推薦：新型指紋鎖電路設計方案

　　市場(chǎng)上主流的電子鎖是基于密碼設計的。密碼鎖的最大的缺陷是密碼容易被他人竊取、猜測及遺忘。隨著(zhù)生物技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的活體技術(shù)應用到識別系統中，如指紋、掌紋、人臉、虹膜等。相對于其它的活體識別技術(shù)，指紋識別系統以其可實(shí)現性強，成本相對低廉，同時(shí)又具備較高的安全性，被越來(lái)越多的應用到各種場(chǎng)合。文章給出了一種新型的指紋鎖架構，并詳細論述了系統的各個(gè)組成部分以及指紋識別算法的實(shí)現流程。文章對降低系統功耗和增加保密性都提出了獨特的方法。

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和大規模的集成芯片的出現，現有的門(mén)鎖系統也正在經(jīng)歷著(zhù)升級換代的變換。第一代電子門(mén)鎖采用的是密碼識別方法，解決了機械門(mén)鎖更換的靈活性，即鑰匙的設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相關(guān)，松耦合，授權難以管理，在安全性方面存在著(zhù)極大的隱患。第二代電子門(mén)鎖采用最先進(jìn)的生物特征識別技術(shù)，提供了一種更為安全可靠、使用方便的身份識別新途徑。

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

　　指紋鎖系統主要可用在保險箱、實(shí)驗室、樓道的身份確認及相關(guān)控制；隨著(zhù)智能家居概念的興起，也越來(lái)越多的應用到高檔住宅中。

　　1 指紋鎖的架構

　　本指紋鎖系統的硬件結構主要包括：指紋識別頭、主處理微控制器、電源管理、電控鎖機構以及門(mén)鎖功能所需的紅外感應、告警電路等，其中核心部分是指紋識別頭和主處理微控制器。本指紋鎖系統的硬件結構框圖如圖1所示。

　　圖1 指紋門(mén)鎖硬件結構框圖

　　本指紋鎖通過(guò)指紋識別頭獲取原始指紋數據，通過(guò)主處理器的處理提取出相關(guān)指紋特征，然后與存儲器內的指紋模板做比較，如果指紋特征吻合，則通過(guò)指示燈做出相應的指示，同時(shí)輸出門(mén)鎖開(kāi)啟信號，打開(kāi)門(mén)鎖；在門(mén)鎖開(kāi)啟狀態(tài)，也可通過(guò)相應按鍵操作，進(jìn)行指紋模板存儲。

　　輔助處理器用于系統的電源管理，即管理主處理器的上下電。本設計采用層級包容架構設計，主處理器功能強大，處理功能相對復雜，功耗較高；輔助處理器功能非常簡(jiǎn)單，僅負責電源管理，完成對系統的上下電處理（除了自身不下電）。該架構有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一，功耗極其低，在系統待機模式下，主處理器部分根本就不耗電，系統可超長(cháng)時(shí)間待機工作。第二，采用層級架構，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(zhù)代碼行數的增加，異常情況成指數倍的增長(cháng)，所以主處理器程序長(cháng)時(shí)間工作的可靠性大大降低，本架構由于采用了輔助處理器的方案，主處理器絕大多數時(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(guò)程，因此原則上主處理器做到了永不死機的可靠性；而輔助處理器工作極其簡(jiǎn)單：檢測觸摸，然后給主處理器上電，等待主處理器空閑信號，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。

　　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(guò)程是采集指紋圖像，然后對指紋圖像進(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(lèi)上主要分為半導體指紋傳感器和光學(xué)指紋傳感器。半導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）。

　　選用半導體指紋傳感器主要要考慮以下幾個(gè)指標：

　?。?）抗靜電性能，-般要求大于15kv，否則易被擊穿。

　?。?）分辨率。一般至少要求256dpi，否則對細指紋不易分辯，比如銀行、醫院、超市等不宜應用。

　?。?）對干濕手指的適應性（尤其是涂有護手霜的手指）。

　?。?）使用壽命要求。傳感器的使用壽命的要求一般要達到可使用100萬(wàn)次。

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

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

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

　?。?）易用且能提供快速的指紋成像，具有導航功能。

　?。?）低功耗、小CPU占用率的特性。

　?。?）出貨量大，成本低。

　?。?）尺寸相當微小，只有12mm×5mm×1.86mm。

　　其外觀(guān)圖如圖2所示：

　　圖2 AES2510實(shí)物圖

　　3 指紋算法的選型

　　指紋識別算法是指紋識別的核心。常見(jiàn)的指紋算法有：BIOKEY指紋識別算法、Fingerpass指紋識別算法、TOUCHSEC指紋識別算法、OpenBio指紋識別算法、FAA指紋識別算法等等，國內也有許多公司也自主研發(fā)了許多具有專(zhuān)利的指紋識別算法，在網(wǎng)上也有許多公開(kāi)算法的源碼。在設計初期，選用公開(kāi)的算法源碼，會(huì )造成調試的不方便，同時(shí)算法的指標也不確定是否滿(mǎn)足需求；大公司的指紋識別算法一般又要價(jià)比較高，談判困難；因此最合理的方法是選用指紋廠(chǎng)家提供的識別算法進(jìn)行開(kāi)發(fā)驗證，Autllentec提供的算法相對也比較成熟可靠，由于使用其指紋傳感器，指紋識別算法收取費用相對較低，如果使用量較大，甚至可以免費贈送。

　　在我們的設計中，采用的是Authentec提供的指紋識別算法，最后驗證設計結果在認假率、拒真率、比對時(shí)間上均滿(mǎn)足需求。

　　4 主CPU的選型

　　主CPU的選型主要關(guān)注的指標是運算速度及功耗，有的廠(chǎng)商的產(chǎn)品側重于低功耗，有的側重于運算速度。來(lái)自于幾家廠(chǎng)商提供的一組測試數據見(jiàn)表1，分別顯示了不同的CPU在運算指紋匹配算法所需要的時(shí)間。

　　表1 運行指紋匹配算法時(shí)間對比表

　　由于我們采用了層級包容式架構，因此對主處理器的功耗指標不太關(guān)心，選用更高的處理速度，能給用戶(hù)帶來(lái)了更好的體驗。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解決方案。其功能框圖如圖3所示：

　　圖3 BF531的功能框圖

　　ADSP-BF53 l是主頻高達400 MHz高性能Black-fin處理器，其內核包括：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；對于指紋對比計算有很強的處理能力，另外，廠(chǎng)家又提供了為該處理器量身定做的指紋對比算法。

　　5 輔助CPU的選型

　　由于指紋鎖在設計時(shí)提出的存儲指標為100枚指紋，大概所需內存為lMByte以上，因此必須使用外部存儲設備。為了最大限度的降低成本，我們使用SDRAM芯片來(lái)替代外部的SRAM，因此就必然導致設備的外部功耗增加，對于使用電池供電的設備，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(lái)進(jìn)行設備管理。

　　通常情況下，主CPU的所有電路均不上電，輔助CPU感應到有手觸摸鎖柄時(shí)，則通過(guò)IO口控制主CPU上電，主CPU和指紋傳感器開(kāi)始工作，指紋比對成功后，啟動(dòng)開(kāi)鎖。無(wú)論對比是否成功，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，輔助CPU對主CPU斷電。

　　由于輔助CPU是長(cháng)期工作，永不斷電的，選則的基本原則就是超低功耗，架構簡(jiǎn)單，極高的可靠性。本文選擇的是TI的MSP430F2001，MSP430單片機擁有0.5uA的超低待機電流和250uA/MIPs的運行功耗，是目前業(yè)界公認的低功耗單片機。其提供了5種低功耗模式，主要面向電池供電的應用。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，待機模式為0.5μA，關(guān)閉模式為0.1μA）；五種省電模式；從待機模式喚醒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(kāi)關(guān)芯片，提高工作時(shí)的電源效率；

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

　　7 結束語(yǔ)

　　本設計通過(guò)合理選擇器件，圍繞低成本、低功耗、高運算性能、電池供電等特性要求優(yōu)化電路，設計完成的新型指紋鎖電路在性能指標、穩定性、兼容性低硬件成本方面具有非常大優(yōu)勢。

　　通過(guò)本設計制作出數臺樣機，在僅使用兩節5號電池不更換的情況下，每天開(kāi)鎖3次，已連續可靠的工作了2年。

　　本設計完成的指紋鎖，可以廣泛應用于工業(yè)門(mén)標禁、指紋考勤、國防安全等眾多領(lǐng)域。