研究嵌入式平臺的指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計：明確項目的整體需求，針對具體需要的部分功能作詳細(xì)的需求分析；設(shè)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(yīng)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(chǔ)構(gòu)件
設(shè)計一款指紋鎖的基礎(chǔ)構(gòu)件：傳感器、傳感器的驅(qū)動、底層的接口、電源的設(shè)計以及軟件算法的設(shè)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)確的進(jìn)行比對和判斷工作。指紋識別上層構(gòu)件——指紋鎖，根據(jù)其特點，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，具有體積較小、功耗極低的特點。
3)底層電機(jī)驅(qū)動門鎖。指紋鎖的設(shè)計，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)動電機(jī)開關(guān)機(jī)械門鎖，是指紋鎖的一個基礎(chǔ)構(gòu)件。指紋識別模塊處理認(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(zhǔn)確、高效、快速處理指紋的算法，是指紋鎖性能決定性因素。實現(xiàn)這一算法，采用在PC機(jī)上進(jìn)行驗證測試，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，對指紋鎖的整體布局進(jìn)行具體規(guī)劃設(shè)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(guān)系如圖1所示。
1)算法處理模塊用于移植上位機(jī)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(jìn)行處理，作出圖像識別的最終結(jié)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(yù)先設(shè)定的采集參數(shù)，負(fù)責(zé)實時采集指紋圖像，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)計的硬件平臺有3組供電電壓：外圍機(jī)械電機(jī)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(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)計上層構(gòu)件——指紋鎖。
5)存儲器模塊包括外部SDRAM和外擴(kuò)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(shè)計
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(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，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(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。目前國內(nèi)大多數(shù)采用“DSP+MCU”，“ARM+MCU”，或“FPGA+MCU”方式實現(xiàn)。在設(shè)計算法處理模塊CPU時，分別對ARM、DSP和FPGA進(jìn)行了比較：性能較強(qiáng)的FPGA，但價格都較高，與該設(shè)計“民用”指紋鎖低成本要求不符。而對于當(dāng)今比較流行的嵌入式系統(tǒng)ARM和DSP，兩者各有優(yōu)點，應(yīng)用的針對場合不同。結(jié)合該系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)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(shè)計指紋鎖，除了要有完整的中間構(gòu)件——指紋識別模塊，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)動電機(jī)執(zhí)行開關(guān)門鎖動作；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)計時，MEGA8單片機(jī)上電后CPU啟動進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，進(jìn)行寄存器初始化，讀取存儲參數(shù)，設(shè)置外圍傳感器參數(shù)等工作。啟動完畢，即進(jìn)入工作狀態(tài)，處理相應(yīng)的各類底層驅(qū)動。進(jìn)入休眠態(tài)前，存儲好各項參數(shù)，保存現(xiàn)場，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(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，這類器件的特點是它具有控制關(guān)斷引引腳，在系統(tǒng)處于睡眠時，可以通過置位使能端，關(guān)斷整個系統(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)計好指紋鎖的電路原理圖，對電路圖進(jìn)行PCB制版，要做的準(zhǔn)備工作比較多。首先需要對PCB的設(shè)計經(jīng)驗豐富，包括元件封裝庫的選擇、尺寸大小的設(shè)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(jī)”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(jìn)了設(shè)計方案，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行比較流暢。
另外，指紋識別脫機(jī)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(shè)計提出了幾個要求：PCB板要盡量的?。欢ㄎ豢自O(shè)計合理方便安裝；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，不會產(chǎn)生互相干擾。經(jīng)調(diào)試和多次測試，系統(tǒng)最后設(shè)計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(shè)計布局的綜合考慮，設(shè)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。
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