基于單片機(jī)系統(tǒng)的指紋識別方案和設(shè)計要點

隨著指紋識別在智能手機(jī)上面的普及，指紋識別技術(shù)在越來越多的場合中得到應(yīng)用。除了手機(jī)應(yīng)用之外，在移動支付、門禁系統(tǒng)、智能家庭等嵌入式場景中也逐漸普及開來。在系統(tǒng)實現(xiàn)上面，智能手機(jī)本身擁有強(qiáng)大的計算能力和豐富的內(nèi)存資源，實現(xiàn)指紋識別并不困難，但在嵌入式系統(tǒng)中特別是基于MCU的應(yīng)用場合，其運算能力、內(nèi)存資源等都受到限制，本文介紹了一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的指紋識別方案和設(shè)計要點。

隨著指紋識別在智能手機(jī)上面的普及，指紋識別技術(shù)在越來越多的場合中得到應(yīng)用。除了手機(jī)應(yīng)用之外，在移動支付、門禁系統(tǒng)、智能家庭等嵌入式場景中也逐漸普及開來。在系統(tǒng)實現(xiàn)上面，智能手機(jī)本身擁有強(qiáng)大的計算能力和豐富的內(nèi)存資源，實現(xiàn)指紋識別并不困難，但在嵌入式系統(tǒng)中特別是基于MCU的應(yīng)用場合，其運算能力、內(nèi)存資源等都受到限制，本文介紹了一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的指紋識別方案和設(shè)計要點。

如圖所示，這是一個WiFi指紋識別前端的系統(tǒng)框圖，其應(yīng)用場景是：手指按壓指紋識別模塊時，指紋數(shù)據(jù)被采集并傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/單片機(jī)">單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過識別算法對指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，把處理結(jié)果通過WiFi模塊無線傳輸?shù)皆贫藚⑴c身份識別的業(yè)務(wù)。

在具體實現(xiàn)上面，由于指紋識別算法涉及較多的浮點運算，以及需要暫存指紋點陣的原始數(shù)據(jù)和中間運算數(shù)據(jù)，故對于運算能力和存儲空間有硬性的要求，在目前主流的單片機(jī)架構(gòu)中Cortex-M4架構(gòu)集成FPU浮點處理單元，在100MHZ主頻下，其浮點數(shù)運算能力可以達(dá)到要求。指紋識別算法代碼編譯后占用上百K字節(jié)的代碼空間，考慮到WiFi網(wǎng)絡(luò)連接、應(yīng)用層代碼等整體上以1MB左右的Flash代碼空間為宜，數(shù)據(jù)存儲的需求以512KB的SRAM空間為宜。系統(tǒng)工作時，在指紋識別過程中需要強(qiáng)大的運算能力，而在沒有指紋按壓的時候則需要運行在低功耗狀態(tài)，以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)對功耗的要求。

在我們的方案中，選擇了具有XIP特性的MCU，把代碼存放在外置SPI Flash中并可以在系統(tǒng)執(zhí)行，從而大大擴(kuò)展了代碼存儲空間。外置SPI Flash中的代碼在執(zhí)行中由于需要內(nèi)部Cache緩存，故執(zhí)行速度略低。對于識別算法的代碼，則可以在Boot階段拷貝到SRAM中運行，從而提升運行速度。XIP SRAM的代碼空間分配方案兼顧了性能和成本，是此設(shè)計的一個亮點。

指紋識別芯片是系統(tǒng)實現(xiàn)的部件，當(dāng)前比較主流的技術(shù)指標(biāo)，要求指紋識別芯片基于電容技術(shù)、支持活體檢測(Live Finger DetecTIon)、按壓式、采用玻璃蓋板，可以實現(xiàn)360度任意方向的觸摸，能夠支持滑動導(dǎo)航。活體檢測技術(shù)具有防止假指紋破解的特點，集成心率檢測功能，方便用戶實時查看心率值。傳感器集成化方便整機(jī)廠商的設(shè)計和整機(jī)集成，使得其方便應(yīng)用于嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)。

指紋識別芯片和主機(jī)的數(shù)據(jù)接口要求在指紋數(shù)據(jù)采集的過程中達(dá)到5Mbps以上的傳輸速率，低于5Mbps的數(shù)據(jù)吞吐量將影響用戶體驗。UART、 I2C等低速接口在吞吐量上無法達(dá)到要求，SPI接口簡潔而且傳輸速率完全可以達(dá)到要求，是合適的通信接口。

指紋識別芯片周期性檢測Pixel傳感器區(qū)域是否有手指觸摸，檢測到傳感器有手指觸摸時，會立刻采集活體檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后會通過中斷通知Host讀取，MCU讀取完活體檢測數(shù)據(jù)后芯片進(jìn)行指紋掃描，指紋掃描開始后就會通過中斷通知Host讀取數(shù)據(jù)。指紋數(shù)據(jù)的掃描和Host數(shù)據(jù)的讀取同步進(jìn)行。

單片機(jī)接收到指紋芯片傳輸來的Pixel原始數(shù)據(jù)后通過識別算法運算后通過WiFi模塊傳輸?shù)皆贫?。由于MCU本身資源的限制，WiFi模塊本身需要集成WiFi驅(qū)動、TCP/IP協(xié)議棧，并可以做作為一個相對獨立的單元運行應(yīng)用層代碼，這樣就極大的減輕了MCU host端的負(fù)擔(dān)。 WiFi模塊通過串口和MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

低功耗和抗干擾也是系統(tǒng)設(shè)計的一個要點，指紋識別模塊在沒有手指按壓時仍然周期性的進(jìn)行傳感器掃描，雖然功耗低于數(shù)據(jù)傳輸期間，但為適應(yīng)電池供電的場合，希望在沒有按鍵觸摸期間可以關(guān)掉指紋識別模塊的電源，為此如上圖所示增加了觸摸按鍵，檢測到有手指靠近的時候打開指紋識別芯片的電源，進(jìn)行指紋掃描采集數(shù)據(jù)，當(dāng)長時間沒有手指觸摸的時候關(guān)閉指紋掃描模塊的電源，從而達(dá)到降低功耗的目的。另外在數(shù)據(jù)采集期間為了防止觸摸按鍵對指紋識別傳感器的影響，在觸摸按鍵后增加模擬開關(guān)，在采集開始前MCU輸出一個控制信號將觸摸按鍵的模擬信號進(jìn)行隔離。