)二的，世界上不存在相同的指紋，這樣就保證了被認(rèn)證與需要驗(yàn)證的身份之間嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。② 指紋的細(xì)節(jié)特征和輔助特征在人的一生中永不會(huì)改變，保證用戶安全信息的長(zhǎng)期有效性 。③ 使用指紋認(rèn)證技術(shù)，免除了記憶1：3令的負(fù)
擔(dān)。彌補(bǔ)了智能卡的可替代性。

    本研究所要介紹的是基于光學(xué)指紋模塊、結(jié)合C8051F020處理器的指紋考勤終端，并將它用于考試學(xué)生的身份特征認(rèn)證。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)要求 

    指紋考勤終端不是孤立的，聯(lián)合其他部分后可組成功能強(qiáng)大的指紋考勤系統(tǒng) ，不僅能適應(yīng)一般的考勤任務(wù)，還可用于學(xué)校考試中。指紋考勤系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。它由指紋考勤終端、上位機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成。 

圖1 指紋考勤系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

    指紋考勤終端是該系統(tǒng)的核心部分(以下簡(jiǎn)稱終端)，它有單機(jī)工作模式和聯(lián)網(wǎng)工作模式之分。單機(jī)工作模式下，可實(shí)現(xiàn)指紋采集并與終端已有指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)、用戶的刪除、添加等功能，同時(shí)把相應(yīng)的用戶指紋數(shù)據(jù)保存到光學(xué)指紋識(shí)別模塊數(shù)據(jù)庫(kù)中，其他信息存到CAT24CW256內(nèi)；聯(lián)網(wǎng)工作模式下，能完成單機(jī)模式中所有的數(shù)據(jù)庫(kù)操作、比對(duì)操作和取圖像值操作，不同的是所涉及的數(shù)據(jù)存取都通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行。 

    只有在終端工作于單機(jī)模式時(shí)，才需要上位機(jī)的支持。上位機(jī)的功能是：把已有的學(xué)生用戶指紋特征數(shù)據(jù)導(dǎo)入終端，為終端提供在單機(jī)模式下指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，同時(shí)也承擔(dān)了把終端數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)的任務(wù)。當(dāng)終端工作于聯(lián)網(wǎng)模式時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，它允許多臺(tái)指紋考勤機(jī)與其聯(lián)網(wǎng)，使學(xué)生指紋特征數(shù)據(jù)庫(kù)得以實(shí)現(xiàn)共享，并且充當(dāng)了指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的日常管理服務(wù)角色，如不同的班級(jí)在某個(gè)時(shí)刻同時(shí)進(jìn)行考試，服務(wù)器就把相應(yīng)的學(xué)生數(shù)據(jù)庫(kù)權(quán)限分配給不同的終端。

    單機(jī)模式下的指紋比對(duì)工作過(guò)程如下：首先把上位機(jī)已有的學(xué)生指紋數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入到終端的指紋識(shí)別模塊中；當(dāng)身份認(rèn)證對(duì)象接近指紋傳感器時(shí)，終端自動(dòng)檢測(cè)手指，并提取相應(yīng)的指紋特征值與模塊數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)操作；最后把比對(duì)結(jié)果顯示于LCD并存儲(chǔ)于CAT24CW256內(nèi)，或上傳上位機(jī)。而聯(lián)網(wǎng)模式下，比對(duì)結(jié)果顯示于LCD，并把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上。

2 終端系統(tǒng)硬件組成及設(shè)計(jì) 

    終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。C8051F02處理器是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)8位MCU芯片，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP一51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)，及全速、非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試接口等新特性 。它通過(guò)UART0、UART1分別與上位機(jī)和光學(xué)指紋識(shí)別模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，自帶SMBUS(兼容I C)控制器接口實(shí)現(xiàn)CAT24CW256 和PCF8563T的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，而通過(guò)以太網(wǎng)模塊、LCD顯示模塊和外部RAM與處理器外部總線接口(EMIF)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

圖2 指紋考勤終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

    光學(xué)指紋識(shí)別模塊是上海一維科技有限公司的產(chǎn)品。它采用高速DSP(TI)處理器，可以獨(dú)立完成全部的指紋識(shí)別工作，擁有異步通信接口 ，與C8051F020處理器的UART1直接連接，波特率設(shè)置為115 200bps，其產(chǎn)品規(guī)格指標(biāo)，如表1所示。

表1 光學(xué)指紋識(shí)別模塊產(chǎn)品規(guī)格

    實(shí)時(shí)時(shí)鐘PCF8563T可提供具體至秒的信息，而EEPROM(CAT24CW256)提供了32 k×8 bit的存儲(chǔ)空間，它們與處理器以SMBus串行接口相連，由于處理器晶振頻率為22．118 4 MHz，為了保證數(shù)據(jù)傳送的快速性和可靠性，設(shè)置了320 kbps數(shù)據(jù)傳輸。而LCD顯示模塊(4線觸摸屏，通過(guò)SPI與處理器連接)是清達(dá)圖形液晶顯示模塊AHG3202401-B·LWH，采用SED1335控制器，具有320×240點(diǎn)陣，LED背光，8位并行總線接口，5 V工作電壓 。由于C8051F020、網(wǎng)絡(luò)模塊和外部RAM(IS62LV256)采用3 V工作電壓(能兼容5 V信號(hào)電平)，LCD顯示模塊與處理器之間所有的連接線都添加上拉電阻(1．5 k)，經(jīng)調(diào)試證明運(yùn)行良好。LDC工作于圖形和文本混合模式。


3 終端系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn) 

    為了使系統(tǒng)易于維護(hù)與功能擴(kuò)展，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，在uVision3開(kāi)發(fā)平臺(tái)上使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。軟件部分主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成，主程序流程圖，如圖3所示。主程序開(kāi)啟后，對(duì)外圍設(shè)備和通信端13進(jìn)行初始化，并選擇相應(yīng)的程序運(yùn)行方式，除了傳送各自的指紋識(shí)別數(shù)據(jù)之外，還要配合LCD顯示數(shù)據(jù)、更新相應(yīng)的網(wǎng)形界面，而LCD顯示數(shù)據(jù)(文本模式)在計(jì)時(shí)中斷中刷新。

圖3 主程序流程圖

    中斷程序流程圖，如網(wǎng)4所示。中斷服務(wù)程序共有5個(gè)：計(jì)時(shí)中斷通過(guò)T0實(shí)現(xiàn)，每隔3 s檢測(cè)手指，每隔1 s更新LCD顯示數(shù)據(jù)；四線觸摸屏由外部中斷0 觸發(fā)，通過(guò)SPI二次采集獲得穩(wěn)定坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)操作；光學(xué)指紋識(shí)別模塊中斷用于獲取指紋采集、比對(duì)結(jié)果；上位機(jī)中斷和以太網(wǎng)中斷負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸或確定通信狀態(tài)。 

圖4 中斷服務(wù)程序

    軟件編程_T作量比較大，而且無(wú)論是LCD、觸摸屏部分還是網(wǎng)絡(luò)通信部分，在設(shè)計(jì)上都有一定的難度。就本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和指紋模塊使用中遇到的幾個(gè)問(wèn)題，舉例如下：

  (1)處理器與光學(xué)指紋識(shí)別模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸 

    方式是采用異步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊由前導(dǎo)碼、后導(dǎo)碼組成。系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)試時(shí)，波特率為9 600 bps，能夠接收到數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)經(jīng)常出錯(cuò)。經(jīng)查證，計(jì)時(shí)中斷中更新LCD數(shù)據(jù)占用了35 ms左右時(shí)間。后來(lái)把波特率改為ll5 200 kbps，在接收指紋識(shí)別模塊數(shù)據(jù)塊期間，屏蔽其他中斷源，該問(wèn)題基本解決。 

    (2)在指紋采集和比對(duì)過(guò)程中，由于比對(duì)等級(jí)設(shè) 

    置比較高、手指汗睹、嚴(yán)重脫皮、指紋采集過(guò)程中抖動(dòng)等原因，拒識(shí)率比較高。為了保持較高的安全性，在未調(diào)整比對(duì)等級(jí)的情況下，對(duì)一個(gè)帳戶分配了l0個(gè)指紋數(shù)據(jù)，每個(gè)手指對(duì)應(yīng)一個(gè)，只要一個(gè)能夠匹配成功即認(rèn)為比對(duì)成功，在使用過(guò)程中也注意了落實(shí)操作規(guī)范和保持手指清潔干燥。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，效果明顯，同時(shí)也避免產(chǎn)生因某個(gè)手指受傷破損而無(wú)法實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證的情況。

4 結(jié)束語(yǔ) 

    本研究介紹的指紋考勤系統(tǒng)采用人體指紋生物特征，可提高身份認(rèn)證的安全性，最大程度地減少學(xué)生代考、冒名頂替等情況出現(xiàn)。同時(shí)，該終端擁有網(wǎng)絡(luò)接口，具有組網(wǎng)方便、容易組成分布式的考勤系統(tǒng)等特點(diǎn)，適合大規(guī)模的考試場(chǎng)合。如能集成其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口，其適應(yīng)環(huán)境的能力將得到極大提高。

參考文獻(xiàn)：
[1] 張文．動(dòng)態(tài)口令身份認(rèn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J] 微計(jì)’算機(jī)信息，2005，2l(3)：232—233．
[2] 黎成兵，洪 凡． 分布式環(huán)境下的身份認(rèn)證機(jī)制研究[J]．微型機(jī)與應(yīng)用，2005，24(3)：35—36，45．
[3] 王鑫泉，王灝．指紋識(shí)別原理及其應(yīng)用[J]．局解手術(shù)學(xué)雜志，2006，l 5(1)：49—50：
[4] 王文豪、基于指紋識(shí)別技術(shù)的Web訪問(wèn)控制[J 現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(4)：45—46．
[5] SiLicon Laboratories Inc．． C805l F020／1／2／3 8k ISP FLASH MCU Family．Preliminary Rev．1．4 [M] Silicon
Laboratories Inc．，2003．
[6] 上海一維科技有限公司．指紋模塊開(kāi)發(fā)手冊(cè)v1．1[M]． 上海：上海一維科技有限公司，2005．
[7] 清達(dá)光電(杭州)技術(shù)有限公司． 罔形液品 示模塊AHG3202401一B—LWH使．}}J手冊(cè)[M]．杭州：清達(dá)光電(杭州)技術(shù)有限公司，2002．

作者簡(jiǎn)介：王芳(1971-)，女，浙江杭州人，浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系,主要從事電子技術(shù)方面的研究。