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1 指紋鎖的基礎構件 設計一款指紋鎖的基礎構件：傳感器、傳感器的驅動、底層的接口、電源的設計以及軟件算法的設計。 1)指紋傳感器用于采集指紋圖像。選擇成像合適的、數據接口通用的指紋傳感器，便于采集和讀取清晰的指紋圖像，進行指紋識別，提高識別的效率。用在指紋鎖上的指紋傳感器，要兼顧體積小、功耗低、采集圖像速度快和清晰等特點。 2)指紋算法模塊將采集的圖像數據進行存儲、運算、處理等工作。選擇合適的嵌入式CPU，將提高采集圖像的速度，快速提取所需的信息，準確的進行比對和判斷工作。指紋識別上層構件——指紋鎖，根據其特點，指紋算法模塊采用當前高性能的嵌入式系統CPU設計，具有體積較小、功耗極低的特點。 3)底層電機驅動門鎖。指紋鎖的設計，就是將電控技術和傳統的機械技術相結合。通過MCU來驅動電機開關機械門鎖，是指紋鎖的一個基礎構件。指紋識別模塊處理認證工作做出的最終判斷，即是否要執行*的操作，必須通過電機驅動門鎖來完成。簡潔、高性能、低功耗、穩定的MCU驅動，保證了指紋鎖整體的性能。 4)成熟的指紋識別算法。指紋鎖的靈魂部分是指紋算法，準確、高效、快速處理指紋的算法，是指紋鎖性能決定性因素。實現這一算法，采用在PC機上進行驗證測試，不斷進行修改調整，直到成熟可靠，再移植到嵌入式系統。 2 系統組成方案 經過全面的考慮和詳細分析，結合嵌入式硬件、算法軟件的特點，對指紋鎖的整體布局進行具體規劃設計，系統由算法處理核心，指紋采集，電源管理，底層控制驅動以及存儲器等5個模塊組成。各個模塊之間的相互關系如圖1所示。 1)算法處理模塊用于移植上位機驗證通過的可靠指紋識別算法，其主要功能：通過CPLD存取傳感器采集的指紋圖像；并對圖像數據進行處理，作出圖像識別的最終結論；管理外部存儲器SDRAM和DATA Flash；與控制驅動模塊通訊等。 2)指紋采集模塊集合了指紋傳感器和采集控制電路，按照預先設定的采集參數，負責實時采集指紋圖像，并通過相應的接口將圖像數據傳輸至算法處理核心模塊。 3)電源管理模塊為整體系統供電，該系統設計的硬件平臺有3組供電電壓：外圍機械電機驅動為5 V，底層控制模塊的電壓和DSP的外核電壓同為3．3 V，DSP的內核電壓為1．8 V。 4)底層控制模塊包括控制器MCU、LED指示燈、指紋鎖鍵盤、電機和邏輯控制器CPLD等外同電路，與指紋產品的中間構件相配套，設計上層構件——指紋鎖。 5)存儲器模塊包括外部SDRAM和外擴DATA Flash，前者用于存儲臨時比對的圖像和一些變量，后者用于保存指紋特征庫和DSP的BootLoa-der啟動程序。 3 硬件設計 3．1 采集圖像傳感器 指紋傳感器是通過光學掃描、晶體熱敏、晶體電容等3種主要傳感原理采集指紋圖像。衡量一個傳感器的質量主要有：成像質量、手指適應能力、采集速度、電氣特性、硬件接口能力、SDK能力、附加功能。根據成像原理不同。廣泛使用的指紋傳感器類型有光學、電感式、電容式以及壓感式等。其中，CMOS光學傳感器具有無畸變、指紋圖像清晰、對比度高的特點，對質量較差指紋具有良好的校正和容錯性能，在使用壽命上百萬次無變化。指紋圖像讀取過程中，采用自適應參數調節機制，使干、濕手指都有較好的成像質量，適用人群更廣泛，所以這里采用CMOS光學傳感器作為嵌入式指紋鎖的圖像采集設備。而其他類型的傳感器雖具有體積小、重量輕等優勢，但其自身的缺陷注定了這些類型的傳感器不適合作為門禁鎖產品。經過比較，該系統選擇了OmniVision公司的0V7620型指紋傳感器。該器件功耗很低，非常適合作指紋采集傳感器。 3．2 圖像處理模塊 指紋鎖既要求穩定性好、識別速度快、準確率高，還要求體積小、功耗低，采集速度快。為了將PC機驗證的指紋算法較好地移植到嵌入式系統中，選擇合適的算法模塊CPU至關重要。目前國內大多數采用“DSP+MCU”，“ARM+MCU”，或“FPGA+MCU”方式實現。在設計算法處理模塊CPU時，分別對ARM、DSP和FPGA進行了比較：性能較強的FPGA，但價格都較高，與該設計“民用”指紋鎖低成本要求不符。而對于當今比較流行的嵌入式系統ARM和DSP，兩者各有優點，應用的針對場合不同。結合該系統設計的技術要求和特點，考慮到器件性能高、功耗低。同時兼顧價格因素，該系統選用TI公司的TMS320C5509A作為處理器，實現指紋算法的移植。 3．3 底層控制模塊及其他模塊 設計指紋鎖，除了要有完整的中間構件——指紋識別模塊，還需要配套的底層控制模塊等基礎構件。該系統選用高性能低功耗的MEGA8單片機作為底層控制模塊的CPU處理器。該器件所實現的功能有：循環掃描鍵盤并進行相應處理；控制LED燈指示系統當前工作狀態；驅動電機執行開關門鎖動作；與DSP通訊交互信息等。如圖2所示，單片機作為底層控制模塊，其IO引腳控制其他器件，采用I2C與DSP進行信息交換。 軟件設計時，MEGA8單片機上電后CPU啟動進入復位狀態，進行寄存器初始化，讀取存儲參數，設置外圍傳感器參數等工作。啟動完畢，即進入工作狀態，處理相應的各類底層驅動。進入休眠態前，存儲好各項參數，保存現場，然后進入省電模式。 電源管理模塊如圖3所示，包括電源和電源管理器件。電源部分，該設計由4節1．5 V串聯的干電池供電，此電壓實際最高時為7 V左右，最低時為5 V，足以滿足整體體統的電壓要求。電源管理器件，選用手持設備中常用的低功耗高性能穩壓器R1111N331B、XC62068152MR、XC6-206P332MR，輸出33 V的整體電壓和DSP 1．8 V的核心電壓，這類器件的特點是它具有控制關斷引引腳，在系統處于睡眠時，可以通過置位使能端，關斷整個系統板的供電，從而達到低功耗節能的目的。 4 硬件調試 在硬件調試方面，規劃和設計好指紋鎖的電路原理圖，對電路圖進行PCB制版，要做的準備工作比較多。首先需要對PCB的設計經驗豐富，包括元件封裝庫的選擇、尺寸大小的設計，線路的布線、高速信號線的隔離以及并行走線等，都要非常注意。 例如：由于DSP的數據線是頻率上百兆的信號，特別注意布線問題，否則將會影響工作的狀態。系統第一次制版時，忽略了DSP數據線布局走線原則，在系統調試時，DSP全速運作，系統常出現“死機”現象。經校驗發現：原理布局并沒問題，問題集中在了走線規則上；第二制版改進了設計方案，根據高速數據線平行原則進行布線，最后整體硬件工作運行比較流暢。 另外，指紋識別脫機產品，一般要求體積盡量小，供電方便，這就對系統的硬件設計提出了幾個要求：PCB板要盡量的�。欢ㄎ豢自O計合理方便安裝；所選元件采用最小的封裝；布線要細，但必須保證一定間距，不會產生互相干擾。經調試和多次測試，系統最后設計PCB電路板如圖4所示。 5 結論 系統采用基于DSP的嵌入式技術，CMOS光學指紋傳感器作為采集儀，綜合應用CPLD和單片機技術，設計一個完整的、獨立運行的指紋鎖系統。經過對元器件的比較選擇，功耗、采集速度、運行速度、設計布局的綜合考慮，設計指紋鎖硬件平臺，經過指紋算法的測試，系統能穩定可靠的工作。它具有體積小、功耗低、使用安裝方便的特點，非常適合于現代家庭的防盜門鎖安裝，能滿足普通用戶的需求。 |
