一种新型指纹锁电路设计

图2 AES2510实物图

3 指纹算法的选型

指纹识别算法是指纹识别的核心。常见的指纹算法有：BIOKEY指纹识别算法、Fingerpass指纹识别算法、TOUCHSEC指纹识别算法、OpenBio指纹识别算法、FAA指纹识别算法等等，国内也有许多公司也自主研发了许多具有专利的指纹识别算法，在网上也有许多公开算法的源码。在设计初期，选用公开的算法源码，会造成调试的不方便，同时算法的指标也不确定是否满足需求；大公司的指纹识别算法一般又要价比较高，谈判困难；因此最合理的方法是选用指纹厂家提供的识别算法进行开发验证，Autllentec提供的算法相对也比较成熟可靠，由于使用其指纹传感器，指纹识别算法收取费用相对较低，如果使用量较大，甚至可以免费赠送。

在我们的设计中，采用的是Authentec提供的指纹识别算法，最后验证设计结果在认假率、拒真率、比对时间上均满足需求。

4 主CPU的选型

主CPU的选型主要关注的指标是运算速度及功耗，有的厂商的产品侧重于低功耗，有的侧重于运算速度。来自于几家厂商提供的一组测试数据见表1，分别显示了不同的CPU在运算指纹匹配算法所需要的时间。

表1 运行指纹匹配算法时间对比表

由于我们采用了层级包容式架构，因此对主处理器的功耗指标不太关心，选用更高的处理速度，能给用户带来了更好的体验。本指纹锁选择的CPU是BF531。ADSP-BF531系列处理器是Blaclkflin系列产品的成员之一，是一个高度集成的片上系统解决方案。其功能框图如图3所示：

图3 BF531的功能框图

ADSP-BF53 l是主频高达400 MHz高性能Black—fin处理器，其内核包括：2个16位MAC，2个40位ALU，4个8位视频ALu，以及1个40位移位器；对于指纹对比计算有很强的处理能力，另外，厂家又提供了为该处理器量身定做的指纹对比算法。

5 辅助CPU的选型

由于指纹锁在设计时提出的存储指标为100枚指纹，大概所需内存为lMByte以上，因此必须使用外部存储设备。为了最大限度的降低成本，我们使用SDRAM芯片来替代外部的SRAM，因此就必然导致设备的外部功耗增加，对于使用电池供电的设备，这几乎是不能容忍的，为此我们使用一个超低功耗的辅助CPU来进行设备管理。

通常情况下，主CPU的所有电路均不上电，辅助CPU感应到有手触摸锁柄时，则通过IO口控制主CPU上电，主CPU和指纹传感器开始工作，指纹比对成功后，启动开锁。无论对比是否成功，等待固定一段时间后，主CPU均会进入空闲状态，向辅助CPU发送空闲信号，辅助CPU对主CPU断电。

由于辅助CPU是长期工作，永不断电的，选则的基本原则就是超低功耗，架构简单，极高的可靠性。本文选择的是TI的MSP430F2001，MSP430单片机拥有0.5uA的超低待机电流和250uA/MIPs的运行功耗，是目前业界公认的低功耗单片机。其提供了5种低功耗模式，主要面向电池供电的应用。功能框图如图4所示：

图4 MSP430F2001的功能框图

MSP430F200l的特性描述如下：低工作电压(1.8V-3.6V)；超低功耗(活动模式为220μA at 1 MHz，2.2 V，待机模式为0.5μA，关闭模式为0.1μA)；五种省电模式；从待机模式唤醒1μs。

6 其它

本方案中还采取了其它降功耗措施：

主处理器的LDO改为DC／DC开关芯片，提高工作时的电源效率；

开锁继电器的先用大电流驱动1秒使其吸合，然后通过调整控制端的占空比为30%，让其进行4秒的维持状态；

7 结束语

本设计通过合理选择器件，围绕低成本、低功耗、高运算性能、电池供电等特性要求优化电路，设计完成的新型指纹锁电路在性能指标、稳定性、兼容性低硬件成本方面具有非常大优势。

通过本设计制作出数台样机，在仅使用两节5号电池不更换的情况下，每天开锁3次，已连续可靠的工作了2年。

本设计完成的指纹锁，可以广泛应用于工业门标禁、指纹考勤、国防安全等众多领域。