單芯片指紋鎖原理及設(shè)計(jì)方案

單芯片指紋鎖原理及設(shè)計(jì)方案

　　據(jù)鎖業(yè)專家統(tǒng)計(jì)，目前全國鎖具銷售量每年約在22億把以上。經(jīng)過數(shù)年市場醞釀，市場對指紋鎖的需求正日益俱增。據(jù)估算，包括金融、軍警、辦公在內(nèi)的商用市場每年有約500萬套的市場需求。民用市場成熟后，每年至少商用市場的需求量。在未來的數(shù)年內(nèi)，指紋鎖具將占居鎖具市場的最大份額，成為中國鎖業(yè)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

人們使用鎖具的方式在不斷的發(fā)生著變化。從機(jī)械鎖到電子鎖，鎖具行業(yè)跨出了巨大的一步，同時(shí)也給人們的生活帶來到了重大的改進(jìn)。而如今，“生物識別技術(shù)”在全球范圍內(nèi)的興起，正在推動(dòng)鎖具行業(yè)的又一次技術(shù)革新，這必將引領(lǐng)“指紋鎖”時(shí)代的到來。

　　正是在這樣的市場背景下，新加坡藍(lán)科有限公司推出了可以應(yīng)用指紋鎖具的SIB8132指紋識別專用芯片。在此，將這款指紋識別專業(yè)芯片的設(shè)計(jì)體會與讀者分享。

　　總體設(shè)計(jì)

　　嚴(yán)格來講，指紋鎖是電子鎖的一種。只不過因?yàn)槭腔谥讣y識別技術(shù)，拋棄了以前電子鎖的“密碼”和“智能卡”，使用人體與生俱來的生物特征—指紋，因此而達(dá)到了科技與人性之完美統(tǒng)一。指紋鎖在滿足人們對安全訴求的同時(shí)，使人們遠(yuǎn)離“記憶密碼的煩惱”和“攜帶卡片又怕丟”的擔(dān)心，真正的能夠做到了“既安全又便捷”。

　　實(shí)現(xiàn)這種“既安全又便捷”的指紋鎖，在產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)上需要從以下幾個(gè)方面考慮。

　　第一，在“安全性”上，不僅要考慮防破壞性開鎖，還要兼顧防技術(shù)性開鎖。采用指紋識別模塊，減除了鑰匙開鎖方式，基本上可以消除技術(shù)性開鎖的問題。

　　第二，要考慮重碼率，或者叫密鑰量。對于采用信息編碼的電子鎖而言，密鑰量一般不少于105。而對于采用生物識別技術(shù)的，密鑰量都在256個(gè)字節(jié)以上。其密碼強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的密碼。

　　第三，選用的指紋識別和指紋采集器件的性能直接影響著指紋鎖的安全性和易用性。雖然“指紋密鑰”的強(qiáng)度很大，理論上和實(shí)際中，仍然有誤識的情況發(fā)生，只是這種機(jī)率遠(yuǎn)比密碼和機(jī)械鑰匙小的多。

　　第四，指紋鎖是否增加了較多成本。指紋鎖相對于智能卡鎖、指紋鎖，并未增加多少成本。尤其是采用SIB8132單芯片解決方案后，可以把鎖的控制程序和指紋識別程序融合于一個(gè)MCU中。這也是目前全球唯一的單芯片設(shè)計(jì)方案，已經(jīng)被眾多公司實(shí)現(xiàn)。

　　圖1是功能較為全面的指紋鎖方案框圖。從圖中可以看出，內(nèi)置指紋識別功能的鎖具控制模塊即為SIB8132。它是整個(gè)指紋鎖的核心。SIB8132是32位低功耗專用處理器，內(nèi)置256K的ROM、RAM，以及256K FLASH Memory，最大可以存儲1000枚指紋數(shù)據(jù)。整個(gè)指紋的比對處理在片內(nèi)完成，250枚以內(nèi)1：N比對，1秒內(nèi)輸出結(jié)果。

　　圍繞SIB8132的是指紋鎖的輸入輸出模塊。這些模塊包括電源模塊、指紋采集頭、鍵盤、蜂鳴器、以及鎖具驅(qū)動(dòng)設(shè)備。LCD/LED顯示設(shè)備、通訊接口和調(diào)試接口是可選模塊，根據(jù)產(chǎn)品功能規(guī)格要求可以取舍。

　　具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　鎖具操作流程設(shè)計(jì)

　　對于像鎖具這種普通老百姓天天使用的產(chǎn)品來講，一個(gè)“簡單實(shí)用”的操作流程是非常重要的。操作流程設(shè)計(jì)以“最簡單”和“最合乎邏輯”為優(yōu)選原則。鎖具操作流程設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：

　　·子功能設(shè)置盡量獨(dú)立，減少按鍵復(fù)用。

　　·操作時(shí)按鍵次數(shù)盡量少，操作層級不超過2級。

　　指紋操作流程設(shè)計(jì)

　　為普通鎖增加指紋功能后，對于鎖的使用，客觀上帶來了一定的復(fù)雜度。當(dāng)然這只是體現(xiàn)在初次使用時(shí)的指紋登記操作上，指紋開鎖操作仍然是非常簡單的。

　　初次使用指紋鎖時(shí)，需要先存入指紋數(shù)據(jù)到鎖的控制模塊中。存儲指紋需要經(jīng)過“指紋采集”和“指紋判別”?！爸讣y采集”需要設(shè)計(jì)一個(gè)友好的操作序列來引導(dǎo)用戶順暢的采集指紋。在“指紋判別”時(shí)，需要根據(jù)“指紋質(zhì)量”給出回饋信息，以提示和幫助用戶輸入較好質(zhì)量的指紋。存儲的指紋數(shù)據(jù)通常稱為指紋模板，指紋模板的好壞直接影響后續(xù)指紋識別(開鎖)的準(zhǔn)確性。

　　在大多數(shù)場景下使用的指紋鎖，都會涉及“指紋管理”的問題。即由特定的管理員來授權(quán)其它人使用該指紋鎖?！爸讣y管理”包括指紋增加、指紋刪除(單個(gè))、指紋清除(全部)。甚至包括指紋編號管理，以及重復(fù)注冊的識別問題。

　　在安全等級要求更高的指紋鎖中，可能會涉及“雙指(多指)論證”—即由多個(gè)人的指紋串連驗(yàn)證通過才能開鎖的情況。這些涉及到“指紋管理”功能的需求，需要結(jié)合具體的應(yīng)用場景來完成流程設(shè)計(jì)。

　　核心控制模塊設(shè)計(jì)

　　指紋鎖的核心控制模塊是以SIB8132為核心設(shè)計(jì)的控制板。圖2兩圖分別是指紋控制板上的正面和背面。SIB8132是一個(gè)類似ARM7的32位高性能處理器。工作電壓3.3V，內(nèi)核工作電壓2.5V，最大工作電流75mA。256K的RAM、ROM使得編寫一個(gè)集密碼、遙控、指紋三者于一體的應(yīng)用程序綽綽有余。大小有14×14mm及10×10mm兩種。100個(gè)PIN引腳包含了3組UART、32位GPIO、主副I2C、8位并口、SPI等豐富的接口。這些接口便于處理器與更多的外設(shè)連接，從而能夠?qū)崿F(xiàn)功能更為強(qiáng)大的指紋鎖系統(tǒng)。因此對于目前市場上“多板拼接”的指紋鎖具方案，SIB8132具有更大的競爭優(yōu)勢。采用SIB8132處理器，真正可以做到“單板單芯”的控制模塊。

　　指紋采集設(shè)備選型

　　指紋采集設(shè)備是除了核心控制模塊外的最為重要的外設(shè)。它的性能優(yōu)劣關(guān)乎整個(gè)指紋鎖的質(zhì)量。指紋采集設(shè)備是使用者接觸最多的部件，是指紋數(shù)據(jù)生成的源頭。正因?yàn)樗唤佑|最多最頻繁，所以在選型時(shí)，耐用性和易用性是最先考慮因素。耐用性考量表現(xiàn)在手指接觸時(shí)的防靜電能力、耐磨耐腐蝕性、以及傳感靈敏度是否隨使用次數(shù)明顯下降等。一般認(rèn)為，光學(xué)指紋采集頭較為耐用，而采用半導(dǎo)體直接傳感的指紋采集頭較為靈敏。易用性表現(xiàn)在使用者的感受上。一般而言，按壓式即面狀指紋采集器使用簡單，手指一按即可采集指紋。按壓式的大小一般是15mm-25mm見方。除此之外，為了降低成本,以及為了適應(yīng)小型手持設(shè)備的需要，也有不少此類產(chǎn)品使用滑動(dòng)式即刮擦式傳感器，其大小僅有10×5mm見方左右。

　　當(dāng)然對于指紋鎖來講，用戶更為大眾化一些。所以，使用按壓式采集頭的會更多一些。低成本一點(diǎn)的使用光學(xué)按壓式指紋采集頭。高品質(zhì)一點(diǎn)的采用半導(dǎo)體按壓式指紋采集芯片(其中有半導(dǎo)體電容、半導(dǎo)體電感、半導(dǎo)體壓感三者常用傳感方式)。

　　電源模塊設(shè)計(jì)

　　電源模塊對于任何一個(gè)嵌入式系統(tǒng)都很重要，指紋鎖也不例外。對使用電池的指紋鎖產(chǎn)品來講，在電源設(shè)計(jì)上尤其要考慮供電方式、功耗、以及缺電等應(yīng)急情況。選用SIB8132，可以達(dá)到工作功耗不超過75mA。

　　在電源設(shè)計(jì)上，還需考慮低電壓報(bào)警的問題。低電壓報(bào)警是當(dāng)電池電量不足時(shí)，提前提醒用戶更換新電池的功能。在設(shè)計(jì)上要保證低電壓狀態(tài)下可用次數(shù)達(dá)到至少100次以上。如果在電量耗盡前，用戶仍未能換上足量電池，則需要鎖上有外接電源接口，以保證可以應(yīng)急開門。當(dāng)然，應(yīng)急的情況還包括電路系統(tǒng)失效的情況，這時(shí)可以考慮“雙機(jī)”模式，其安全性則更高。

　　輸入輸出設(shè)備選型
　　
　　輸入輸出設(shè)備根據(jù)產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)來選取。需要注意的是，如果功能較為復(fù)雜，配套LCD或LED數(shù)碼管是必要的。至少在指紋管理時(shí)，用于顯示指紋編號等信息。

　　設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分享

　　實(shí)現(xiàn)雙模工作

　　“雙模工作”是指指紋模塊既可以是主控工作模式，也可以是從屬工作模式。

　　因?yàn)椴煌a(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)不同，有時(shí)指紋識別模塊在整個(gè)系統(tǒng)中只扮演一個(gè)獨(dú)立的指紋識別功能，不執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯的控制，這種被稱為通用的指紋模塊。有時(shí)需要指紋識別模塊也能完成一些業(yè)務(wù)邏輯控制，這種稱為主控指紋模塊。通用指紋模塊是把指紋模塊當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立實(shí)體，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口(多為UART)與主MCU通訊。它在整個(gè)鎖中，只完成指紋存儲和指紋驗(yàn)證功能。而主控指紋模塊集業(yè)務(wù)邏輯與指紋識別于一體，功能更為強(qiáng)大、成本更有優(yōu)勢。

　　如前所述，SIB8132不僅可以作為指紋鎖的主控模塊使用，也可以作為指紋鎖的從屬模塊使用。SIB8132是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)這兩種工作模式的指紋專用芯片。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這種“雙模工作”方式，得益于SIB8132內(nèi)部一種被稱為PLUGIN的技術(shù)架構(gòu)。

　　單芯片優(yōu)勢

　　傳統(tǒng)的指紋鎖控制板多采用普通DSP來實(shí)現(xiàn)指紋識別功能。這種方式下，存儲指紋就需要外擴(kuò)存儲芯片。而且DSP不可以再編程，只能通過接口來控制它，因此還需一個(gè)主控MCU。而對于SIB8132來講，一是指紋存儲在片內(nèi)，無需外擴(kuò)存儲。二是SIB8132是可編程的，可以內(nèi)置應(yīng)用程序，并且可以接入眾多外設(shè)，因此還可能節(jié)省一個(gè)MCU。

　　這種單芯片指紋鎖應(yīng)用方案，在節(jié)省器件成本的同時(shí)，也減少了PCB板的大小，為產(chǎn)品ID設(shè)計(jì)留下更多空間。

　　柔性兼容

　　“柔性兼容”是指只需通過更改SIB8132的內(nèi)置程序就可實(shí)現(xiàn)對指紋傳感設(shè)備的前向兼容，甚至可以同時(shí)接入兩個(gè)指紋傳感器件。指紋傳感器市場不斷的在推陳出新，產(chǎn)品性能會隨著傳感技術(shù)的改進(jìn)而不斷提升?，F(xiàn)時(shí)的指紋模塊與指紋傳感器是一一綁定的。因此作為指紋鎖的產(chǎn)品廠商，更換指紋傳感器的成本相當(dāng)于更換整個(gè)指紋模塊的成本。而采用SIB8132的指紋模塊針對指紋傳感芯片的接入是靈活的、前瞻的。更換傳感器無需更換指紋模塊，只需要修改固件即可實(shí)現(xiàn)對新型傳感器的兼容。

　　結(jié)語

　　指紋鎖具市場已經(jīng)逐漸成為指紋應(yīng)用的主戰(zhàn)場。希望本文所述內(nèi)容能夠?yàn)閺V大讀者認(rèn)知指紋鎖具產(chǎn)品和技術(shù)起到一定的啟迪作用。同時(shí)在此申明，本文版權(quán)歸楊若冰先生所有，未經(jīng)書面同意，任何個(gè)人或機(jī)構(gòu)不能轉(zhuǎn)載。引用請注明出處。