高性能指纹锁硬件平台实现方案

随着生物特征识别技术的快速发展，指纹识别技术广泛进入人们的生活领域。基于PC机端的指纹算法应用已经相当成熟，而便携、轻巧的嵌入式产品相对缺乏。开发一种高性能、低成本、安全可靠的民用指纹锁硬件平台具有很强的现实意义和广阔的市场空间。

　　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。

　　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。