隨著生物特征識別技術的快速發(fā)展，指紋識別技術廣泛進入人們的生活領域?；赑C機端的指紋算法應用已經(jīng)相當成熟，而便攜、輕巧的嵌入式產(chǎn)品相對缺乏。國內(nèi)很多知名企業(yè)已經(jīng)研發(fā)并生產(chǎn)了脫機模式的指紋識別平臺，這類產(chǎn)品價格高昂且多數(shù)為商業(yè)用途。隨著家庭數(shù)字化的需求和消費類電子的普及，越來越多的民用領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具有很強的現(xiàn)實意義和廣闊的市場空間。
    研究嵌入式平臺的指紋識別系統(tǒng)的設計：明確項目的整體需求，針對具體需要的部分功能作詳細的需求分析；設計時，在器件運用上作最優(yōu)的選擇，同時兼顧性能和價格等因素；布局上，考慮相應系統(tǒng)的體積、容量和位置等因素，實現(xiàn)一個比較全面合理的整體布局。

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(qū)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(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(shù)據(jù)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(jù)其特點，指紋算法模塊采用當前高性能的嵌入式系統(tǒng)CPU設計，具有體積較小、功耗極低的特點。
    3)底層電機驅(qū)動門鎖。指紋鎖的設計，就是將電控技術和傳統(tǒng)的機械技術相結合。通過MCU來驅(qū)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(zhí)行開鎖的操作，必須通過電機驅(qū)動門鎖來完成。簡潔、高性能、低功耗、穩(wěn)定的MCU驅(qū)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(xiàn)這一算法，采用在PC機上進行驗證測試，不斷進行修改調(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(guī)劃設計，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(shù)據(jù)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(qū)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(shù)，負責實時采集指紋圖像，并通過相應的接口將圖像數(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)設計的硬件平臺有3組供電電壓：外圍機械電機驅(qū)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(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、電機和邏輯控制器CPLD等外同電路，與指紋產(chǎn)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。[!--empirenews.page--]

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(zhì)量主要有：成像質(zhì)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(jù)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(zhì)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(shù)調(diào)節(jié)機制，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(yōu)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(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(tǒng)中，選擇合適的算法模塊CPU至關重要。目前國內(nèi)大多數(shù)采用“DSP+MCU”，“ARM+MCU”，或“FPGA+MCU”方式實現(xiàn)。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(tǒng)ARM和DSP，兩者各有優(yōu)點，應用的針對場合不同。結合該系統(tǒng)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(tǒng)選用TI公司的TMS320C5509A作為處理器，實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)的功能有：循環(huán)掃描鍵盤并進行相應處理；控制LED燈指示系統(tǒng)當前工作狀態(tài)；驅(qū)動電機執(zhí)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(tài)，進行寄存器初始化，讀取存儲參數(shù)，設置外圍傳感器參數(shù)等工作。啟動完畢，即進入工作狀態(tài)，處理相應的各類底層驅(qū)動。進入休眠態(tài)前，存儲好各項參數(shù)，保存現(xiàn)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(jié)1．5 V串聯(lián)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(tǒng)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(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，這類器件的特點是它具有控制關斷引引腳，在系統(tǒng)處于睡眠時，可以通過置位使能端，關斷整個系統(tǒng)板的供電，從而達到低功耗節(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(jīng)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(shù)據(jù)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(tài)。系統(tǒng)第一次制版時，忽略了DSP數(shù)據(jù)線布局走線原則，在系統(tǒng)調(diào)試時，DSP全速運作，系統(tǒng)常出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象。經(jīng)校驗發(fā)現(xiàn)：原理布局并沒問題，問題集中在了走線規(guī)則上；第二制版改進了設計方案，根據(jù)高速數(shù)據(jù)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(chǎn)品，一般要求體積盡量小，供電方便，這就對系統(tǒng)的硬件設計提出了幾個要求：PCB板要盡量的??；定位孔設計合理方便安裝；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(chǎn)生互相干擾。經(jīng)調(diào)試和多次測試，系統(tǒng)最后設計PCB電路板如圖4所示。

5 結論
    系統(tǒng)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(tǒng)。經(jīng)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(jīng)過指紋算法的測試，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，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。