一種新型指紋鎖電路設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上主流的電子鎖是基于密碼設(shè)計(jì)的。密碼鎖的最大的缺陷是密碼容易被他人竊取、猜測(cè)及遺忘。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，越來越多的活體技術(shù)應(yīng)用到識(shí)別系統(tǒng)中，如指紋、掌紋、人臉、虹膜等。相對(duì)于其它的活體識(shí)別技術(shù)，指紋識(shí)別系統(tǒng)以其可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，成本相對(duì)低廉，同時(shí)又具備較高的安全性，被越來越多的應(yīng)用到各種場(chǎng)合。文章給出了一種新型的指紋鎖架構(gòu)，并詳細(xì)論述了系統(tǒng)的各個(gè)組成部分以及指紋識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)流程。文章對(duì)降低系統(tǒng)功耗和增加保密性都提出了獨(dú)特的方法。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和大規(guī)模的集成芯片的出現(xiàn)，現(xiàn)有的門鎖系統(tǒng)也正在經(jīng)歷著升級(jí)換代的變換。第一代電子門鎖采用的是密碼識(shí)別方法，解決了機(jī)械門鎖更換的靈活性，即鑰匙的設(shè)置和更改掌握在了使用者的手中;但由于密鑰與使用者非強(qiáng)相關(guān)，松耦合，授權(quán)難以管理，在安全性方面存在著極大的隱患。第二代電子門鎖采用最先進(jìn)的生物特征識(shí)別技術(shù)，提供了一種更為安全可靠、使用方便的身份識(shí)別新途徑。

生物特征識(shí)別技術(shù)主要是利用虹膜、人臉、指紋、掌紋、語音這幾種人體生物特征的一種來做識(shí)別的。虹膜、人臉需要使用到影像成像系統(tǒng)，設(shè)備過于復(fù)雜，僅用于高端系統(tǒng)，難以普及應(yīng)用;語音系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單，但由于容易被模仿，安全性相對(duì)較低;指紋和掌紋僅使用掃描成像，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，易于推廣，尤其是指紋識(shí)別技術(shù)，采用逐行掃描系統(tǒng)，識(shí)別傳感器可以做得非常小，具有很高的可行性和實(shí)用性。

指紋鎖系統(tǒng)主要可用在保險(xiǎn)箱、實(shí)驗(yàn)室、樓道的身份確認(rèn)及相關(guān)控制;隨著智能家居概念的興起，也越來越多的應(yīng)用到高檔住宅中。

1 指紋鎖的架構(gòu)

本指紋鎖系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括：指紋識(shí)別頭、主處理微控制器、電源管理、電控鎖機(jī)構(gòu)以及門鎖功能所需的紅外感應(yīng)、告警電路等，其中核心部分是指紋識(shí)別頭和主處理微控制器。本指紋鎖系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 指紋門鎖硬件結(jié)構(gòu)框圖

本指紋鎖通過指紋識(shí)別頭獲取原始指紋數(shù)據(jù)，通過主處理器的處理提取出相關(guān)指紋特征，然后與存儲(chǔ)器內(nèi)的指紋模板做比較，如果指紋特征吻合，則通過指示燈做出相應(yīng)的指示，同時(shí)輸出門鎖開啟信號(hào)，打開門鎖;在門鎖開啟狀態(tài)，也可通過相應(yīng)按鍵操作，進(jìn)行指紋模板存儲(chǔ)。

輔助處理器用于系統(tǒng)的電源管理，即管理主處理器的上下電。本設(shè)計(jì)采用層級(jí)包容架構(gòu)設(shè)計(jì)，主處理器功能強(qiáng)大，處理功能相對(duì)復(fù)雜，功耗較高;輔助處理器功能非常簡(jiǎn)單，僅負(fù)責(zé)電源管理，完成對(duì)系統(tǒng)的上下電處理(除了自身不下電)。該架構(gòu)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一，功耗極其低，在系統(tǒng)待機(jī)模式下，主處理器部分根本就不耗電，系統(tǒng)可超長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)工作。第二，采用層級(jí)架構(gòu)，兩個(gè)處理器功能完全解耦，軟件可分別自由演化。第三，超可靠性，程序隨著代碼行數(shù)的增加，異常情況成指數(shù)倍的增長(zhǎng)，所以主處理器程序長(zhǎng)時(shí)間工作的可靠性大大降低，本架構(gòu)由于采用了輔助處理器的方案，主處理器絕大多數(shù)時(shí)間處理斷電狀態(tài)，每次工作時(shí)，都經(jīng)歷了重新上電過程，因此原則上主處理器做到了永不死機(jī)的可靠性;而輔助處理器工作極其簡(jiǎn)單：檢測(cè)觸摸，然后給主處理器上電，等待主處理器空閑信號(hào)，然后給主處理器下電。程序代碼行非常簡(jiǎn)短，工作可靠性極高。

【分頁導(dǎo)航】

第1頁：指紋鎖的架構(gòu)

第2頁：指紋傳感器的選型/指紋算法的選型

第3頁：主CPU的選型/輔助CPU的選型

2 指紋傳感器的選型

在指紋產(chǎn)品中，指紋傳感器和指紋算法是關(guān)鍵。指紋處理的過程是采集指紋圖像，然后對(duì)指紋圖像進(jìn)行處理，所以能否采集到清晰的指紋圖像是指紋處理的關(guān)鍵，指紋傳感器是指紋圖像的采集部件，因此，指紋傳感器的性能將直接影響到指紋產(chǎn)品的性能。

目前采用的指紋傳感器從分類上主要分為半導(dǎo)體指紋傳感器和光學(xué)指紋傳感器。半導(dǎo)體的指紋傳感器又分為面狀指紋傳感器和條狀指紋傳感器(即滑動(dòng)式指紋傳感器/刮擦式指紋傳感器)。

選用半導(dǎo)體指紋傳感器主要要考慮以下幾個(gè)指標(biāo)：

(1)抗靜電性能，—般要求大于15kv，否則易被擊穿。

(2)分辨率。一般至少要求256dpi，否則對(duì)細(xì)指紋不易分辯，比如銀行、醫(yī)院、超市等不宜應(yīng)用。

(3)對(duì)干濕手指的適應(yīng)性(尤其是涂有護(hù)手霜的手指)。

(4)使用壽命要求。傳感器的使用壽命的要求一般要達(dá)到可使用100萬次。

(5)產(chǎn)品一致性和適應(yīng)性，不同地區(qū)人的指紋有不同的特征，所以要選用高適應(yīng)性的指紋傳感器。

由于本文中的指紋讀頭在設(shè)計(jì)中的要求體積盡量小，因此選用的是美國(guó)AuthenTec公司的AES2510的刮擦式指紋傳感器。其選用的理由如下：

(1)采用其最新的“The Power of Touch”技術(shù)，屬于接觸式的，對(duì)干濕手指不敏感。

(2)易用且能提供快速的指紋成像，具有導(dǎo)航功能。

(3)低功耗、小CPU占用率的特性。

(4)出貨量大，成本低。

(5)尺寸相當(dāng)微小，只有12mm×5mm×1.86mm。

其外觀圖如圖2所示：

圖2 AES2510實(shí)物圖

3 指紋算法的選型

指紋識(shí)別算法是指紋識(shí)別的核心。常見的指紋算法有：BIOKEY指紋識(shí)別算法、Fingerpass指紋識(shí)別算法、TOUCHSEC指紋識(shí)別算法、OpenBio指紋識(shí)別算法、FAA指紋識(shí)別算法等等，國(guó)內(nèi)也有許多公司也自主研發(fā)了許多具有專利的指紋識(shí)別算法，在網(wǎng)上也有許多公開算法的源碼。在設(shè)計(jì)初期，選用公開的算法源碼，會(huì)造成調(diào)試的不方便，同時(shí)算法的指標(biāo)也不確定是否滿足需求;大公司的指紋識(shí)別算法一般又要價(jià)比較高，談判困難;因此最合理的方法是選用指紋廠家提供的識(shí)別算法進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證，Autllentec提供的算法相對(duì)也比較成熟可靠，由于使用其指紋傳感器，指紋識(shí)別算法收取費(fèi)用相對(duì)較低，如果使用量較大，甚至可以免費(fèi)贈(zèng)送。

在我們的設(shè)計(jì)中，采用的是Authentec提供的指紋識(shí)別算法，最后驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果在認(rèn)假率、拒真率、比對(duì)時(shí)間上均滿足需求

4 主CPU的選型

主CPU的選型主要關(guān)注的指標(biāo)是運(yùn)算速度及功耗，有的廠商的產(chǎn)品側(cè)重于低功耗，有的側(cè)重于運(yùn)算速度。來自于幾家廠商提供的一組測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，分別顯示了不同的CPU在運(yùn)算指紋匹配算法所需要的時(shí)間。

表1 運(yùn)行指紋匹配算法時(shí)間對(duì)比表

由于我們采用了層級(jí)包容式架構(gòu)，因此對(duì)主處理器的功耗指標(biāo)不太關(guān)心，選用更高的處理速度，能給用戶帶來了更好的體驗(yàn)。本指紋鎖選擇的CPU是BF531。ADSP-BF531系列處理器是Blaclkflin系列產(chǎn)品的成員之一，是一個(gè)高度集成的片上系統(tǒng)解決方案。其功能框圖如圖3所示：

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圖3 BF531的功能框圖

ADSP-BF53 l是主頻高達(dá)400 MHz高性能Black—fin處理器，其內(nèi)核包括：2個(gè)16位MAC，2個(gè)40位ALU，4個(gè)8位視頻ALu，以及1個(gè)40位移位器;對(duì)于指紋對(duì)比計(jì)算有很強(qiáng)的處理能力，另外，廠家又提供了為該處理器量身定做的指紋對(duì)比算法。

5 輔助CPU的選型

由于指紋鎖在設(shè)計(jì)時(shí)提出的存儲(chǔ)指標(biāo)為100枚指紋，大概所需內(nèi)存為lMByte以上，因此必須使用外部存儲(chǔ)設(shè)備。為了最大限度的降低成本，我們使用SDRAM芯片來替代外部的SRAM，因此就必然導(dǎo)致設(shè)備的外部功耗增加，對(duì)于使用電池供電的設(shè)備，這幾乎是不能容忍的，為此我們使用一個(gè)超低功耗的輔助CPU來進(jìn)行設(shè)備管理。

通常情況下，主CPU的所有電路均不上電，輔助CPU感應(yīng)到有手觸摸鎖柄時(shí)，則通過IO口控制主CPU上電，主CPU和指紋傳感器開始工作，指紋比對(duì)成功后，啟動(dòng)開鎖。無論對(duì)比是否成功，等待固定一段時(shí)間后，主CPU均會(huì)進(jìn)入空閑狀態(tài)，向輔助CPU發(fā)送空閑信號(hào)，輔助CPU對(duì)主CPU斷電。

由于輔助CPU是長(zhǎng)期工作，永不斷電的，選則的基本原則就是超低功耗，架構(gòu)簡(jiǎn)單，極高的可靠性。本文選擇的是TI的MSP430F2001，MSP430單片機(jī)擁有0.5uA的超低待機(jī)電流和250uA/MIPs的運(yùn)行功耗，是目前業(yè)界公認(rèn)的低功耗單片機(jī)。其提供了5種低功耗模式，主要面向電池供電的應(yīng)用。功能框圖如圖4所示：

圖4 MSP430F2001的功能框圖

MSP430F200l的特性描述如下：低工作電壓(1.8V-3.6V);超低功耗(活動(dòng)模式為220μA at 1 MHz，2.2 V，待機(jī)模式為0.5μA，關(guān)閉模式為0.1μA);五種省電模式;從待機(jī)模式喚醒1μs。

6 其它

本方案中還采取了其它降功耗措施：

主處理器的LDO改為DC/DC開關(guān)芯片，提高工作時(shí)的電源效率;

開鎖繼電器的先用大電流驅(qū)動(dòng)1秒使其吸合，然后通過調(diào)整控制端的占空比為30%，讓其進(jìn)行4秒的維持狀態(tài);

7 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過合理選擇器件，圍繞低成本、低功耗、高運(yùn)算性能、電池供電等特性要求優(yōu)化電路，設(shè)計(jì)完成的新型指紋鎖電路在性能指標(biāo)、穩(wěn)定性、兼容性低硬件成本方面具有非常大優(yōu)勢(shì)。

通過本設(shè)計(jì)制作出數(shù)臺(tái)樣機(jī)，在僅使用兩節(jié)5號(hào)電池不更換的情況下，每天開鎖3次，已連續(xù)可靠的工作了2年。

本設(shè)計(jì)完成的指紋鎖，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)門標(biāo)禁、指紋考勤、國(guó)防安全等眾多領(lǐng)域。