單芯片指紋鎖原理及設(shè)計(jì)方案

　　據(jù)鎖業(yè)專家統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)鎖具銷售量每年約在22億把以上。經(jīng)過數(shù)年市場(chǎng)醞釀，市場(chǎng)對(duì)指紋鎖的需求正日益俱增。據(jù)估算，包括金融、軍警、辦公在內(nèi)的商用市場(chǎng)每年有約500萬(wàn)套的市場(chǎng)需求。民用市場(chǎng)成熟后，每年至少商用市場(chǎng)的需求量。在未來的數(shù)年內(nèi)，指紋鎖具將占居鎖具市場(chǎng)的最大份額，成為中國(guó)鎖業(yè)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

人們使用鎖具的方式在不斷的發(fā)生著變化。從機(jī)械鎖到電子鎖，鎖具行業(yè)跨出了巨大的一步，同時(shí)也給人們的生活帶來到了重大的改進(jìn)。而如今，“生物識(shí)別技術(shù)”在全球范圍內(nèi)的興起，正在推動(dòng)鎖具行業(yè)的又一次技術(shù)革新，這必將引領(lǐng)“指紋鎖”時(shí)代的到來。

　　正是在這樣的市場(chǎng)背景下，新加坡藍(lán)科有限公司推出了可以應(yīng)用指紋鎖具的SIB8132指紋識(shí)別專用芯片。在此，將這款指紋識(shí)別專業(yè)芯片的設(shè)計(jì)體會(huì)與讀者分享。

　　總體設(shè)計(jì)

　　嚴(yán)格來講，指紋鎖是電子鎖的一種。只不過因?yàn)槭腔谥讣y識(shí)別技術(shù)，拋棄了以前電子鎖的“密碼”和“智能卡”，使用人體與生俱來的生物特征—指紋，因此而達(dá)到了科技與人性之完美統(tǒng)一。指紋鎖在滿足人們對(duì)安全訴求的同時(shí)，使人們遠(yuǎn)離“記憶密碼的煩惱”和“攜帶卡片又怕丟”的擔(dān)心，真正的能夠做到了“既安全又便捷”。

　　實(shí)現(xiàn)這種“既安全又便捷”的指紋鎖，在產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)上需要從以下幾個(gè)方面考慮。

　　第一，在“安全性”上，不僅要考慮防破壞性開鎖，還要兼顧防技術(shù)性開鎖。采用指紋識(shí)別模塊，減除了鑰匙開鎖方式，基本上可以消除技術(shù)性開鎖的問題。

　　第二，要考慮重碼率，或者叫密鑰量。對(duì)于采用信息編碼的電子鎖而言，密鑰量一般不少于105。而對(duì)于采用生物識(shí)別技術(shù)的，密鑰量都在256個(gè)字節(jié)以上。其密碼強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的密碼。

　　第三，選用的指紋識(shí)別和指紋采集器件的性能直接影響著指紋鎖的安全性和易用性。雖然“指紋密鑰”的強(qiáng)度很大，理論上和實(shí)際中，仍然有誤識(shí)的情況發(fā)生，只是這種機(jī)率遠(yuǎn)比密碼和機(jī)械鑰匙小的多。

　　第四，指紋鎖是否增加了較多成本。指紋鎖相對(duì)于智能卡鎖、指紋鎖，并未增加多少成本。尤其是采用SIB8132單芯片解決方案后，可以把鎖的控制程序和指紋識(shí)別程序融合于一個(gè)MCU中。這也是目前全球唯一的單芯片設(shè)計(jì)方案，已經(jīng)被眾多公司實(shí)現(xiàn)。

　　圖1是功能較為全面的指紋鎖方案框圖。從圖中可以看出，內(nèi)置指紋識(shí)別功能的鎖具控制模塊即為SIB8132。它是整個(gè)指紋鎖的核心。SIB8132是32位低功耗專用處理器，內(nèi)置256K的ROM、RAM，以及256K FLASH Memory，最大可以存儲(chǔ)1000枚指紋數(shù)據(jù)。整個(gè)指紋的比對(duì)處理在片內(nèi)完成，250枚以內(nèi)1：N比對(duì)，1秒內(nèi)輸出結(jié)果。

　　圍繞SIB8132的是指紋鎖的輸入輸出模塊。這些模塊包括電源模塊、指紋采集頭、鍵盤、蜂鳴器、以及鎖具驅(qū)動(dòng)設(shè)備。LCD/LED顯示設(shè)備、通訊接口和調(diào)試接口是可選模塊，根據(jù)產(chǎn)品功能規(guī)格要求可以取舍。

　　具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　鎖具操作流程設(shè)計(jì)

　　對(duì)于像鎖具這種普通老百姓天天使用的產(chǎn)品來講，一個(gè)“簡(jiǎn)單實(shí)用”的操作流程是非常重要的。操作流程設(shè)計(jì)以“最簡(jiǎn)單”和“最合乎邏輯”為優(yōu)選原則。鎖具操作流程設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：

　　·子功能設(shè)置盡量獨(dú)立，減少按鍵復(fù)用。

　　·操作時(shí)按鍵次數(shù)盡量少，操作層級(jí)不超過2級(jí)。

　　指紋操作流程設(shè)計(jì)

　　為普通鎖增加指紋功能后，對(duì)于鎖的使用，客觀上帶來了一定的復(fù)雜度。當(dāng)然這只是體現(xiàn)在初次使用時(shí)的指紋登記操作上，指紋開鎖操作仍然是非常簡(jiǎn)單的。

　　初次使用指紋鎖時(shí)，需要先存入指紋數(shù)據(jù)到鎖的控制模塊中。存儲(chǔ)指紋需要經(jīng)過“指紋采集”和“指紋判別”?！爸讣y采集”需要設(shè)計(jì)一個(gè)友好的操作序列來引導(dǎo)用戶順暢的采集指紋。在“指紋判別”時(shí)，需要根據(jù)“指紋質(zhì)量”給出回饋信息，以提示和幫助用戶輸入較好質(zhì)量的指紋。存儲(chǔ)的指紋數(shù)據(jù)通常稱為指紋模板，指紋模板的好壞直接影響后續(xù)指紋識(shí)別(開鎖)的準(zhǔn)確性。

　　在大多數(shù)場(chǎng)景下使用的指紋鎖，都會(huì)涉及“指紋管理”的問題。即由特定的管理員來授權(quán)其它人使用該指紋鎖?！爸讣y管理”包括指紋增加、指紋刪除(單個(gè))、指紋清除(全部)。甚至包括指紋編號(hào)管理，以及重復(fù)注冊(cè)的識(shí)別問題。

　　在安全等級(jí)要求更高的指紋鎖中，可能會(huì)涉及“雙指(多指)論證”—即由多個(gè)人的指紋串連驗(yàn)證通過才能開鎖的情況。這些涉及到“指紋管理”功能的需求，需要結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景來完成流程設(shè)計(jì)。

　　核心控制模塊設(shè)計(jì)

　　指紋鎖的核心控制模塊是以SIB8132為核心設(shè)計(jì)的控制板。圖2兩圖分別是指紋控制板上的正面和背面。SIB8132是一個(gè)類似ARM7的32位高性能處理器。工作電壓3.3V，內(nèi)核工作電壓2.5V，最大工作電流75mA。256K的RAM、ROM使得編寫一個(gè)集密碼、遙控、指紋三者于一體的應(yīng)用程序綽綽有余。大小有14×14mm及10×10mm兩種。100個(gè)PIN引腳包含了3組UART、32位GPIO、主副I2C、8位并口、SPI等豐富的接口。這些接口便于處理器與更多的外設(shè)連接，從而能夠?qū)崿F(xiàn)功能更為強(qiáng)大的指紋鎖系統(tǒng)。因此對(duì)于目前市場(chǎng)上“多板拼接”的指紋鎖具方案，SIB8132具有更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。采用SIB8132處理器，真正可以做到“單板單芯”的控制模塊。

　　指紋采集設(shè)備選型

　　指紋采集設(shè)備是除了核心控制模塊外的最為重要的外設(shè)。它的性能優(yōu)劣關(guān)乎整個(gè)指紋鎖的質(zhì)量。指紋采集設(shè)備是使用者接觸最多的部件，是指紋數(shù)據(jù)生成的源頭。正因?yàn)樗唤佑|最多最頻繁，所以在選型時(shí)，耐用性和易用性是最先考慮因素。耐用性考量表現(xiàn)在手指接觸時(shí)的防靜電能力、耐磨耐腐蝕性、以及傳感靈敏度是否隨使用次數(shù)明顯下降等。一般認(rèn)為，光學(xué)指紋采集頭較為耐用，而采用半導(dǎo)體直接傳感的指紋采集頭較為靈敏。易用性表現(xiàn)在使用者的感受上。一般而言，按壓式即面狀指紋采集器使用簡(jiǎn)單，手指一按即可采集指紋。按壓式的大小一般是15mm-25mm見方。除此之外，為了降低成本,以及為了適應(yīng)小型手持設(shè)備的需要，也有不少此類產(chǎn)品使用滑動(dòng)式即刮擦式傳感器，其大小僅有10×5mm見方左右。

　　當(dāng)然對(duì)于指紋鎖來講，用戶更為大眾化一些。所以，使用按壓式采集頭的會(huì)更多一些。低成本一點(diǎn)的使用光學(xué)按壓式指紋采集頭。高品質(zhì)一點(diǎn)的采用半導(dǎo)體按壓式指紋采集芯片(其中有半導(dǎo)體電容、半導(dǎo)體電感、半導(dǎo)體壓感三者常用傳感方式)。

　　電源模塊設(shè)計(jì)

　　電源模塊對(duì)于任何一個(gè)嵌入式系統(tǒng)都很重要，指紋鎖也不例外。對(duì)使用電池的指紋鎖產(chǎn)品來講，在電源設(shè)計(jì)上尤其要考慮供電方式、功耗、以及缺電等應(yīng)急情況。選用SIB8132，可以達(dá)到工作功耗不超過75mA。

　　在電源設(shè)計(jì)上，還需考慮低電壓報(bào)警的問題。低電壓報(bào)警是當(dāng)電池電量不足時(shí)，提前提醒用戶更換新電池的功能。在設(shè)計(jì)上要保證低電壓狀態(tài)下可用次數(shù)達(dá)到至少100次以上。如果在電量耗盡前，用戶仍未能換上足量電池，則需要鎖上有外接電源接口，以保證可以應(yīng)急開門。當(dāng)然，應(yīng)急的情況還包括電路系統(tǒng)失效的情況，這時(shí)可以考慮“雙機(jī)”模式，其安全性則更高。

　　輸入輸出設(shè)備選型
　　
　　輸入輸出設(shè)備根據(jù)產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)來選取。需要注意的是，如果功能較為復(fù)雜，配套LCD或LED數(shù)碼管是必要的。至少在指紋管理時(shí)，用于顯示指紋編號(hào)等信息。

　　設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分享

　　實(shí)現(xiàn)雙模工作

　　“雙模工作”是指指紋模塊既可以是主控工作模式，也可以是從屬工作模式。

　　因?yàn)椴煌a(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)不同，有時(shí)指紋識(shí)別模塊在整個(gè)系統(tǒng)中只扮演一個(gè)獨(dú)立的指紋識(shí)別功能，不執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯的控制，這種被稱為通用的指紋模塊。有時(shí)需要指紋識(shí)別模塊也能完成一些業(yè)務(wù)邏輯控制，這種稱為主控指紋模塊。通用指紋模塊是把指紋模塊當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立實(shí)體，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口(多為UART)與主MCU通訊。它在整個(gè)鎖中，只完成指紋存儲(chǔ)和指紋驗(yàn)證功能。而主控指紋模塊集業(yè)務(wù)邏輯與指紋識(shí)別于一體，功能更為強(qiáng)大、成本更有優(yōu)勢(shì)。

　　如前所述，SIB8132不僅可以作為指紋鎖的主控模塊使用，也可以作為指紋鎖的從屬模塊使用。SIB8132是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)這兩種工作模式的指紋專用芯片。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這種“雙模工作”方式，得益于SIB8132內(nèi)部一種被稱為PLUGIN的技術(shù)架構(gòu)。

　　單芯片優(yōu)勢(shì)

　　傳統(tǒng)的指紋鎖控制板多采用普通DSP來實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別功能。這種方式下，存儲(chǔ)指紋就需要外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片。而且DSP不可以再編程，只能通過接口來控制它，因此還需一個(gè)主控MCU。而對(duì)于SIB8132來講，一是指紋存儲(chǔ)在片內(nèi)，無(wú)需外擴(kuò)存儲(chǔ)。二是SIB8132是可編程的，可以內(nèi)置應(yīng)用程序，并且可以接入眾多外設(shè)，因此還可能節(jié)省一個(gè)MCU。

　　這種單芯片指紋鎖應(yīng)用方案，在節(jié)省器件成本的同時(shí)，也減少了PCB板的大小，為產(chǎn)品ID設(shè)計(jì)留下更多空間。

　　柔性兼容

　　“柔性兼容”是指只需通過更改SIB8132的內(nèi)置程序就可實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋傳感設(shè)備的前向兼容，甚至可以同時(shí)接入兩個(gè)指紋傳感器件。指紋傳感器市場(chǎng)不斷的在推陳出新，產(chǎn)品性能會(huì)隨著傳感技術(shù)的改進(jìn)而不斷提升?，F(xiàn)時(shí)的指紋模塊與指紋傳感器是一一綁定的。因此作為指紋鎖的產(chǎn)品廠商，更換指紋傳感器的成本相當(dāng)于更換整個(gè)指紋模塊的成本。而采用SIB8132的指紋模塊針對(duì)指紋傳感芯片的接入是靈活的、前瞻的。更換傳感器無(wú)需更換指紋模塊，只需要修改固件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)新型傳感器的兼容。

　　結(jié)語(yǔ)

　　指紋鎖具市場(chǎng)已經(jīng)逐漸成為指紋應(yīng)用的主戰(zhàn)場(chǎng)。希望本文所述內(nèi)容能夠?yàn)閺V大讀者認(rèn)知指紋鎖具產(chǎn)品和技術(shù)起到一定的啟迪作用。同時(shí)在此申明，本文版權(quán)歸楊若冰先生所有，未經(jīng)書面同意，任何個(gè)人或機(jī)構(gòu)不能轉(zhuǎn)載。引用請(qǐng)注明出處。