隨著指紋自動識別系統體積的不斷縮小，以及微處理器功能與速度的不斷提高，復雜的指紋識別門鎖控制算法已可以被固化到一塊體積非常小的嵌入式微處理器模塊上，該模塊與指紋傳感器、門鎖控制機構組成的系統稱為嵌入式指紋識別門鎖系統。嵌入式指紋鎖的應用領域十分廣泛，有保險箱、實驗室、樓道的身份確認等。本文基于指紋識別模塊設計和實現了嵌入式指紋鎖，給出了一套比較完整的軟、硬件設計方案。

　　指紋識別門鎖系統的硬件結構

　　指紋識別門鎖系統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 集成了許多系統級的功能，這樣可大大減少元件的數目、電路板面積以及系統的成本。

　　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行有關開關門的操作。具體設計可根據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功耗。電機控制部分由單片機發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

　　低功耗系統設計的基本要求如下：

　　1） 系統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，能做到合理的系統功耗分配。

　　2） 對于系統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，即電路動態過程有功耗，電路靜態時沒有功耗。

　　本嵌入式門鎖系統采用4節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。

　　在本系統中，選擇3.3V作為單片機的供電電壓；選擇內部晶振，在節省外部資源的同時降低了功耗。當MCU進入完全掉電狀態以后，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從完全掉電狀態下喚醒。

　　嵌入式系統的實時功耗管理能力表現在能保證系統按照有效操作時空占空比來實現系統時空的最大靜態化運行，其中的核心技術是系統中時鐘與信號流的控制與調度。在系統無效操作的時間和區域上，終止時鐘運行或進入，禁止開關、脈沖信號進入。經過合理的任務分配后可以大大降低系統靜態功耗，同時在硬件資源選擇上作些調整。實驗表明，經過合理任務分配后，系統的靜態功耗可以降到10mA，正常工作時電流低于100mA。與同類產品相比，本系統的低功耗性能良好。

　　圖4 系統初始化步驟

　　圖5 帶數組的通訊格式

　　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，實現開門動作；電機反轉，鎖舌進，實現關門動作。電機正反轉控制電路的原理圖如圖3所示。

　　系統加密設計

　　單片機系統一般都采用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，但現在已大多能破解。為了保護自行開發的指紋識別門鎖算法，系統加密是個關鍵。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。即把單片機數據總線的特定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。

　　系統軟件設計

　　該指紋識別門鎖系統是完全自主開發的具有獨立知識產權的軟件，其完整的系統管理協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、識別以及指紋數據的輸出。系統軟件總程序包括監測控制部分和通訊部分。監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議和驅動程序，其中通訊協議包括數據接收、數據發送、校驗、數據包處理等程序；設備驅動包括寄存器配置和系統狀態控制等程序。

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　　表1 指紋鎖的性能指標

　　系統初始化

　　嵌入式指紋鎖系統在啟動或復位之后，需要對系統硬件和軟件運行環境進行初始化，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，系統啟動程序所執行的操作與具體的目標系統和開發系統相關，流程如圖4所示。

　　指紋識別軟件的協議命令集

　　系統管理協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、設置每個用戶錄入的指紋數以及設置波特率等。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議

　　系統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、數據、結果的接收和發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，在數據接收的開始有時會丟失一兩個字節，所以在接收數據包時可能因為接收字節不完全而使程序陷入死循環。這里采用在規定時間內如果沒有接收到數據則強行退出接收程序，而后重新接收數據的方法，由于指紋模塊與單片機的工作頻率非常快，根本不會影響該系統的工作。

　　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組來存儲Receive［Max］從模塊接收到的數據，如圖5所示。單片機通過串口向模塊發送命令而后又等待接收命令時，經常丟失或有誤一兩個字節，這樣導致數組Receive ［Max］中數據會丟失一兩個字節。參考指紋模塊的通訊協議可知，消息幀中的大部分數據都相同，只有一兩個不同的關鍵字且在數據幀的中間部分。所以，根據模塊動作的幾種可能情況在接收數據的數組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。

　　系統測試

　　根據門鎖的安全性能指標設計測試方案，系統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，測試系統的穩定性；

　　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

　　經過大量的測試工作，本門鎖系統的性能狀態良好，滿足安全性和易用性的指標要求。門鎖系統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。