嵌入式指紋鎖的設計與實現(xiàn)
指紋識別門鎖系統(tǒng)的硬件結構
指紋識別門鎖系統(tǒng)的硬件結構主要包括：指紋識別模塊、微控制器、讀寫模塊、電源管理和電控鎖機構以及門鎖功能所需的紅外感應電路和液晶LCD顯示等，其中核心部分是指紋識別模塊和微控制器。指紋識別門鎖系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示，虛線內是指紋識別功能模塊。
圖1 指紋識別門鎖系統(tǒng)的結構框圖
單片機門鎖控制電路
門鎖控制的核心結構是微控制器P89LPC932A1，它是一款單片封裝的MCU，適合于許多要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。P89LPC932A1 集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本。
MCU通過串口與指紋識別模塊進行通訊，完成對指紋的錄入、刪除、身份確認，通過驗證后電機控制門鎖會執(zhí)行開關門的動作。以單片機P89LPC932A1為核心的門鎖控制電路原理圖如圖2所示。P89LPC932A1強大的I/O口多達26個，可以滿足外設部分的鍵盤、LCD液晶顯示、指示燈、按鍵、蜂鳴器等的需求。鍵盤是用來輸入密碼的，LCD顯示用戶注冊的信息和ID號，雙色指示燈和蜂鳴器用來提醒用戶操作是否成功或是發(fā)出報警提示。另外，還有一些遠程控制的按鍵開關，用于設備的上電或執(zhí)行有關開關門的操作。具體設計可根據(jù)不同的應用場合和實際功能需求增減外圍器件，在盡量滿足功能的前提下降低系統(tǒng)功耗。電機控制部分由單片機發(fā)出邏輯命令驅動電機進行開關鎖動作。圖中U1是電源控制芯片R1121N,它輸出3.3V給單片機；U2是I2C讀寫模塊E2PROM，指紋鎖的開關門記錄和密碼等重要信息都保存在其中。R1121N是CMOS工藝電壓調節(jié)器，具有很高的電壓輸出精度、很低的輸入電流。
圖2 門鎖控制系統(tǒng)的電路原理圖
圖3 電機驅動控制原理圖
單片機的低功耗設計
低功耗系統(tǒng)設計的基本要求如下：
1) 系統(tǒng)中所有的電路單元都具有功耗管理功能，即該電路單元在非有效操作期間都能被關斷（沒有功耗）。系統(tǒng)具有按有效時空占空比實施精細功耗管理的能力，能做到合理的系統(tǒng)功耗分配。
2) 對于系統(tǒng)無法企及的微觀有效操作，要求由電路靜、動特性來滿足功耗分配，即電路動態(tài)過程有功耗，電路靜態(tài)時沒有功耗。
本嵌入式門鎖系統(tǒng)采用4節(jié)1.5V的電池供電，對無用功耗盡量要求降到最低，所以單片機的工作方式選擇完全掉電模式。門鎖系統(tǒng)低功耗的重要因素有電源電壓，晶振頻率，功能模塊的設置，以及I/O口和外部電路的設置。
在本系統(tǒng)中，選擇3.3V作為單片機的供電電壓；選擇內部晶振，在節(jié)省外部資源的同時降低了功耗。當MCU進入完全掉電狀態(tài)以后，可由看門狗定時器（利用復位或中斷）、外部中斷INT0/INT1、鍵盤中斷、實時時鐘等喚醒。INT0/INT1中斷為下降沿/低電平有效，鍵盤中斷為低電平有效，因此在進入中斷前必須保證相應引腳為高電平，否則很難將MCU從完全掉電狀態(tài)下喚醒。
嵌入式系統(tǒng)的實時功耗管理能力表現(xiàn)在能保證系統(tǒng)按照有效操作時空占空比來實現(xiàn)系統(tǒng)時空的最大靜態(tài)化運行，其中的核心技術是系統(tǒng)中時鐘與信號流的控制與調度。在系統(tǒng)無效操作的時間和區(qū)域上，終止時鐘運行或進入，禁止開關、脈沖信號進入。經(jīng)過合理的任務分配后可以大大降低系統(tǒng)靜態(tài)功耗，同時在硬件資源選擇上作些調整。實驗表明，經(jīng)過合理任務分配后，系統(tǒng)的靜態(tài)功耗可以降到10mA，正常工作時電流低于100mA。與同類產品相比，本系統(tǒng)的低功耗性能良好。
圖4 系統(tǒng)初始化步驟
圖5 帶數(shù)組的通訊格式
電機驅動電路
機械驅動部分用小型的直流電動機來進行驅動。由于單片機的驅動能力極其有限，所以需要對單片機的輸出進行驅動放大。這里采用BA6289邏輯控制芯片。它可以接收TTL 邏輯電平，用于驅動感性負載。它根據(jù)對門鎖的不同操作進行邏輯控制，驅動電機的正反轉，推動門鎖上的鎖舌進出。電機正轉，鎖舌退，實現(xiàn)開門動作；電機反轉，鎖舌進，實現(xiàn)關門動作。電機正反轉控制電路的原理圖如圖3所示。
系統(tǒng)加密設計
單片機系統(tǒng)一般都采用MCU+EPROM模式。通常EPROM都是透明的，雖然有許多的MCU都帶有加密位，但現(xiàn)在已大多能破解。為了保護自行開發(fā)的指紋識別門鎖算法，系統(tǒng)加密是個關鍵。常用的單片機加密技術有硬件加密和軟件加密兩種。軟件加密不能防止別人復制，只能增加解剖分析的難度，安全性不足。
現(xiàn)在很多的MCU都帶有加密位，其中在單片機中運用得最成功的加密方法是總線燒毀法。即把單片機數(shù)據(jù)總線的特定I/O永久性地破壞，解密者即使擦除了加密位，也無法讀出片內程序的正確代碼。此外還有破壞EA引腳的方法。這種方法用來加密小程序比較成功，但由于總線已被破壞，因而不能再使用總線來擴展接口芯片和存儲器，同時，片內存儲器也不再具有重復編程特性。
系統(tǒng)軟件設計
該指紋識別門鎖系統(tǒng)是完全自主開發(fā)的具有獨立知識產權的軟件，其完整的系統(tǒng)管理協(xié)議增強了軟件的強壯性和可移植性，完整的指紋識別命令集使其可以自動進行指紋的注冊、識別以及指紋數(shù)據(jù)的輸出。系統(tǒng)軟件總程序包括監(jiān)測控制部分和通訊部分。監(jiān)測控制部分包括了門鎖控制軟件諸如開關門、應急密碼開門、指紋錄入、指紋刪除等程序，以及指紋識別管理、電源管理、定時器中斷管理、看門狗、外部指令處理和I2C總線存儲器等程序。通訊部分主要包括通訊協(xié)議和驅動程序，其中通訊協(xié)議包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、校驗、數(shù)據(jù)包處理等程序；設備驅動包括寄存器配置和系統(tǒng)狀態(tài)控制等程序。
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表1 指紋鎖的性能指標
系統(tǒng)初始化
嵌入式指紋鎖系統(tǒng)在啟動或復位之后，需要對系統(tǒng)硬件和軟件運行環(huán)境進行初始化，這些工作由啟動程序完成，啟動程序通常采用匯編語言編寫。寫好啟動程序是設計好嵌入式程序的關鍵，系統(tǒng)啟動程序所執(zhí)行的操作與具體的目標系統(tǒng)和開發(fā)系統(tǒng)相關，流程如圖4所示。
指紋識別軟件的協(xié)議命令集
系統(tǒng)管理協(xié)議包括功能部件更新下載、設備復位、部件錯誤處理、檢測注冊的用戶數(shù)量、檢測存儲器信息、檢測安全級、設置安全級、檢測每個用戶注冊的指紋數(shù)、設置每個用戶錄入的指紋數(shù)以及設置波特率等。指紋識別命令集包括自動ID注冊用戶、給定ID注冊用戶、刪除給定ID用戶、匹配刪除用戶、刪除所有用戶、給定ID用戶識別、自動ID用戶識別、提取特征信息、特征信息匹配、從模塊獲取特征信息以及在模塊中存儲特征信息等。下面給出該軟件指紋識別協(xié)議命令集中自動用戶注冊部分的設計說明。
自動用戶注冊是指系統(tǒng)使用自動選擇的ID號注冊用戶，如下：
STI_USER_REGISTR ATION：開始注冊
0x1b - 0x5e - 0x50 - Start ID NumberH- Start ID NumberL
STI_USER_REGISTRATION _SUCCESS：注冊成功
0x1b - 0x5e - 0x51 - Start ID NumberH- Start ID NumberL
其中Start ID NumberH/ Start ID NumberL為注冊開始時的ID值
STI_USER_REGISTR ATION_ERROR：注冊失敗
0x1b - 0x5e - 0x52 - 0x00- ID Number
單片機與指紋模塊的通訊協(xié)議
系統(tǒng)中的工作核心是指紋模塊，它幾乎包含了對指紋處理的所有操作。指紋識別模塊通過RS232串口與使用者接口，使用者通過此接口來命令模塊完成諸如指紋采集、指紋比對等一系列操作。單片機與指紋模塊的通訊為半雙工異步通訊，RS232接口缺省的波特率為9600bps。
單片機與指紋模塊的通訊，對命令、數(shù)據(jù)、結果的接收和發(fā)送都采用幀的形式進行，通訊格式內容包括包標識、地址碼保留字、包長度、包內容和校驗和。
由于通過串口通訊，在數(shù)據(jù)接收的開始有時會丟失一兩個字節(jié)，所以在接收數(shù)據(jù)包時可能因為接收字節(jié)不完全而使程序陷入死循環(huán)。 這里采用在規(guī)定時間內如果沒有接收到數(shù)據(jù)則強行退出接收程序，而后重新接收數(shù)據(jù)的方法，由于指紋模塊與單片機的工作頻率非?？欤静粫绊懺撓到y(tǒng)的工作。
同樣，單片機和模塊通過一串消息幀來傳遞命令，在程序編寫時利用數(shù)組來存儲Receive[Max]從模塊接收到的數(shù)據(jù)，如圖5所示。單片機通過串口向模塊發(fā)送命令而后又等待接收命令時，經(jīng)常丟失或有誤一兩個字節(jié)，這樣導致數(shù)組Receive [Max]中數(shù)據(jù)會丟失一兩個字節(jié)。 參考指紋模塊的通訊協(xié)議可知，消息幀中的大部分數(shù)據(jù)都相同，只有一兩個不同的關鍵字且在數(shù)據(jù)幀的中間部分。所以，根據(jù)模塊動作的幾種可能情況在接收數(shù)據(jù)的數(shù)組Receive[Max]中搜索對應的一兩個關鍵字，這樣就可以正確判斷模塊的動作。
系統(tǒng)測試
根據(jù)門鎖的安全性能指標設計測試方案，系統(tǒng)測試主要從以下幾個方面進行：
1) 用不同質量的指紋：用大約500人次的不同指紋進行開鎖、注冊等測試；
2) 同一指紋在不同條件下：諸如干濕、破損、壓力溫度不同、位置角度不同、油污情況下進行開鎖試驗；
3) 不間斷的工作方式：長時間的疲勞測試、頻繁的開鎖、關鎖，測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性；
4) 人為制造緊急狀況：電源不足情況下、惡性開鎖、開鎖后忘記關門、普通用戶手指不能開門、取消非法用戶權限等。
指紋鎖的核心部分測試后的各項性能指標如表1所示。
結語
經(jīng)過大量的測試工作，本門鎖系統(tǒng)的性能狀態(tài)良好，滿足安全性和易用性的指標要求。門鎖系統(tǒng)從功能上具有授權錄入指紋、按ID號或按級刪除指紋、記錄最近的10次開門記錄，可錄入150枚指紋。本系統(tǒng)采用了嵌入式的體系結構，以及精度高、反應快、功耗低、體積小的外圍器件，配合成熟的指紋識別算法和完善的功能設計，以及應急開門方案、加密設計和低功耗設計。本嵌入式指紋鎖的誤識率為0.001%~0.01%，拒識率為0.1%~1%，處理速度低于0.3s，完全滿足指紋識別產品的要求。由本系統(tǒng)為核心制作的小樣本嵌入式指紋鎖已于2005年末供應海外市場。
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