一种高性能指纹锁硬件平台的设计

随着生物特征识别技术的快速发展，指纹识别技术广泛进入人们的生活领域。基于PC机端的指纹算法应用已经相当成熟，而便携、轻巧的嵌入式产品相对缺乏。国内很多知名企业已经研发并生产了脱机模式的指纹识别平台，这类产品价格高昂且多数为商业用途。随着家庭数字化的需求和消费类电子的普及，越来越多的民用领域需要指纹门禁系统。因此，开发一种高性能、低成本、安全可靠的民用指纹锁硬件平台具有很强的现实意义和广阔的市场空间。
    研究嵌入式平台的指纹识别系统的设计：明确项目的整体需求，针对具体需要的部分功能作详细的需求分析；设计时，在器件运用上作最优的选择，同时兼顾性能和价格等因素；布局上，考虑相应系统的体积、容量和位置等因素，实现一个比较全面合理的整体布局。

1 指纹锁的基础构件
    设计一款指纹锁的基础构件：传感器、传感器的驱动、底层的接口、电源的设计以及软件算法的设计。
    1)指纹传感器用于采集指纹图像。选择成像合适的、数据接口通用的指纹传感器，便于采集和读取清晰的指纹图像，进行指纹识别，提高识别的效率。用在指纹锁上的指纹传感器，要兼顾体积小、功耗低、采集图像速度快和清晰等特点。
    2)指纹算法模块将采集的图像数据进行存储、运算、处理等工作。选择合适的嵌入式CPU，将提高采集图像的速度，快速提取所需的信息，准确的进行比对和判断工作。指纹识别上层构件——指纹锁，根据其特点，指纹算法模块采用当前高性能的嵌入式系统CPU设计，具有体积较小、功耗极低的特点。
    3)底层电机驱动门锁。指纹锁的设计，就是将电控技术和传统的机械技术相结合。通过MCU来驱动电机开关机械门锁，是指纹锁的一个基础构件。指纹识别模块处理认证工作做出的最终判断，即是否要执行开锁的操作，必须通过电机驱动门锁来完成。简洁、高性能、低功耗、稳定的MCU驱动，保证了指纹锁整体的性能。
    4)成熟的指纹识别算法。指纹锁的灵魂部分是指纹算法，准确、高效、快速处理指纹的算法，是指纹锁性能决定性因素。实现这一算法，采用在PC机上进行验证测试，不断进行修改调整，直到成熟可靠，再移植到嵌入式系统。

2 系统组成方案
    经过全面的考虑和详细分析，结合嵌入式硬件、算法软件的特点，对指纹锁的整体布局进行具体规划设计，系统由算法处理核心，指纹采集，电源管理，底层控制驱动以及存储器等5个模块组成。各个模块之间的相互关系如图1所示。

    1)算法处理模块用于移植上位机验证通过的可靠指纹识别算法，其主要功能：通过CPLD存取传感器采集的指纹图像；并对图像数据进行处理，作出图像识别的最终结论；管理外部存储器SDRAM和DATA Flash；与控制驱动模块通讯等。
    2)指纹采集模块集合了指纹传感器和采集控制电路，按照预先设定的采集参数，负责实时采集指纹图像，并通过相应的接口将图像数据传输至算法处理核心模块。
    3)电源管理模块为整体系统供电，该系统设计的硬件平台有3组供电电压：外围机械电机驱动为5 V，底层控制模块的电压和DSP的外核电压同为3．3 V，DSP的内核电压为1．8 V。
    4)底层控制模块包括控制器MCU、LED指示灯、指纹锁键盘、电机和逻辑控制器CPLD等外同电路，与指纹产品的中间构件相配套，设计上层构件——指纹锁。
    5)存储器模块包括外部SDRAM和外扩DATA Flash，前者用于存储临时比对的图像和一些变量，后者用于保存指纹特征库和DSP的BootLoa-der启动程序。[!--empirenews.page--]

3 硬件设计
3．1 采集图像传感器
    指纹传感器是通过光学扫描、晶体热敏、晶体电容等3种主要传感原理采集指纹图像。衡量一个传感器的质量主要有：成像质量、手指适应能力、采集速度、电气特性、硬件接口能力、SDK能力、附加功能。根据成像原理不同。广泛使用的指纹传感器类型有光学、电感式、电容式以及压感式等。其中，CMOS光学传感器具有无畸变、指纹图像清晰、对比度高的特点，对质量较差指纹具有良好的校正和容错性能，在使用寿命上百万次无变化。指纹图像读取过程中，采用自适应参数调节机制，使干、湿手指都有较好的成像质量，适用人群更广泛，所以这里采用CMOS光学传感器作为嵌入式指纹锁的图像采集设备。而其他类型的传感器虽具有体积小、重量轻等优势，但其自身的缺陷注定了这些类型的传感器不适合作为门禁锁产品。经过比较，该系统选择了OmniVision公司的0V7620型指纹传感器。该器件功耗很低，非常适合作指纹采集传感器。
3．2 图像处理模块
    指纹锁既要求稳定性好、识别速度快、准确率高，还要求体积小、功耗低，采集速度快。为了将PC机验证的指纹算法较好地移植到嵌入式系统中，选择合适的算法模块CPU至关重要。目前国内大多数采用“DSP+MCU”，“ARM+MCU”，或“FPGA+MCU”方式实现。在设计算法处理模块CPU时，分别对ARM、DSP和FPGA进行了比较：性能较强的FPGA，但价格都较高，与该设计“民用”指纹锁低成本要求不符。而对于当今比较流行的嵌入式系统ARM和DSP，两者各有优点，应用的针对场合不同。结合该系统设计的技术要求和特点，考虑到器件性能高、功耗低。同时兼顾价格因素，该系统选用TI公司的TMS320C5509A作为处理器，实现指纹算法的移植。
3．3 底层控制模块及其他模块
    设计指纹锁，除了要有完整的中间构件——指纹识别模块，还需要配套的底层控制模块等基础构件。该系统选用高性能低功耗的MEGA8单片机作为底层控制模块的CPU处理器。该器件所实现的功能有：循环扫描键盘并进行相应处理；控制LED灯指示系统当前工作状态；驱动电机执行开关门锁动作；与DSP通讯交互信息等。如图2所示，单片机作为底层控制模块，其IO引脚控制其他器件，采用I2C与DSP进行信息交换。
    软件设计时，MEGA8单片机上电后CPU启动进入复位状态，进行寄存器初始化，读取存储参数，设置外围传感器参数等工作。启动完毕，即进入工作状态，处理相应的各类底层驱动。进入休眠态前，存储好各项参数，保存现场，然后进入省电模式。

    电源管理模块如图3所示，包括电源和电源管理器件。电源部分，该设计由4节1．5 V串联的干电池供电，此电压实际最高时为7 V左右，最低时为5 V，足以满足整体体统的电压要求。电源管理器件，选用手持设备中常用的低功耗高性能稳压器R1111N331B、XC62068152MR、XC6-206P332MR，输出33 V的整体电压和DSP 1．8 V的核心电压，这类器件的特点是它具有控制关断引引脚，在系统处于睡眠时，可以通过置位使能端，关断整个系统板的供电，从而达到低功耗节能的目的。

[!--empirenews.page--]4 硬件调试
    在硬件调试方面，规划和设计好指纹锁的电路原理图，对电路图进行PCB制版，要做的准备工作比较多。首先需要对PCB的设计经验丰富，包括元件封装库的选择、尺寸大小的设计，线路的布线、高速信号线的隔离以及并行走线等，都要非常注意。
    例如：由于DSP的数据线是频率上百兆的信号，特别注意布线问题，否则将会影响工作的状态。系统第一次制版时，忽略了DSP数据线布局走线原则，在系统调试时，DSP全速运作，系统常出现“死机”现象。经校验发现：原理布局并没问题，问题集中在了走线规则上；第二制版改进了设计方案，根据高速数据线平行原则进行布线，最后整体硬件工作运行比较流畅。
    另外，指纹识别脱机产品，一般要求体积尽量小，供电方便，这就对系统的硬件设计提出了几个要求：PCB板要尽量的小；定位孔设计合理方便安装；所选元件采用最小的封装；布线要细，但必须保证一定间距，不会产生互相干扰。经调试和多次测试，系统最后设计PCB电路板如图4所示。

5 结论
    系统采用基于DSP的嵌入式技术，CMOS光学指纹传感器作为采集仪，综合应用CPLD和单片机技术，设计一个完整的、独立运行的指纹锁系统。经过对元器件的比较选择，功耗、采集速度、运行速度、设计布局的综合考虑，设计指纹锁硬件平台，经过指纹算法的测试，系统能稳定可靠的工作。它具有体积小、功耗低、使用安装方便的特点，非常适合于现代家庭的防盗门锁安装，能满足普通用户的需求。