一种高性能指纹锁硬件平台的设计

    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。