一種新型指紋鎖電路設(shè)計(jì)方案

　　市場(chǎng)上主流的電子鎖是基于密碼設(shè)計(jì)的。密碼鎖的最大的缺陷是密碼容易被他人竊取、猜測(cè)及遺忘。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，越來越多的活體技術(shù)應(yīng)用到識(shí)別系統(tǒng)中，如指紋、掌紋、人臉、虹膜等。相對(duì)于其它的活體識(shí)別技術(shù)，指紋識(shí)別系統(tǒng)以其可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，成本相對(duì)低廉，同時(shí)又具備較高的安全性，被越來越多的應(yīng)用到各種場(chǎng)合。文章給出了一種新型的指紋鎖架構(gòu)，并詳細(xì)論述了系統(tǒng)的各個(gè)組成部分以及指紋識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)流程。文章對(duì)降低系統(tǒng)功耗和增加保密性都提出了獨(dú)特的方法。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和大規(guī)模的集成芯片的出現(xiàn)，現(xiàn)有的門鎖系統(tǒng)也正在經(jīng)歷著升級(jí)換代的變換。第一代電子門鎖采用的是密碼識(shí)別方法，解決了機(jī)械門鎖更換的靈活性，即鑰匙的設(shè)置和更改掌握在了使用者的手中;但由于密鑰與使用者非強(qiáng)相關(guān)，松耦合，授權(quán)難以管理，在安全性方面存在著極大的隱患。第二代電子門鎖采用最先進(jìn)的生物特征識(shí)別技術(shù)，提供了一種更為安全可靠、使用方便的身份識(shí)別新途徑。

　　生物特征識(shí)別技術(shù)主要是利用虹膜、人臉、指紋、掌紋、語音這幾種人體生物特征的一種來做識(shí)別的。虹膜、人臉需要使用到影像成像系統(tǒng)，設(shè)備過于復(fù)雜，僅用于高端系統(tǒng)，難以普及應(yīng)用;語音系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單，但由于容易被模仿，安全性相對(duì)較低;指紋和掌紋僅使用掃描成像，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，易于推廣，尤其是指紋識(shí)別技術(shù)，采用逐行掃描系統(tǒng)，識(shí)別傳感器可以做得非常小，具有很高的可行性和實(shí)用性。

　　指紋鎖系統(tǒng)主要可用在保險(xiǎn)箱、實(shí)驗(yàn)室、樓道的身份確認(rèn)及相關(guān)控制;隨著智能家居概念的興起，也越來越多的應(yīng)用到高檔住宅中。

　　1 指紋鎖的架構(gòu)

　　本指紋鎖系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括：指紋識(shí)別頭、主處理微控制器、電源管理、電控鎖機(jī)構(gòu)以及門鎖功能所需的紅外感應(yīng)、告警電路等，其中核心部分是指紋識(shí)別頭和主處理微控制器。本指紋鎖系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1 指紋門鎖硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　本指紋鎖通過指紋識(shí)別頭獲取原始指紋數(shù)據(jù)，通過主處理器的處理提取出相關(guān)指紋特征，然后與存儲(chǔ)器內(nèi)的指紋模板做比較，如果指紋特征吻合，則通過指示燈做出相應(yīng)的指示，同時(shí)輸出門鎖開啟信號(hào)，打開門鎖;在門鎖開啟狀態(tài)，也可通過相應(yīng)按鍵操作，進(jìn)行指紋模板存儲(chǔ)。

　　輔助處理器用于系統(tǒng)的電源管理，即管理主處理器的上下電。本設(shè)計(jì)采用層級(jí)包容架構(gòu)設(shè)計(jì)，主處理器功能強(qiáng)大，處理功能相對(duì)復(fù)雜，功耗較高;輔助處理器功能非常簡(jiǎn)單，僅負(fù)責(zé)電源管理，完成對(duì)系統(tǒng)的上下電處理(除了自身不下電)。該架構(gòu)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一，功耗極其低，在系統(tǒng)待機(jī)模式下，主處理器部分根本就不耗電，系統(tǒng)可超長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)工作。第二，采用層級(jí)架構(gòu)，兩個(gè)處理器功能完全解耦，軟件可分別自由演化。第三，超可靠性，程序隨著代碼行數(shù)的增加，異常情況成指數(shù)倍的增長(zhǎng)，所以主處理器程序長(zhǎng)時(shí)間工作的可靠性大大降低，本架構(gòu)由于采用了輔助處理器的方案，主處理器絕大多數(shù)時(shí)間處理斷電狀態(tài)，每次工作時(shí)，都經(jīng)歷了重新上電過程，因此原則上主處理器做到了永不死機(jī)的可靠性;而輔助處理器工作極其簡(jiǎn)單：檢測(cè)觸摸，然后給主處理器上電，等待主處理器空閑信號(hào)，然后給主處理器下電。程序代碼行非常簡(jiǎn)短，工作可靠性極高。

　　2 指紋傳感器的選型

　　在指紋產(chǎn)品中，指紋傳感器和指紋算法是關(guān)鍵。指紋處理的過程是采集指紋圖像，然后對(duì)指紋圖像進(jìn)行處理，所以能否采集到清晰的指紋圖像是指紋處理的關(guān)鍵，指紋傳感器是指紋圖像的采集部件，因此，指紋傳感器的性能將直接影響到指紋產(chǎn)品的性能。

　　目前采用的指紋傳感器從分類上主要分為半導(dǎo)體指紋傳感器和光學(xué)指紋傳感器。半導(dǎo)體的指紋傳感器又分為面狀指紋傳感器和條狀指紋傳感器(即滑動(dòng)式指紋傳感器/刮擦式指紋傳感器)。

　　選用半導(dǎo)體指紋傳感器主要要考慮以下幾個(gè)指標(biāo)：

　　(1)抗靜電性能，-般要求大于15kv，否則易被擊穿。

　　(2)分辨率。一般至少要求256dpi，否則對(duì)細(xì)指紋不易分辯，比如銀行、醫(yī)院、超市等不宜應(yīng)用。

　　(3)對(duì)干濕手指的適應(yīng)性(尤其是涂有護(hù)手霜的手指)。

　　(4)使用壽命要求。傳感器的使用壽命的要求一般要達(dá)到可使用100萬次。

　　(5)產(chǎn)品一致性和適應(yīng)性，不同地區(qū)人的指紋有不同的特征，所以要選用高適應(yīng)性的指紋傳感器。

　　由于本文中的指紋讀頭在設(shè)計(jì)中的要求體積盡量小，因此選用的是美國AuthenTec公司的AES2510的刮擦式指紋傳感器。其選用的理由如下：

　　(1)采用其最新的“The Power of Touch”技術(shù)，屬于接觸式的，對(duì)干濕手指不敏感。

　　(2)易用且能提供快速的指紋成像，具有導(dǎo)航功能。

　　(3)低功耗、小CPU占用率的特性。

　　(4)出貨量大，成本低。

　　(5)尺寸相當(dāng)微小，只有12mm×5mm×1.86mm。

　　其外觀圖如圖2所示：

　　圖2 AES2510實(shí)物圖

　　3 指紋算法的選型

　　指紋識(shí)別算法是指紋識(shí)別的核心。常見的指紋算法有：BIOKEY指紋識(shí)別算法、Fingerpass指紋識(shí)別算法、TOUCHSEC指紋識(shí)別算法、OpenBio指紋識(shí)別算法、FAA指紋識(shí)別算法等等，國內(nèi)也有許多公司也自主研發(fā)了許多具有專利的指紋識(shí)別算法，在網(wǎng)上也有許多公開算法的源碼。在設(shè)計(jì)初期，選用公開的算法源碼，會(huì)造成調(diào)試的不方便，同時(shí)算法的指標(biāo)也不確定是否滿足需求;大公司的指紋識(shí)別算法一般又要價(jià)比較高，談判困難;因此最合理的方法是選用指紋廠家提供的識(shí)別算法進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證，Autllentec提供的算法相對(duì)也比較成熟可靠，由于使用其指紋傳感器，指紋識(shí)別算法收取費(fèi)用相對(duì)較低，如果使用量較大，甚至可以免費(fèi)贈(zèng)送。

　　在我們的設(shè)計(jì)中，采用的是Authentec提供的指紋識(shí)別算法，最后驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果在認(rèn)假率、拒真率、比對(duì)時(shí)間上均滿足需求。