摘 要： 在油气勘探领域，地质岩屑样本图像的采集和分析十分重要。针对目前岩屑采集系统安全保密性不足以及采集操作复杂的问题，提出了一种改进方案：添加指纹识别模块，增加系统的安全保密性，减少了岩屑图像资料被窃取的风险；使用QT/E设计用户界面及程序，使操作人员通过在可触式LCD上进行简单操作，就能完成整个采集过程，提高了采集系统的易用性。
0 引言
在油气勘探领域，钻井岩屑是非常重要的地质参考资料。近年来，随着制造工艺的改进，聚晶金刚石复合片钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit，PDC）的性能大大增强，在钻井速度加快的同时，钻出的岩屑也更加细小，甚至破坏成粉末状，对这种细小岩屑的采集和分析关系到对油井地层的判断是否及时、准确，大幅影响企业的成本和利润。目前，实际使用的岩屑采集系统也不在少数，但是一些采集系统操作复杂，致使操作工人需要花费大量的学习成本去掌握采集流程。又由于采集的岩屑图像属于商业机密，因此其保密工作的重要性不言而喻。考虑到系统的易用性与安全性，本系统的设计思路是以ARM开发板为基础，添加一个指纹识别模块，操作人员需通过指纹识别才能够操作采集系统。同时添加一个可触式LCD模块，通过在触摸屏上的简单操作实现岩屑图像的采集。
1 系统平台设计
1.1 系统硬件平台设计
本系统硬件总体设计方案如图1所示。
主控芯片采用Samsung公司的基于ARM9的S3C2440处理器。它具有功耗低、功能强、引脚与接口丰富，指令执行速度快等优点，非常适用于本系统的开发[4]。采集摄像头使用1 200 dpi的高分辨率面阵CCD相机，保证采集的岩屑图像颗粒清晰，方便后续图像分析。光源模块包括两种模式：白光模式和荧光模式。白光模式下使用LED白光灯管，采集的岩屑白光图像主要用于分析岩性；而荧光模式下使用主峰为365 nm的窄波紫外灯管，并配合使用保留400 nm~700 nm波段光的滤镜，滤镜在荧光模式下自动切入视场，得到效果更好的荧光图像，便于分析岩屑的含油情况。电机及驱动模块用于控制料盘和滤镜进出采集视场。LCD模块使用电容式触摸屏模块与开发板LCD接口相连。指纹模块采用杭州伟耕科技公司开发的R305指纹模块，该模块采用光学式指纹传感器与DSP处理器，内嵌指纹图像预处理算法和通信协议，与主控芯片通过串口进行通信。
1.2 系统软件平台的搭建
系统的软件设计主要是将指纹识别模块软件与LCD上采集操作界面软件程序整合。因此需要选择稳定性高、功能强大的嵌入式系统。嵌入式Linux系统具有丰富的设备驱动程序、方便裁剪与定制、界面功能丰富、内核小巧稳定等特点，除此之外，其代码开源也减少了开发成本。平台的搭建主要由Bootloader的移植、Linux内核的移植和构建文件系统三个步骤组成。
Bootloader与Windows系统下的BIOS功能类似，是系统在操作系统内核启动或用户应用程序运行之前，首先必须运行的一段程序代码，用来初始化硬件设备，设置堆栈，检查系统内存映射等。常用的Bootloader有u-boot，vivi等，本系统使用u-boot。在官网上下载u-boot的压缩文件，解压后根据需求修改配置文件Makefile，生成二进制文件u-boot.bin后，再烧写到开发板中。
内核是操作系统的核心，一方面，管理底层的各个接口，实现对硬件的编程控制和接口操作；另一方面，为应用程序提供了一个执行环境。用户可以根据自身需要对内核进行裁剪和配置，并在内核中添加设备驱动[3]。文件系统是文件的组织管理形式，它位于操作系统之上，包含了Linux能够正常运行所需的库函数和应用程序等。Busybox是用来创建根文件系统的工具，用来构建嵌入式设备所需的Linux根文件系统。最后用YAFFS编译构建文件系统，生成根文件系统的镜像文件，并将其下载到开发板中。
2 指纹识别模块
本文采用的指纹识别模块是伟耕科技有限公司研制的R305指纹识别模块。它由光学式指纹传感器和DSP处理器构成，内嵌完整的指纹识别算法和协议。具有指纹采集、指纹对比、指纹存储等功能[6]。R305的主要技术指标如表1所示。
2.1 硬件接口
指纹模块外部的4个引脚与控制电路板通过串行通信接口相连，外部引脚及定义如表2所示。
由于，指纹模块不能通过串行通信接口与主控芯片相连，必须在其中添加一个电平转换芯片（如MAX232、SP3232等），将RS232信号电平转换为TTL电平，本文使用了3.3 V供电的SP3232芯片，电路连接原理图如图2所示。
2.2 软件接口
使用R305模块进行软件开发，必须掌握该模块具有的系统资源、通信方式和指令系统。
R305模块具有以下系统资源：
（1）状态寄存器，占用1个字，用于系统状态指示。
（2）模块地址：占用2个字，软件只接收与该地址相配的指令包和数据包。
（3）波特率系数：占用1个字，用于设置UART波特率，且该值必须是9 600 b/s的整数倍。
（4）模块指令：占用2个字，用于握手时验证，验证成功系统才响应。
（5）缓冲区与指纹库：模块内设有72 KB的图像缓冲区ImageBuffer和两个512 B大小的特征文件缓冲区CharBuffer1、CharBuffer2。用户可以通过指令读写任意一个缓冲区。特征文件缓冲区既可以用于存放特征文件，也可以用于存放模板特征文件。
R305模块与S3C2440通信采用的是半双工异步串行通信协议，默认波特率为57 600 b/s。传送的帧格式为10 bit，1 bit 0电平起始位，8 bit为数据位和1 bit停止位，无校验位。在此协议规则下，模块与S3C2440通信分为三类：命令包、数据包与结束包。包头均为0xEF01。三种包的格式如表3所示。
08HR305模块指令系统具有丰富的指令集，表4列举出了程序设计中所用到的其中的指令。
2.3 程序设计
对指纹模块的操作分为两种情况，（1）指纹录入：两次指纹采集，将采集到的指纹图像生成特征文件，并将两次采集生成的特征文件合并生成模板，最后将模板保存到指纹库中。（2）指纹登录：采集指纹图像，生成特征文件，保存入CharBuffer1中，再搜索指纹库，并将指纹库中的特征模板存入CharBuffer2中，将CharBuffer1中的特征文件与CharBuffer2中的特征模板进行精确对比直至配对成功。若搜索完整个指纹库仍然找不到配对的指纹特征模板，则登录失败。指纹录入的程序流程图如图3所示，指纹登录的程序流程图如图4所示。
3 QT/E用户界面程序设计
QT是一个完整的C++应用程序开发框架，因为其API在所有平台上均相同，所以QT经常用来做跨平台程序开发[2]。QT/Embedded是面向嵌入式Linux开发的QT版本，通常简称为QT/E。它是基于QT嵌入式GUI和应用程序开发的工具包，专门为嵌入式设备提供图形用户界面的应用框架和窗口系统。
本文使用QT的可视化界面设计工具QT Designer，首先新建一个QT工程，工程模板选择Widget，根据工程需要设计添加窗口、按钮、文字、输入框、对话框等对象，建立这些对象的触发信号与相应的槽。信号与槽机制是QT的基础，它可以让互不相关的对象关联（colleciton）起来，槽就类似于C++成员函数，唯一的区别在于槽可以与信号连接在一起，当触发某个信号时就会自动调用与其相应的槽[8]。信号与槽机制如图5所示。
本系统的槽包括指纹获取、注册、匹配，采集模式切换等，部分槽函数的声明如下：
Public Slot：
Void FingerPrintRegister（）
Void FingerPrintCharacter_Save（）
Void FingerPrint_Acquisition（）
Bool FingerPrintCharacter_Match（match）
Bool ModeChoice（mode）
Void WhiteLight_On（）
Void Fluoresecent_On（）
Void Filter_On（）
采集界面设计完成后，保存.ui工程文件。使用ui2cpp将工程文件转换为C++源文件和头文件，再添加main.cpp，到源码中各个函数下添加代码，最后编译并移植到开发板中即可使用。采集界面程序流程如图6所示。
整个采集界面程序流程简单，符合用户的思维和使用习惯，操作工人可以不经过任何培训就能够对系统进行操作，并且很多步骤都由系统自动完成，比如：当选择白光采集模式，则自动开启白光，关闭荧光，滤镜切出。这样简单的设计不仅能突显采集系统的功能性，获得更好的用户体验，也降低了开发难度，增强了系统的鲁棒性。
4 结论
本文提出了一种针对岩屑采集系统的易操作性与保密性的设计方案，添加了指纹识别模块，并利用模块的软硬件接口在采集程序中添加了指纹识别功能，保证了采集系统的安全保密性。采用QT/E来设计采集系统的交互界面，并设计了采集界面程序，使用户可以通过触屏式LCD直接完成整个采集操作。
参考文献
[1] RAO T A， RAMAIAH N D， NOHAN C K. Finger recognition on various authentication sensors[J]. Journal of Electronic Science and Technology，2014，12（1）：134-138.
[2] BLANCHETTE J， SUMMERFIELD M. C++ GUI Programming with QT 4（Second Edition）[M].闫锋欣，译.北京：电子工业出版社，2008.
[3] CORBET J， RUBINI A， KROAH-HAR TMAN G.Linux设备驱动程序[M].魏永明，等译.北京：中国电力出版社，2002.
[4] CPU Samsung Electronics Co.Ltd. User manual S3C2440 32 bit RISC microprocesor revision1[Z]. 2002.
[5] 柴晓光，岑宝炽.民用指纹识别技术[M].北京：人民邮电出版社，2004.
[6] 伟耕科技有限公司.R30X系列指纹识别模块开发手册[Z].2012.
[7] 胡涛.面向保密型企业的指纹识别考勤管理系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2013.
[8] 吴贺猛.基于QT/E的嵌入式图形用户界面的研究与应用[D].南京：南京邮电大学，2013.