基于ARM嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

摘要：嵌入式系統(tǒng)不但可以達(dá)到更高的集成度，而且體積小，功耗低，逐漸成為信息家電及信息工業(yè)領(lǐng)域的一大重要產(chǎn)品。本文首先對(duì)ARM及嵌入式系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，之后分別從硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、嵌入指紋識(shí)別模塊以及軟件等方面對(duì)基于ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面闡述。

關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式系統(tǒng)；硬件；嵌入指紋識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 (2012) 09-0000-02

一、前言

隨著現(xiàn)代化通訊技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息家電以及信息工業(yè)也取得長(zhǎng)足發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的重要性逐漸引起關(guān)注，在今后一段時(shí)間內(nèi)，其功能也必定會(huì)有很大程度的提升，最終發(fā)展成為具有數(shù)字處理、管理、控制以及通訊等功能的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)之上的，應(yīng)用是其中心內(nèi)容，系統(tǒng)的硬件及軟件具有可裁剪性，可以滿(mǎn)足專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)功能、成本、功能以及體積等方面的要求。嵌入式系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢(shì)在于可以從用戶(hù)的現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的硬件及軟件進(jìn)行相應(yīng)的裁剪，有效提升集成度、降低功耗及體積，對(duì)于系統(tǒng)的智能化水平以及網(wǎng)絡(luò)化程度等具有重要意義。當(dāng)前，技術(shù)較為成熟的指紋識(shí)別系統(tǒng)主要依托于PC平臺(tái)，從而在很大程度上對(duì)指紋識(shí)別設(shè)備的廣泛應(yīng)用形成了阻礙，同時(shí)也導(dǎo)致系統(tǒng)成本上升；此外，還有不少的嵌入式系統(tǒng)選擇的是51系列單片機(jī)充當(dāng)系統(tǒng)的中央處理器，這樣的系統(tǒng)只能向用戶(hù)提供較為簡(jiǎn)單的人機(jī)界面，并且性能不夠優(yōu)越，完善的空間也極為有限。ARM處理器成本低、性能優(yōu)越、體積有限并且功耗較低，鑒于其上述優(yōu)點(diǎn)，深入分析和研究基于ARM嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義和價(jià)值。

二、理論概述

（一） ARM

ARM架構(gòu)，過(guò)去稱(chēng)作進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器，更早稱(chēng)作Acorn RISC Machine。是一個(gè)32位元精簡(jiǎn)指令集中央處理器架構(gòu)，基于ARM架構(gòu)的主要產(chǎn)品為低功耗且質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件，被廣泛應(yīng)用于教育多媒體、DSP、嵌入式控制以及移動(dòng)式應(yīng)用等領(lǐng)域。ARM32為體系結(jié)構(gòu)是當(dāng)前處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平的32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)，被全部ARM處理器共享。由于具有較強(qiáng)的節(jié)能特性，ARM處理器非常適用于移動(dòng)通訊領(lǐng)域，符合其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為低耗電的特性。

（二）嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)主要有處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出以及相關(guān)軟件等部分構(gòu)成。其中，嵌入式處理器時(shí)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件。當(dāng)前全球共有千余種具備嵌入式處理器，每種處理器都具有自身的功能及優(yōu)勢(shì)，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而言，基本特點(diǎn)高性能、低能耗以及低成本；作為嵌入式系統(tǒng)另一重要組成部分的存儲(chǔ)器，需要與所使用的處理器相配套，然而在功能方面，還需要關(guān)注存儲(chǔ)器的穩(wěn)定性以及容量的大??；至于系統(tǒng)的其他外圍設(shè)備，在選擇時(shí)則需要對(duì)現(xiàn)實(shí)需求以及處理器等情況予以全面考慮。

三、基于ARM嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

（一）硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，從用戶(hù)的實(shí)際情況出發(fā)，出于有效控制成本以及降低開(kāi)發(fā)難度的考慮，筆者選擇了飛利浦公司研發(fā)的32位嵌入式處理器LPC2104芯片，其具有體積小、功耗低以及性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)下圖所示。

圖1 基于ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)踐中，比較常見(jiàn)的調(diào)試方式就是非插入式的JTAG調(diào)試，作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口，借助JTAG邊界掃描便可以實(shí)現(xiàn)與ARM CPU的通信；調(diào)試主機(jī)作用在于編譯ARM程序，并借助調(diào)試程序進(jìn)行調(diào)試；蜂鳴器的主要作用是報(bào)警以及反饋指紋識(shí)別系統(tǒng)工作情況；LPC2104的電源有兩組，分別為I/O口供電電源及內(nèi)核供電電源，二者的電壓分別是3.3V和1.8V，因此需要選擇輸入電源為5V的電源芯片；利用I2C總線可以確保看門(mén)狗時(shí)鐘電路與處理器之間通訊的實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)選擇X1228芯片，一旦芯片的電壓超出或低于正常值，可以及時(shí)進(jìn)行復(fù)位，并對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；鍵盤(pán)采取掃描方式，包括六個(gè)功能性按鍵，可以執(zhí)行上、下、左、右移動(dòng)以及進(jìn)入和退出等操作；該系統(tǒng)選擇的是SMG12864B點(diǎn)陣型LED液晶，要先進(jìn)行初始化才可以正常使用，其主要作用是對(duì)ID號(hào)、姓名、時(shí)間以及其他信息等進(jìn)行顯示，控制器中設(shè)置了數(shù)據(jù)地址頁(yè)指針以及數(shù)據(jù)地址列指針各一個(gè)，以便用戶(hù)對(duì)內(nèi)部的512字節(jié)RAM進(jìn)行訪問(wèn)；Flash存儲(chǔ)器具有易于操作、讀寫(xiě)可靠性高、成本低廉以及可擦寫(xiě)等優(yōu)勢(shì)，在嵌入式系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。在此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中筆者選擇三星公司研發(fā)的K9F6408u0b芯片，其主要作用是對(duì)指紋庫(kù)數(shù)據(jù)、用戶(hù)信息以及出入記錄等進(jìn)行保存。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)之一就是通訊模塊，LPC2104具備兩個(gè)UART，二者的寄存器的區(qū)別不大，分別負(fù)責(zé)與上位機(jī)PC的通訊以及與指紋識(shí)別模塊的通信。因?yàn)樗x擇的是RS232協(xié)議，所以要選擇相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路。LPC2104數(shù)據(jù)處理操作并不面向存儲(chǔ)器，其唯一針對(duì)的對(duì)象就是寄存器中的相關(guān)內(nèi)容，這樣就在很大程度上降低了操作的難度，只需要在發(fā)送緩沖區(qū)中寫(xiě)入相關(guān)數(shù)據(jù)便可以完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。系統(tǒng)選擇FIQ中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，在數(shù)據(jù)達(dá)到接收緩沖區(qū)的時(shí)候，便會(huì)出現(xiàn)中斷，隨即相應(yīng)的中斷程序被執(zhí)行。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案所選擇的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232的RS232電平轉(zhuǎn)換共有兩組，這樣便可以保證和兩個(gè)串口開(kāi)展有效通信。將MAX3232芯片的TTL/CMOS輸入及輸出信號(hào)連接到LPC2104的UART的輸入及輸出上，同時(shí)將MAX3232的輸入輸出口連接到串口9針連接器。具體的連接方式詳見(jiàn)下圖所示。在需要應(yīng)用UART0的場(chǎng)合，首先要對(duì)TXD0以及RXD0管腳連接進(jìn)行設(shè)置，在此基礎(chǔ)上對(duì)串口波特率以及工作模式進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，完成上述設(shè)置之后便可以正常的開(kāi)展發(fā)送及接受數(shù)據(jù)的操作。

圖2 LPC2104與串口連接示意圖

（二）嵌入指紋識(shí)別模塊及軟件設(shè)計(jì)

在完成嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，借助UART0串口嵌入指紋識(shí)別模塊便可以實(shí)現(xiàn)正常的系統(tǒng)通信。在此次設(shè)計(jì)方案中，筆者選擇的是中正公司研發(fā)的主要應(yīng)用于功耗較低場(chǎng)合的SM-60指紋識(shí)別模塊。筆者所選擇的指紋識(shí)別模塊具有光學(xué)指紋傳感器，包括性能優(yōu)越的DSP處理器以及Flash等芯片，其主要功能包括處理指紋圖像、提取模板、匹配模板、保存模板以及搜索指紋等，不僅如此，相關(guān)指令只需加以整合還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度更高的功能。

系統(tǒng)程序是由通訊及管理兩大內(nèi)容構(gòu)成的，以指紋識(shí)別模塊相關(guān)協(xié)議為主要依據(jù)進(jìn)行編寫(xiě)。一方面是對(duì)指令幀進(jìn)行發(fā)送，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和校驗(yàn)，另一方面是在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加用戶(hù)信息，同時(shí)對(duì)諸如用戶(hù)姓名、ID號(hào)以及開(kāi)啟時(shí)間等門(mén)禁開(kāi)啟記錄進(jìn)行保存。利用鍵盤(pán)以及LCD液晶顯示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制操作以及顯示，此外還可以在液晶屏菜單中進(jìn)行選擇，對(duì)指紋庫(kù)進(jìn)行增加或刪除，或者是對(duì)個(gè)人信息進(jìn)行修改，除此之外，依據(jù)LPC2104單片機(jī)的指示，還可以執(zhí)行錄入指紋、處理圖像、提取特征、生成及保存模板、對(duì)比指紋以及搜索指紋等操作。只需按下相應(yīng)的按鍵便可以執(zhí)行與該鍵盤(pán)相對(duì)應(yīng)的程序。

四、結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)ARM及嵌入式系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，之后分別從硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、嵌入指紋識(shí)別模塊以及軟件等方面對(duì)基于ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面闡述。選用ARM公司所研發(fā)的ADS軟件，可以仿真實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別設(shè)備自身所具備的一系列的功能。除此之外，在LPC2104的Flash芯片中對(duì)相關(guān)程序進(jìn)行固化，還可以取得脫機(jī)工作效果，所以，依托于ARM嵌入式系統(tǒng)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，可以確保用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)性能、成本、功耗以及體積等方面的要求的實(shí)現(xiàn)，從一定意義上講，未來(lái)指紋識(shí)別設(shè)備的發(fā)展將會(huì)朝著小型化和嵌入式趨勢(shì)發(fā)展。筆者在此次的設(shè)計(jì)方案中對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)以及嵌入式技術(shù)進(jìn)行了有效的融合，系統(tǒng)的成本得到了有效控制，在生活小區(qū)物業(yè)管理、政府以及軍事等領(lǐng)域的身份甄別等方面將會(huì)有極大的應(yīng)用空間。

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[作者簡(jiǎn)介]劉芳宇（1979-），女，山西五臺(tái)人，碩士，太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，講師，主要從事嵌入式系統(tǒng)研究。