一種新型指紋鎖的電路設(shè)計
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隨著科學技術(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，處理功能相對復雜，功耗較高;輔助處理器功能非常簡單，僅負責電源管理，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體指紋傳感器和光學指紋傳感器。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指標：
(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，否則對細指紋不易分辯，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：
(1)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。
(2)易用且能提供快速的指紋成像，具有導航功能。
(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SDRAM芯片來替代外部的SRAM，因此就必然導致設(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
MSP430F200l的特性描述如下：低工作電壓(1.8V-3.6V);超低功耗(活動模式為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開關(guān)芯片，提高工作時的電源效率;
開鎖繼電器的先用大電流驅(qū)動1秒使其吸合，然后通過調(diào)整控制端的占空比為30%，讓其進行4秒的維持狀態(tài);
7 結(jié)束語
本設(shè)計通過合理選擇器件，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(shè)計完成的新型指紋鎖電路在性能指標、穩(wěn)定性、兼容性低硬件成本方面具有非常大優(yōu)勢。
通過本設(shè)計制作出數(shù)臺樣機，在僅使用兩節(jié)5號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)計完成的指紋鎖，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)門標禁、指紋考勤、國防安全等眾多領(lǐng)域。
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