一种高性能指纹锁硬件平台的设计

3．2 图像处理模块
指纹锁既要求稳定性好、识别速度快、准确率高，还要求体积小、功耗低，采集速度快。为了将PC机验证的指纹算法较好地移植到嵌入式系统中，选择合适的算法模块CPU塑封电感器至关重要。目前国内大多数采用“DSP+MCU”，“ARM+MCU”，或“FPGA+MCU”方式实现。在设计算法处理模块CPU时，分别对ARM、DSP和FPGA进行了比较：性功率电感器能较强的FPGA，但价格都较高，与该设计“民用”指纹锁低成本要求不符。而对于当今比较流行的嵌入式系统ARM和DSP，两者各有优点，应用的针对场合不同。结合该系统设计的技术要求和特点，考虑到器件性能高、功耗低。同时兼顾价格因素，该系统选用TI公司的TMS320C5509A作为处理器，实现指纹算法的移植。
3．3 底层控制模块及其他模块
设计指纹锁，除了要有完整的中功率电感器间构件——指纹识别模块，还需要配套的底层控制模块等基础构件。该系统选用高性能低功耗的MEGA8单片机作为底层控制模块的CPU处理器。该器件所实现的功能有：循环扫描键盘并进行相应处理；控制LED灯指示系统当前工作状态；驱动电机执行开关门锁动作；与DSP通讯交互信息等。如图2所示，单片机作为底层控制模块，其IO引脚控制其他器件，采用I2C与DSP进行信息交换。
软件设计时，MEGA8单片机上电后CPU启动进入复位状态，进行寄存器初始化，读取存储参数，设置外围传感器参数等工作。启动完毕，即进入工作状态，处理相应的各类底层驱动。进入休眠态前，存储好各项参数，保存现场，然后进入省电模式。

电源管理模块如图3所示，包括电源和电源管理器件。电源部分，该设计由4节1．5 V串联的干电池供电，此电压实际最高时为7 V左右，最低时为5 V，足以满足整体体统的电压要求。电源管理器件，选用手持设备中常用的低功耗高性能稳压器R1111N331B、XC62068152MR、XC6-206P332MR，输出33 V的整体电压和DSP 1．8 V的核心电压，这类器件的特点是它具有控制关断引引脚，在系统处于睡眠时，可以通过置位使能端，关断整个系统板的供电，从而达到低功耗节能的目的。

4 硬件调试
在硬件调试方面，规划和设计好指纹锁的电路原理图，对电路图进行PCB制版，要做的准备工作比较多。首先需要对PCB的设计经验丰富，包括元件封装库的选择、尺寸大小的设计，线路的布线、高速信号线的隔离以及并行走线等，都要非常注意。
例如：由于DSP的数据线是频率上百兆的信号，特别注意布线问题，否则将会影响工作的状态。系统第一次制版时，忽略了DSP数据线布局走线原则，在系统调试时，DSP全速运作，系统常出现“死机”现象。经校验发现：扁平型电感原理布局并没问题，问题集中在了走线规则上；第二制版改进了设计方案，根据高速数据线平行原则进行布线，最后整体硬件工作运行比较流畅。
另外，指纹识别脱机产品，一般要求体积尽量小，供电方便，这就对系统的硬件设计提出了几个要求：PCB板要尽量的小；定位孔设计合理方便安装；所选元件采用最小的封装；布线要细，但必须保证一定间距，不会产生互相干扰。经调试和多次测试，系统最后设计PCB电路板如图4所示。

5 结论
系统采用基于DSP的嵌入式技术，CMOS光学指纹传感器作为采集仪，综合应用CPLD和单片机技术，设计一个完整的、独立运行的指纹锁系统。经过对元器件的比较选择，功耗、采集速度、运行速度、设计布局的综合考虑，设计指纹锁硬件平台，经过指纹算法的测试，系统能稳定可靠的工作。它具有体积小、功耗低、使用安装方便的特点，非常适合于现代家庭的防盗门锁安装，能满足普通用户的需求。

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