單芯片指紋鎖原理及設計方案

據鎖業(yè)專(zhuān)家統計，目前全國鎖具銷(xiāo)售量每年約在22億把以上。經(jīng)過(guò)數年市場(chǎng)醞釀，市場(chǎng)對指紋鎖的需求正日益俱增。據估算，包括金融、軍警、辦公在內的商用市場(chǎng)每年有約500萬(wàn)套的市場(chǎng)需求。民用市場(chǎng)成熟后，每年至少商用市場(chǎng)的需求量。在未來(lái)的數年內，指紋鎖具將占居鎖具市場(chǎng)的最大份額，成為中國鎖業(yè)的一個(gè)轉折點(diǎn)。

人們使用鎖具的方式在不斷的發(fā)生著(zhù)變化。從機械鎖到電子鎖，鎖具行業(yè)跨出了巨大的一步，同時(shí)也給人們的生活帶來(lái)到了重大的改進(jìn)。而如今，“生物識別技術(shù)”在全球范圍內的興起，正在推動(dòng)鎖具行業(yè)的又一次技術(shù)革新，這必將引領(lǐng)“指紋鎖”時(shí)代的到來(lái)。

　　正是在這樣的市場(chǎng)背景下，新加坡藍科有限公司推出了可以應用指紋鎖具的SIB8132指紋識別專(zhuān)用芯片。在此，將這款指紋識別專(zhuān)業(yè)芯片的設計體會(huì )與讀者分享。

　　總體設計

　　嚴格來(lái)講，指紋鎖是電子鎖的一種。只不過(guò)因為是基于指紋識別技術(shù)，拋棄了以前電子鎖的“密碼”和“智能卡”，使用人體與生俱來(lái)的生物特征—指紋，因此而達到了科技與人性之完美統一。指紋鎖在滿(mǎn)足人們對安全訴求的同時(shí)，使人們遠離“記憶密碼的煩惱”和“攜帶卡片又怕丟”的擔心，真正的能夠做到了“既安全又便捷”。

　　實(shí)現這種“既安全又便捷”的指紋鎖，在產(chǎn)品總體設計上需要從以下幾個(gè)方面考慮。

　　第一，在“安全性”上，不僅要考慮防破壞性開(kāi)鎖，還要兼顧防技術(shù)性開(kāi)鎖。采用指紋識別模塊，減除了鑰匙開(kāi)鎖方式，基本上可以消除技術(shù)性開(kāi)鎖的問(wèn)題。

　　第二，要考慮重碼率，或者叫密鑰量。對于采用信息編碼的電子鎖而言，密鑰量一般不少于105。而對于采用生物識別技術(shù)的，密鑰量都在256個(gè)字節以上。其密碼強度遠遠大于現有的密碼。

　　第三，選用的指紋識別和指紋采集器件的性能直接影響著(zhù)指紋鎖的安全性和易用性。雖然“指紋密鑰”的強度很大，理論上和實(shí)際中，仍然有誤識的情況發(fā)生，只是這種機率遠比密碼和機械鑰匙小的多。

　　第四，指紋鎖是否增加了較多成本。指紋鎖相對于智能卡鎖、指紋鎖，并未增加多少成本。尤其是采用SIB8132單芯片解決方案后，可以把鎖的控制程序和指紋識別程序融合于一個(gè)MCU中。這也是目前全球唯一的單芯片設計方案，已經(jīng)被眾多公司實(shí)現。

　　圖1是功能較為全面的指紋鎖方案框圖。從圖中可以看出，內置指紋識別功能的鎖具控制模塊即為SIB8132。它是整個(gè)指紋鎖的核心。SIB8132是32位低功耗專(zhuān)用處理器，內置256K的ROM、RAM，以及256K FLASH Memory，最大可以存儲1000枚指紋數據。整個(gè)指紋的比對處理在片內完成，250枚以?xún)?：N比對，1秒內輸出結果。

　　圍繞SIB8132的是指紋鎖的輸入輸出模塊。這些模塊包括電源模塊、指紋采集頭、鍵盤(pán)、蜂鳴器、以及鎖具驅動(dòng)設備。LCD/LED顯示設備、通訊接口和調試接口是可選模塊，根據產(chǎn)品功能規格要求可以取舍。

　　具體設計要點(diǎn)

　　鎖具操作流程設計

　　對于像鎖具這種普通老百姓天天使用的產(chǎn)品來(lái)講，一個(gè)“簡(jiǎn)單實(shí)用”的操作流程是非常重要的。操作流程設計以“最簡(jiǎn)單”和“最合乎邏輯”為優(yōu)選原則。鎖具操作流程設計時(shí)需要注意：

　　·子功能設置盡量獨立，減少按鍵復用。

　　·操作時(shí)按鍵次數盡量少，操作層級不超過(guò)2級。

　　指紋操作流程設計

　　為普通鎖增加指紋功能后，對于鎖的使用，客觀(guān)上帶來(lái)了一定的復雜度。當然這只是體現在初次使用時(shí)的指紋登記操作上，指紋開(kāi)鎖操作仍然是非常簡(jiǎn)單的。

　　初次使用指紋鎖時(shí)，需要先存入指紋數據到鎖的控制模塊中。存儲指紋需要經(jīng)過(guò)“指紋采集”和“指紋判別”。“指紋采集”需要設計一個(gè)友好的操作序列來(lái)引導用戶(hù)順暢的采集指紋。在“指紋判別”時(shí)，需要根據“指紋質(zhì)量”給出回饋信息，以提示和幫助用戶(hù)輸入較好質(zhì)量的指紋。存儲的指紋數據通常稱(chēng)為指紋模板，指紋模板的好壞直接影響后續指紋識別(開(kāi)鎖)的準確性。

　　在大多數場(chǎng)景下使用的指紋鎖，都會(huì )涉及“指紋管理”的問(wèn)題。即由特定的管理員來(lái)授權其它人使用該指紋鎖。“指紋管理”包括指紋增加、指紋刪除(單個(gè))、指紋清除(全部)。甚至包括指紋編號管理，以及重復注冊的識別問(wèn)題。

　　在安全等級要求更高的指紋鎖中，可能會(huì )涉及“雙指(多指)論證”—即由多個(gè)人的指紋串連驗證通過(guò)才能開(kāi)鎖的情況。這些涉及到“指紋管理”功能的需求，需要結合具體的應用場(chǎng)景來(lái)完成流程設計。

　　核心控制模塊設計

　　指紋鎖的核心控制模塊是以SIB8132為核心設計的控制板。圖2兩圖分別是指紋控制板上的正面和背面。SIB8132是一個(gè)類(lèi)似ARM7的32位高性能處理器。工作電壓3.3V，內核工作電壓2.5V，最大工作電流75mA。256K的RAM、ROM使得編寫(xiě)一個(gè)集密碼、遙控、指紋三者于一體的應用程序綽綽有余。大小有14×14mm及10×10mm兩種。100個(gè)PIN引腳包含了3組UART、32位GPIO、主副I2C、8位并口、SPI等豐富的接口。這些接口便于處理器與更多的外設連接，從而能夠實(shí)現功能更為強大的指紋鎖系統。因此對于目前市場(chǎng)上“多板拼接”的指紋鎖具方案，SIB8132具有更大的競爭優(yōu)勢。采用SIB8132處理器，真正可以做到“單板單芯”的控制模塊。

　　指紋采集設備選型

　　指紋采集設備是除了核心控制模塊外的最為重要的外設。它的性能優(yōu)劣關(guān)乎整個(gè)指紋鎖的質(zhì)量。指紋采集設備是使用者接觸最多的部件，是指紋數據生成的源頭。正因為它被接觸最多最頻繁，所以在選型時(shí)，耐用性和易用性是最先考慮因素。耐用性考量表現在手指接觸時(shí)的防靜電能力、耐磨耐腐蝕性、以及傳感靈敏度是否隨使用次數明顯下降等。一般認為，光學(xué)指紋采集頭較為耐用，而采用半導體直接傳感的指紋采集頭較為靈敏。易用性表現在使用者的感受上。一般而言，按壓式即面狀指紋采集器使用簡(jiǎn)單，手指一按即可采集指紋。按壓式的大小一般是15mm-25mm見(jiàn)方。除此之外，為了降低成本,以及為了適應小型手持設備的需要，也有不少此類(lèi)產(chǎn)品使用滑動(dòng)式即刮擦式傳感器，其大小僅有10×5mm見(jiàn)方左右。

　　當然對于指紋鎖來(lái)講，用戶(hù)更為大眾化一些。所以，使用按壓式采集頭的會(huì )更多一些。低成本一點(diǎn)的使用光學(xué)按壓式指紋采集頭。高品質(zhì)一點(diǎn)的采用半導體按壓式指紋采集芯片(其中有半導體電容、半導體電感、半導體壓感三者常用傳感方式)。