推薦：新型指紋鎖電路設(shè)計方案

　　市場上主流的電子鎖是基于密碼設(shè)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。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，越來越多的活體技術(shù)應(yīng)用到識別系統(tǒng)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(tǒng)以其可實現(xiàn)性強，成本相對低廉，同時又具備較高的安全性，被越來越多的應(yīng)用到各種場合。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)的各個組成部分以及指紋識別算法的實現(xiàn)流程。文章對降低系統(tǒng)功耗和增加保密性都提出了獨特的方法。

　　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)歷著升級換代的變換。第一代電子門鎖采用的是密碼識別方法，解決了機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、語音這幾種人體生物特征的一種來做識別的。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，相對比較簡單，易于推廣，尤其是指紋識別技術(shù)，采用逐行掃描系統(tǒng)，識別傳感器可以做得非常小，具有很高的可行性和實用性。

　　指紋鎖系統(tǒng)主要可用在保險箱、實驗室、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：指紋識別頭、主處理微控制器、電源管理、電控鎖機構(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，同時輸出門鎖開啟信號，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。

　　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)計采用層級包容架構(gòu)設(shè)計，主處理器功能強大，處理功能相對復(fù)雜，功耗較高；輔助處理器功能非常簡單，僅負(fù)責(zé)電源管理，完成對系統(tǒng)的上下電處理（除了自身不下電）。該架構(gòu)有三個優(yōu)點，第一，功耗極其低，在系統(tǒng)待機模式下，主處理器部分根本就不耗電，系統(tǒng)可超長時間待機工作。第二，采用層級架構(gòu)，兩個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，所以主處理器程序長時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)時間處理斷電狀態(tài)，每次工作時，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的可靠性；而輔助處理器工作極其簡單：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指標(biāo)：

　?。?）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(xì)指紋不易分辯，比如銀行、醫(yī)院、超市等不宜應(yīng)用。

　　（3）對干濕手指的適應(yīng)性（尤其是涂有護(hù)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(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(dǎo)航功能。

　　（3）低功耗、小CPU占用率的特性。

　?。?）出貨量大，成本低。

　?。?）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(nèi)也有許多公司也自主研發(fā)了許多具有專利的指紋識別算法，在網(wǎng)上也有許多公開算法的源碼。在設(shè)計初期，選用公開的算法源碼，會造成調(diào)試的不方便，同時算法的指標(biāo)也不確定是否滿足需求；大公司的指紋識別算法一般又要價比較高，談判困難；因此最合理的方法是選用指紋廠家提供的識別算法進(jìn)行開發(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(shè)計中，采用的是Authentec提供的指紋識別算法，最后驗證設(shè)計結(jié)果在認(rèn)假率、拒真率、比對時間上均滿足需求。

　　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)重于運算速度。來自于幾家廠商提供的一組測試數(shù)據(jù)見表1，分別顯示了不同的CPU在運算指紋匹配算法所需要的時間。

　　表1 運行指紋匹配算法時間對比表

　　由于我們采用了層級包容式架構(gòu)，因此對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。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，是一個高度集成的片上系統(tǒng)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(dá)400 MHz高性能Black-fin處理器，其內(nèi)核包括：2個16位MAC，2個40位ALU，4個8位視頻ALu，以及1個40位移位器；對于指紋對比計算有很強的處理能力，另外，廠家又提供了為該處理器量身定做的指紋對比算法。

　　5 輔助CPU的選型

　　由于指紋鎖在設(shè)計時提出的存儲指標(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設(shè)備。為了最大限度的降低成本，我們使用SD RAM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，則通過IO口控制主CPU上電，主CPU和指紋傳感器開始工作，指紋比對成功后，啟動開鎖。無論對比是否成功，等待固定一段時間后，主CPU均會進(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(rèn)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(yīng)用。功能框圖如圖4所示：

　　圖4 MSP430F2001的功能框圖