作者：上海潤欣科技股份有限公司創研社

前言

隨著指紋識別在智能手機上面的普及，指紋識別技術在越來越多的場合中得到應用。除了手機應用之外，在移動支付、門禁系統、智能家庭等嵌入式場景中也逐漸普及開來。在系統實現上面，智能手機本身擁有強大的計算能力和豐富的內存資源，實現指紋識別并不困難，但在嵌入式系統中特別是基于MCU的應用場合，其運算能力、內存資源等都受到限制，本文介紹一種基于單片機系統的指紋識別方案供參考并對設計要點加以說明。

如上圖所示，這是一個WIFI指紋識別前端的系統框圖，其應用場景是：手指按壓指紋識別模塊時，指紋數據被采集并傳輸到單片機，單片機經過識別算法對指紋數據進行處理后，把處理結果通過WIFI模塊無線傳輸到云端參與身份識別的業務。

在具體實現上面，由于指紋識別算法涉及較多的浮點運算，以及需要暫存指紋點陣的原始數據和中間運算數據，故對于運算能力和存儲空間有硬性的要求，在目前主流的單片機架構中Cortex-M4架構集成FPU浮點處理單元，在100MHZ主頻下，其浮點數運算能力可以達到要求。指紋識別算法代碼編譯后占用上百K字節的代碼空間，考慮到wifi網絡連接、應用層代碼等整體上以1MB左右的Flash代碼空間為宜，數據存儲的需求以512KB的SRAM空間為宜。系統工作時，在指紋識別過程中需要強大的運算能力，而在沒有指紋按壓的時候則需要運行在低功耗狀態以適應嵌入式系統對功耗的要求。

在我們的方案中，選擇了具有XIP特性的MCU，把代碼存放在外置SPI Flash中并可以在系統執行，從而大大擴展了代碼存儲空間。外置SPI Flash中的代碼在執行中由于需要內部Cache緩存，故執行速度略低。對于識別算法的核心代碼，則可以在Boot階段拷貝到SRAM中運行，從而提升運行速度。XIP + SRAM的代碼空間分配方案兼顧了性能和成本，是此設計的一個亮點。

指紋識別芯片是系統實現的核心部件，當前比較主流的技術指標，要求指紋識別芯片基于電容技術、支持活體檢測(Live Finger Detection)、按壓式、采用玻璃蓋板，可以實現360度任意方向的觸摸，能夠支持滑動導航。活體檢測技術具有防止假指紋破解的特點，集成心率檢測功能，方便用戶實時查看心率值。傳感器集成化方便整機廠商的設計和整機集成，使得其方便應用于嵌入式單片機系統。

指紋識別芯片和主機的數據接口要求在指紋數據采集的過程中達到5Mbps以上的傳輸速率，低于5Mbps的數據吞吐量將影響用戶體驗。UART、 I2C等低速接口在吞吐量上無法達到要求，SPI接口簡潔而且傳輸速率完全可以達到要求，是最合適的通信接口。

指紋識別芯片周期性檢測Pixel傳感器區域是否有手指觸摸，檢測到sensor有手指觸摸時，會立刻采集活體檢測數據，數據采集完成后會通過中斷通知Host讀取，MCU讀取完活體檢測數據后芯片進行指紋掃描，指紋掃描開始后就會通過中斷通知Host讀取數據。指紋數據的掃描和Host數據的讀取同步進行。

單片機接收到指紋芯片傳輸來的Pixel原始數據后通過識別算法運算后通過WIFI模塊傳輸到云端。由于MCU本身資源的限制，WIFI模塊本身需要集成WIFI驅動、TCP/IP協議棧，并可以做作為一個相對獨立的單元運行應用層代碼，這樣就極大的減輕了MCU host端的負擔. WIFI模塊通過串口和MCU進行數據交互。推薦基于Qualcomm QCA4004的WiFi IoT模塊。

低功耗和抗干擾也是系統設計的一個要點，指紋識別模塊在沒有手指按壓時仍然周期性的進行sensor掃描，雖然功耗低于數據傳輸期間，但為適應電池供電的場合，希望在沒有按鍵觸摸期間可以關掉指紋識別模塊的電源，為此如上圖所示增加了觸摸按鍵，檢測到有手指靠近的時候打開指紋識別芯片的電源，進行指紋掃描采集數據，當長時間沒有手指觸摸的時候關閉指紋掃描模塊的電源，從而達到降低功耗的目的。另外在數據采集期間為了防止觸摸按鍵對指紋識別傳感器的影響，在觸摸按鍵后增加一級模擬開關，在采集開始前MCU輸出一個控制信號將觸摸按鍵的模擬信號進行隔離。