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推荐:新型指纹锁 电路设计方案

时间:2017年01月04日

上一篇文章: 小谈未来家居市场 ,原创和智能化势在必行!     

下一篇文章: 如何选择鉴别电子 锁?


  市场上主流的电子 锁是基于密码设计的。密码锁的最大的缺陷是密码容易被他人窃取、猜测及遗忘。随着生物技术的发展,越来越多的活体技术应用到识别系统中,如指纹、掌纹、人脸、虹膜等。相对于其它的活体识别技术,指纹识别系统以 其可实现性强,成本相对低廉,同时又具备较高的安全性,被越来越多的应用到各种场合。文章给出了一种新型的指纹锁架构,并详细论述了系统的各个组成部分以及指纹识别算法的实现流程。文章对降低系统功耗和增加保密性 都提出了独特的方法。

  随着科学技术 的飞速发展和大规模的集成芯片的出现,现有的门锁系统也正在经历着升级换代的变换。第一代电子门锁采用的是密码识别方法,解决了机械门锁更换的灵活性,即钥匙的设置和更改掌握在了使用者的手中;但由于密钥与使用者 非强相关,松耦合,授权难以管理,在安全性方面存在着极大的隐患。第二代电子门锁采用最先进的生物特征识别技术,提供了一种更为安全可靠、使用方便的身份识别新途径。
 

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电路设计方案

  生物特征识别 技术主要是利用虹膜、人脸、指纹、掌纹、语音这几种人体生物特征的一种来做识别的。虹膜、人脸需要使用到影像成像系统,设备过于复杂,仅用于高端系统,难以普及应用;语音系统最为简单,但由于容易被模仿,安全性相 对较低;指纹和掌纹仅使用扫描成像,相对比较简单,易于推广,尤其是指纹识别技术,采用逐行扫描系统,识别传感器可以做得非常小,具有很高的可行性和实用性。

  指纹锁系统主要可用在保 险箱、实验室、楼道的身份确认及相关控制;随着智能家居概念的兴起,也越来越多的应用到高档住宅中。

  1 指纹锁的架构

  本指纹锁系统 的硬件结构主要包括:指纹识别头、主处理微控制器、电源管理、电控锁机构以及门锁功能所需的红外感应、告警电路等,其中核心部分是指纹识别头和主处理微控制器。本指纹锁系统的硬件结构框图如图1所示。

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  图1 指纹门锁硬件结构 框图

  本指纹锁通过 指纹识别头获取原始指纹数据,通过主处理器的处理提取出相关指纹特征,然后与存储器内的指纹模板做比较,如果指纹特征吻合,则通过指示灯做出相应的指示,同时输出门锁开启信号,打开门锁;在门锁开启状态,也可通过 相应按键操作,进行指纹模板存储。

  辅助处理器用 于系统的电源管理,即管理主处理器的上下电。本设计采用层级包容架构设计,主处理器功能强大,处理功能相对复杂,功耗较高;辅助处理器功能非常简单,仅负责电源管理,完成对系统的上下电处理(除了自身不下电)。该 架构有三个优点,第一,功耗极其低,在系统待机模式下,主处理器部分根本就不耗电,系统可超长时间待机工作。第二,采用层级架构,两个处理器功能完全解耦,软件可分别自由演化。第三,超可靠性,程序随着代码行数的 增加,异常情况成指数倍的增长,所以主处理器程序长时间工作的可靠性大大降低,本架构由于采用了辅助处理器的方案,主处理器绝大多数时间处理断电状态,每次工作时,都经历了重新上电过程,因此原则上主处理器做到了 永不死机的可靠性;而辅助处理器工作极其简单:检测触摸,然后给主处理器上电,等待主处理器空闲信号,然后给主处理器下电。程序代码行非常简短,工作可靠性极高。

  2 指纹传感器的选型

  在指纹产品中 ,指纹传感器和指纹算法是关键。指纹处理的过程是采集指纹图像,然后对指纹图像进行处理,所以能否采集到清晰的指纹图像是指纹处理的关键,指纹传感器是指纹图像的采集部件,因此,指纹传感器的性能将直接影响到指纹 产品的性能。

  目前采用的指 纹传感器从分类上主要分为半导体指纹传感器和光学指纹传感器。半导体的指纹传感器又分为面状指纹传感器和条状指纹传感器(即滑动式指纹传感器/刮擦式指纹传感器 )。

  选用半导体指 纹传感器主要要考虑以下几个指标:

  (1)抗静电性能, -般要求大于 15kv,否则易被击穿。

  (2)分辨率。一般至 少要求256dpi,否则对细指纹不 易分辩,比如银行、医院、超市等不宜应用。

  (3)对干湿手指的适 应性(尤其是涂有护手霜的手指)。

  (4)使用寿命要求。 传感器的使用寿命的要求一般要达到可使用100万次。

  (5)产品一致性和适 应性,不同地区人的指纹有不同的特征,所以要选用高适应性的指纹传感器。

  由于本文中的 指纹读头在设计中的要求体积尽量小,因此选用的是美国AuthenTec公司的AES2510的刮擦式指纹传感 器。其选用的理由如下:

  (1)采用其最新的 “The Power of Touch”技术,属于接触式 的,对干湿手指不敏感。

  (2)易用且能提供快 速的指纹成像,具有导航功能。

  (3)低功耗、小 CPU占用率的特性。

  (4)出货量大,成本 低。

  (5)尺寸相当微小, 只有12mm×5mm×1.86mm。

  其外观图如图 2所示:

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  图2 AES2510实物图

  3 指纹算法的选型

  指纹识别算法 是指纹识别的核心。常见的指纹算法有:BIOKEY指纹识别算法、    Fingerpass指纹识别算法、    TOUCHSEC指纹识别算法、    OpenBio指纹识别算法、    FAA指纹识别算法等等 ,国内也有许多公司也自主研发了许多具有专利的指纹识别算法,在网上也有许多公开算法的源码。在设计初期,选用公开的算法源码,会造成调试的不方便,同时算法的指标也不确定是否满足需求;大公司的指纹识别算法一般 又要价比较高,谈判困难;因此最合理的方法是选用指纹厂家提供的识别算法进行开发验证,Autllentec提供的算法相对也 比较成熟可靠,由于使用其指纹传感器,指纹识别算法收取费用相对较低,如果使用量较大,甚至可以免费赠送。

  在我们的设计 中,采用的是Authentec提供的指纹识别算 法,最后验证设计结果在认假率、拒真率、比对时间上均满足需求。

  4 主CPU的选型

  主CPU的选型主要关注的 指标是运算速度及功耗,有的厂商的产品侧重于低功耗,有的侧重于运算速度。来自于几家厂商提供的一组测试数据见表1,分别显示了不同 的CPU在运算指纹匹配算 法所需要的时间。

  表1 运行指纹匹配算法 时间对比表

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  由于我们采用 了层级包容式架构,因此对主处理器的功耗指标不太关心,选用更高的处理速度,能给用户带来了更好的体验。本指纹锁选择的CPU是BF531.ADSP-BF531系列处理器是 Blaclkflin系列产品的成员之 一,是一个高度集成的片上系统解决方案。其功能框图如图3所示:

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  图3 BF531的功能框图 

  ADSP-BF53 l是主频高达 400 MHz高性能Black-fin处理器,其内核包 括:2个16位MAC,2个40位ALU,4个8位视频ALu,以及1个40位移位器;对于指 纹对比计算有很强的处理能力,另外,厂家又提供了为该处理器量身定做的指纹对比算法。

  5 辅助CPU的选型

  由于指纹锁在 设计时提出的存储指标为100枚指纹,大概所需 内存为lMByte以上,因此必须使 用外部存储设备。为了最大限度的降低成本,我们使用SDRAM芯片来替代外部的 SRAM,因此就必然导致 设备的外部功耗增加,对于使用电池供电的设备,这几乎是不能容忍的,为此我们使用一个超低功耗的辅助CPU来进行设备管理。

  通常情况下, 主CPU的所有电路均不上 电,辅助CPU感应到有手触摸锁 柄时,则通过IO口控制主CPU上电,主CPU和指纹传感器开始 工作,指纹比对成功后,启动开锁。无论对比是否成功,等待固定一段时间后,主CPU均会进入空闲状态 ,向辅助CPU发送空闲信号,辅 助CPU对主CPU断电。

  由于辅助 CPU是长期工作,永不 断电的,选则的基本原则就是超低功耗,架构简单,极高的可靠性。本文选择的是TI的MSP430F2001,MSP430单片机拥有 0.5uA的超低待机电流和 250uA/MIPs的运行功耗,是目 前业界公认的低功耗单片机。其提供了5种低功耗模式,主 要面向电池供电的应用。功能框图如图4所示:

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  图4 MSP430F2001的功能框图 

  MSP430F200l的特性描述如下: 低工作电压(1.8V-3.6V);超低功耗(活 动模式为220μA at 1 MHz,2.2 V,待机模式为 0.5μA,关闭模式为 0.1μA);五种省电模式 ;从待机模式唤醒1μs。

  6 其它

  本方案中还采 取了其它降功耗措施:

  主处理器的 LDO改为DC/DC开关芯片,提高工 作时的电源效率;

  开锁继电器的 先用大电流驱动1秒使其吸合,然后 通过调整控制端的占空比为30%,让其进行 4秒的维持状态;

  7 结束语

  本设计通过合 理选择器件,围绕低成本、低功耗、高运算性能、电池供电等特性要求优化电路,设计完成的新型指纹锁电路在性能指标、稳定性、兼容性低硬件成本方面具有非常大优势。

  通过本设计制 作出数台样机,在仅使用两节5号电池不更换的情 况下,每天开锁3次,已连续可靠的 工作了2年。

  本设计完成的 指纹锁,可以广泛应用于工业门标禁、指纹考勤、国防安全等众多领域。

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