隨著生物特征識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，指紋識(shí)別技術(shù)廣泛進(jìn)入人們的生活領(lǐng)域?；赑C機(jī)端的指紋算法應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，而便攜、輕巧的嵌入式產(chǎn)品相對(duì)缺乏。國(guó)內(nèi)很多知名企業(yè)已經(jīng)研發(fā)并生產(chǎn)了脫機(jī)模式的指紋識(shí)別平臺(tái)，這類產(chǎn)品價(jià)格高昂且多數(shù)為商業(yè)用途。隨著家庭數(shù)字化的需求和消費(fèi)類電子的普及，越來越多的民用領(lǐng)域需要指紋門禁系統(tǒng)。因此，開發(fā)一種高性能、低成本、安全可靠的民用指紋鎖硬件平臺(tái)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)空間。
    研究嵌入式平臺(tái)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：明確項(xiàng)目的整體需求，針對(duì)具體需要的部分功能作詳細(xì)的需求分析；設(shè)計(jì)時(shí)，在器件運(yùn)用上作最優(yōu)的選擇，同時(shí)兼顧性能和價(jià)格等因素；布局上，考慮相應(yīng)系統(tǒng)的體積、容量和位置等因素，實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較全面合理的整體布局。

1 指紋鎖的基礎(chǔ)構(gòu)件
    設(shè)計(jì)一款指紋鎖的基礎(chǔ)構(gòu)件：傳感器、傳感器的驅(qū)動(dòng)、底層的接口、電源的設(shè)計(jì)以及軟件算法的設(shè)計(jì)。
    1)指紋傳感器用于采集指紋圖像。選擇成像合適的、數(shù)據(jù)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(jìn)行指紋識(shí)別，提高識(shí)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(diǎn)。
    2)指紋算法模塊將采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)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(zhǔn)確的進(jìn)行比對(duì)和判斷工作。指紋識(shí)別上層構(gòu)件——指紋鎖，根據(jù)其特點(diǎn)，指紋算法模塊采用當(dāng)前高性能的嵌入式系統(tǒng)CPU設(shè)計(jì)，具有體積較小、功耗極低的特點(diǎn)。
    3)底層電機(jī)驅(qū)動(dòng)門鎖。指紋鎖的設(shè)計(jì)，就是將電控技術(shù)和傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)相結(jié)合。通過MCU來驅(qū)動(dòng)電機(jī)開關(guān)機(jī)械門鎖，是指紋鎖的一個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)件。指紋識(shí)別模塊處理認(rèn)證工作做出的最終判斷，即是否要執(zhí)行開鎖的操作，必須通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)門鎖來完成。簡(jiǎn)潔、高性能、低功耗、穩(wěn)定的MCU驅(qū)動(dòng)，保證了指紋鎖整體的性能。
    4)成熟的指紋識(shí)別算法。指紋鎖的靈魂部分是指紋算法，準(zhǔn)確、高效、快速處理指紋的算法，是指紋鎖性能決定性因素。實(shí)現(xiàn)這一算法，采用在PC機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，不斷進(jìn)行修改調(diào)整，直到成熟可靠，再移植到嵌入式系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成方案
    經(jīng)過全面的考慮和詳細(xì)分析，結(jié)合嵌入式硬件、算法軟件的特點(diǎn)，對(duì)指紋鎖的整體布局進(jìn)行具體規(guī)劃設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由算法處理核心，指紋采集，電源管理，底層控制驅(qū)動(dòng)以及存儲(chǔ)器等5個(gè)模塊組成。各個(gè)模塊之間的相互關(guān)系如圖1所示。

    1)算法處理模塊用于移植上位機(jī)驗(yàn)證通過的可靠指紋識(shí)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(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，作出圖像識(shí)別的最終結(jié)論；管理外部存儲(chǔ)器SDRAM和DATA Flash；與控制驅(qū)動(dòng)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(yù)先設(shè)定的采集參數(shù)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集指紋圖像，并通過相應(yīng)的接口將圖像數(shù)據(jù)傳輸至算法處理核心模塊。
    3)電源管理模塊為整體系統(tǒng)供電，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)有3組供電電壓：外圍機(jī)械電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(nèi)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(jī)和邏輯控制器CPLD等外同電路，與指紋產(chǎn)品的中間構(gòu)件相配套，設(shè)計(jì)上層構(gòu)件——指紋鎖。
    5)存儲(chǔ)器模塊包括外部SDRAM和外擴(kuò)DATA Flash，前者用于存儲(chǔ)臨時(shí)比對(duì)的圖像和一些變量，后者用于保存指紋特征庫(kù)和DSP的BootLoa-der啟動(dòng)程序。[!--empirenews.page--]

3 硬件設(shè)計(jì)
3．1 采集圖像傳感器
    指紋傳感器是通過光學(xué)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(gè)傳感器的質(zhì)量主要有：成像質(zhì)量、手指適應(yīng)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(jù)成像原理不同。廣泛使用的指紋傳感器類型有光學(xué)、電感式、電容式以及壓感式等。其中，CMOS光學(xué)傳感器具有無畸變、指紋圖像清晰、對(duì)比度高的特點(diǎn)，對(duì)質(zhì)量較差指紋具有良好的校正和容錯(cuò)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(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制，使干、濕手指都有較好的成像質(zhì)量，適用人群更廣泛，所以這里采用CMOS光學(xué)傳感器作為嵌入式指紋鎖的圖像采集設(shè)備。而其他類型的傳感器雖具有體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，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(chǎn)品。經(jīng)過比較，該系統(tǒng)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(wěn)定性好、識(shí)別速度快、準(zhǔn)確率高，還要求體積小、功耗低，采集速度快。為了將PC機(jī)驗(yàn)證的指紋算法較好地移植到嵌入式系統(tǒng)中，選擇合適的算法模塊CPU至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)采用“DSP+MCU”，“ARM+MCU”，或“FPGA+MCU”方式實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)算法處理模塊CPU時(shí)，分別對(duì)ARM、DSP和FPGA進(jìn)行了比較：性能較強(qiáng)的FPGA，但價(jià)格都較高，與該設(shè)計(jì)“民用”指紋鎖低成本要求不符。而對(duì)于當(dāng)今比較流行的嵌入式系統(tǒng)ARM和DSP，兩者各有優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用的針對(duì)場(chǎng)合不同。結(jié)合該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)，考慮到器件性能高、功耗低。同時(shí)兼顧價(jià)格因素，該系統(tǒng)選用TI公司的TMS320C5509A作為處理器，實(shí)現(xiàn)指紋算法的移植。
3．3 底層控制模塊及其他模塊
    設(shè)計(jì)指紋鎖，除了要有完整的中間構(gòu)件——指紋識(shí)別模塊，還需要配套的底層控制模塊等基礎(chǔ)構(gòu)件。該系統(tǒng)選用高性能低功耗的MEGA8單片機(jī)作為底層控制模塊的CPU處理器。該器件所實(shí)現(xiàn)的功能有：循環(huán)掃描鍵盤并進(jìn)行相應(yīng)處理；控制LED燈指示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行開關(guān)門鎖動(dòng)作；與DSP通訊交互信息等。如圖2所示，單片機(jī)作為底層控制模塊，其IO引腳控制其他器件，采用I2C與DSP進(jìn)行信息交換。
    軟件設(shè)計(jì)時(shí)，MEGA8單片機(jī)上電后CPU啟動(dòng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，進(jìn)行寄存器初始化，讀取存儲(chǔ)參數(shù)，設(shè)置外圍傳感器參數(shù)等工作。啟動(dòng)完畢，即進(jìn)入工作狀態(tài)，處理相應(yīng)的各類底層驅(qū)動(dòng)。進(jìn)入休眠態(tài)前，存儲(chǔ)好各項(xiàng)參數(shù)，保存現(xiàn)場(chǎng)，然后進(jìn)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(shè)計(jì)由4節(jié)1．5 V串聯(lián)的干電池供電，此電壓實(shí)際最高時(shí)為7 V左右，最低時(shí)為5 V，足以滿足整體體統(tǒng)的電壓要求。電源管理器件，選用手持設(shè)備中常用的低功耗高性能穩(wěn)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(diǎn)是它具有控制關(guān)斷引引腳，在系統(tǒng)處于睡眠時(shí)，可以通過置位使能端，關(guān)斷整個(gè)系統(tǒng)板的供電，從而達(dá)到低功耗節(jié)能的目的。

[!--empirenews.page--]4 硬件調(diào)試
    在硬件調(diào)試方面，規(guī)劃和設(shè)計(jì)好指紋鎖的電路原理圖，對(duì)電路圖進(jìn)行PCB制版，要做的準(zhǔn)備工作比較多。首先需要對(duì)PCB的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富，包括元件封裝庫(kù)的選擇、尺寸大小的設(shè)計(jì)，線路的布線、高速信號(hào)線的隔離以及并行走線等，都要非常注意。
    例如：由于DSP的數(shù)據(jù)線是頻率上百兆的信號(hào)，特別注意布線問題，否則將會(huì)影響工作的狀態(tài)。系統(tǒng)第一次制版時(shí)，忽略了DSP數(shù)據(jù)線布局走線原則，在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，DSP全速運(yùn)作，系統(tǒng)常出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。經(jīng)校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：原理布局并沒問題，問題集中在了走線規(guī)則上；第二制版改進(jìn)了設(shè)計(jì)方案，根據(jù)高速數(shù)據(jù)線平行原則進(jìn)行布線，最后整體硬件工作運(yùn)行比較流暢。
    另外，指紋識(shí)別脫機(jī)產(chǎn)品，一般要求體積盡量小，供電方便，這就對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)提出了幾個(gè)要求：PCB板要盡量的??；定位孔設(shè)計(jì)合理方便安裝；所選元件采用最小的封裝；布線要細(xì)，但必須保證一定間距，不會(huì)產(chǎn)生互相干擾。經(jīng)調(diào)試和多次測(cè)試，系統(tǒng)最后設(shè)計(jì)PCB電路板如圖4所示。

5 結(jié)論
    系統(tǒng)采用基于DSP的嵌入式技術(shù)，CMOS光學(xué)指紋傳感器作為采集儀，綜合應(yīng)用CPLD和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的、獨(dú)立運(yùn)行的指紋鎖系統(tǒng)。經(jīng)過對(duì)元器件的比較選擇，功耗、采集速度、運(yùn)行速度、設(shè)計(jì)布局的綜合考慮，設(shè)計(jì)指紋鎖硬件平臺(tái)，經(jīng)過指紋算法的測(cè)試，系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的工作。它具有體積小、功耗低、使用安裝方便的特點(diǎn)，非常適合于現(xiàn)代家庭的防盜門鎖安裝，能滿足普通用戶的需求。