張金剛，林喜榮，戴曉清，李建榮

（1.清華大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2.廣東省陽江市納安科技有限公司，廣東 陽江 529500）

0 引言

隨著半導體工藝的進步，指紋圖像的采集變得越來越容易，這就加快了指紋識別系統(tǒng)的應用和推廣。目前指紋識別系統(tǒng)主要采用具有高速數據運算能力的DSP或者基于ARM核的處理器芯片來完成算法處理和識別，高性能芯片的應用不可避免地將系統(tǒng)的整體功耗限制在了一定的水平上，影響了系統(tǒng)在需要電池供電的便攜式設備中的應用。因此，在保證指紋識別系統(tǒng)高效、準確的基礎上，大幅降低系統(tǒng)功耗將會大大增加系統(tǒng)的應用范圍及在電池供電下的連續(xù)使用時間，解決指紋識別系統(tǒng)推廣和普及的一個技術瓶頸[1-4]。

本文提出一種雙控制核心的系統(tǒng)架構來實現指紋識別系統(tǒng)的高性能和低功耗之間的矛盾，以基于ARM核的ML67Q5250實現指紋采集、圖像處理以及識別算法，以超低功耗的MSP430F149的單片機[5-6]控制外圍設備，保證系統(tǒng)在待機狀態(tài)下的低功耗。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

1.1 指紋處理與認證芯片ML67Q5250

ML67Q5250是日本沖電氣（OKI）公司開發(fā)的一款指紋處理與認證專用芯片。該芯片采用ARM7TDMI核心，既具有強大的運算能力，也具備ARM系列豐富的控制功能。它的主要性能特點及優(yōu)勢如下：

1）32位RISC CPU（ARM7TDMI），時鐘頻率可編程為1 MHz，6 MHz，16 MHz，32 MHz。

2）具有16 kbyte片內RAM供CPU運行使用，內部集成64 kbyte程序ROM。

3）內部集成指紋識別加速器，在32 MHz時鐘下，1∶1認證時間小于0.8 s。

4）內置JTAG接口，方便在線調試。

5）供電電壓3.3 V，內核工作電壓2.5 V，工作電流100 mA，待機電流30 μA。

6）支持多種接口，具有2個全速SPI通道，1個全雙工通用異步收發(fā)器SIO（UART），一個8位同步串行接口SSIO，1個USB2.0全速設備控制器，可以連接多種劃擦式和面接觸式指紋傳感器。

1.2 外設主控芯片MSP430F149

MSP430F149[5]是TI公司開發(fā)的一款具備超低功耗的16位微控制器，具有5級節(jié)能模式。它的主要性能特點及優(yōu)勢如下：

1）強大的處理能力。16位RISC單片機，在8 MHz晶體驅動下，實現125 ns的指令周期。

2）靈活的時鐘系統(tǒng)。I/O和CPU采用不用的時鐘系統(tǒng)，高速時鐘（MCLK）滿足CPU高速運行，低速時鐘（ACLK，SMCLK）滿足低速外設及低功耗需求。

3）超低功耗。供電范圍1.8～3.6 V，在活動模式下功耗為200 μA@1 MHz，2.2 V，待機模式下功耗為0.6 μA。

4）豐富的片上外圍模塊。包括看門狗（WDT）、定時器A、定時器B、基本定時器、2個通用異步串口收發(fā)器、1個12位A/D、16個可實現方向控制及中斷功能的并行輸入輸出端口等，可以滿足對多種外設的支持。

1.3 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)結構如圖1所示，分成指紋識別模塊和外設主控系統(tǒng)這2個獨立的模塊。指紋識別模塊以ML67Q5250為主控中心可以實現指紋圖像的采集、預處理、特征提取和匹配等指紋識別的全部功能；MSP430F149作為外設主控中心負責系統(tǒng)的輸入、輸出、存儲及執(zhí)行機構。2個功能模塊通過改進的SPI協(xié)議進行通信，ML67Q5250將指紋識別的結果發(fā)送給MSP430F149，MSP430F149再將指紋識別結果轉化為對執(zhí)行機構的控制，不同的執(zhí)行機構接口可以實現多種應用。如果將電機作為執(zhí)行機構可以實現指紋鎖、指紋保險箱等，如果將指紋識別結果作為加密密鑰，則可以實現指紋文檔加密的功能等。

2 系統(tǒng)主要功能模塊設計

2.1 指紋識別模塊

ML67Q5250具有多種接口，可以兼容多種指紋傳感器，在程序設計上，針對不同類型的傳感器，需要開發(fā)相應的不同驅動程序。驅動程序的主要工作包括初始化傳感器、控制傳感器采集指紋圖像、將圖像轉化為ML67Q5250要求的標準格式，最后將數據傳送給ML67Q5250。

實驗中，為了兼容多種傳感器，系統(tǒng)設計了一個集成接口，如圖2所示，可以在不更改硬件結構的基礎上同時兼容4種傳感器，分別是美國AuthenTec公司生產的劃擦式電容傳感器AES2510，面接觸式電容傳感器AES3400和AFS8600，以及瑞典FingerPrints公司推出的面接觸式電容傳感器FPC1011C。

為了方便開發(fā)不同傳感器驅動及系統(tǒng)擴展的需求，指紋識別模塊硬件結構及程序架構采用了分層及模組化設計，如圖3所示。

圖3中，傳感器驅動是指紋圖像傳感器的驅動，需要根據不同的傳感器編寫；指紋硬件加速驅動主要實現從指紋圖像生成模板及指紋特征模板匹配的功能；指紋認證引擎提供了指紋認證的方案，實現指紋的注冊、認證和刪除等功能。具體實現功能包括：

1）初始化必要的硬件設備、初始化指紋模塊驅動庫。

2）進入主狀態(tài)機循環(huán)，如圖4所示。

3）響應MSP430的控制信號，完成主狀態(tài)機循環(huán)的狀態(tài)切換。

4）輸出指示狀態(tài)及結果給MSP430。

2.2 顯示功能模塊

2.2.1 液晶基礎驅動程序

顯示功能的實現采用一塊128×64的點陣液晶屏（LCD）與MSP430F149通過6800總線連接。液晶的驅動及顯示控制采用分層設計思想，如圖5所示。

LCD基礎驅動程序由3個功能層組成，其中驅動層的任務在于根據實際的硬件連接對使用到的端口進行定義及配置，并負責MSP430F149與液晶模塊進行數據傳輸的任務，包括初始化模塊、讀寫控制指令、寫數據、讀數據、LCD復位等子函數功能；功能函數層提供了供用戶應用程序中調用的液晶顯示驅動的API接口函數，如寫ASCII字符、寫漢字字符、刪除字符、畫特殊符號等功能函數；應用層可以根據具體的應用環(huán)境調用API接口函數編寫相應的用戶程序，如本系統(tǒng)的人機交互多級菜單界面就在該層中編寫。

2.2.2 人機交互多級菜單界面

人機交互設計的重點在于界面的多級顯示、滾屏、光標的管理以及參數的交互設置及保存等，這些功能主要通過3個控制按鍵（向上、向下、確定）來實現。

滾屏功能的實現采用了一種“序標設計法”，設置了3 個序號標志量 First_Index，Active_Index，Temp_Index，其中First_Index指示當前處在顯示屏中最前面的菜單項序號，Active_Index指示當前指向的菜單項，即當前活動的菜單項序號，Temp_Index是一個中間變量，作用在于當菜單項過多，超出一屏能顯示的范圍時，能滾動顯示多出菜單項。

多級菜單的實現采用了一種層標設計法，設置了層標志量Floor，初始值為0，根據菜單的級數加1或減1，再結合Active_Index標志量便可以準確進入相應的子菜單項，從而能夠實現多級顯示。

參數的交互設置及保存方法是系統(tǒng)在內存中的特定區(qū)域開辟了一塊緩沖區(qū)，用來存放參量數據。當更改參量值時，LCD從此緩沖區(qū)讀取數據到LCD的顯示RAM中，同時MCU將參量值保存到存儲系統(tǒng)E2PROM對應的地址中去；當需要顯示參量值時，MCU將E2PROM中的數據讀出到緩沖區(qū)中，再被LCD讀取并顯示出來。

2.2.3 小結

基于分層設計思想的液晶基礎驅動架構只須更改底層驅動的配置文件，功能函數層和應用層不用任何改動，就可以移植到不同的LCD上；基于序標和層標設計法的多級菜單可以輕松擴展到任意級，便可滿足不同實際應用系統(tǒng)的使用。

2.3 鍵盤輸入模塊

為滿足不同應用場合的需求及系統(tǒng)擴展的要求，鍵盤輸入系統(tǒng)要求能輸入阿拉伯數字、26個英文字母及簡單符號等功能，為節(jié)省按鍵數量，系統(tǒng)模擬手機鍵盤的輸入方式，采用數字和字母復合輸入，如圖6所示，右下角的“*”號鍵為輸入法切換鍵，可以切換數字或字母輸入方式。

數字輸入方式下每個按鍵代表一個數字。字母輸入方式下，每個按鍵代表3～4個字母，需要切換顯示，具體的功能分析如下：

1）首次按下按鍵，顯示該按鍵對應的第1個字母。

2）在一定時間內連續(xù)第2次按下按鍵，切換成該按鍵對應的第2個字母。

3）在一定時間內連續(xù)第3次按下按鍵，切換成該按鍵對應的第3個字母，直到該按鍵對應字母全部切換完，然后從頭開始。

4）超出一定的時間間隔再按下相同按鍵，則保持當前字母顯示，光標切換到下一個位置開始新一個字母顯示。

圖6 復合鍵盤結構

5）2次分別按下不同按鍵，則保持第1次按鍵字母顯示，光標切換到下一個位置，開始第2次按鍵所代表字母的顯示。

6）長按功能，當一個按鍵按住不放超過一定時間則顯示該按鍵對應的數字。

通過分析按鍵按下所產生的電平圖如圖7所示，設置相應的標志量及定時器可以實現上述功能。完成一次按鍵操作的電平變化是由高到低，再由低到高，可設置標志量KEYEVENT標志此事件，完成上述的第1項功能；在按鍵按下的瞬間，電平由高變低，此時啟動定時器TIM?ER0，并設置標志量Key_Down記錄此事件，定時器TIM?ER0每隔20 ms監(jiān)測一次按鍵值。若超過1 s（TIMER?OUT0）按鍵還處于按下狀態(tài)，則判斷按鍵為“長按”，完成上述的第6項功能；若1 s的時間內按鍵抬起，則此時停止定時器TIMER0，開啟定時器TIMER1，等待下一次按鍵的按下。若超過0.75 s（TIMEROUT1）無按鍵按下，則按上述第4項功能實現輸入及顯示；若在0.75 s內監(jiān)測到有第2次按鍵按下，若2次按鍵值不同，則按上述第5項功能實現輸入及顯示，若2次按鍵值相同，則按上述第2、第3項功能實現輸入及顯示。至此完成按鍵字母輸入方式的全部功能，且TIMEROUT0和TIMEROUT1值可以根據具體應用情況具體設置，滿足實際應用情況，實驗測試該方法實現的按鍵輸入穩(wěn)定準確，符合多數用戶的使用習慣。

圖7 按鍵電平分析圖

3 系統(tǒng)實例應用及測試總結

采用分層及分模塊設計的程序結構使得本系統(tǒng)方便針對不同應用環(huán)境擴展相應功能，在實例中，寫入指紋門鎖控制程序，執(zhí)行機構配備為微型減速直流電機，即可模擬指紋門鎖的工作狀況，并可進行相應的功耗測試。

在用戶注冊的過程中，在不開啟液晶屏背光的情況下，根據耗電量的不同，將注冊過程分成系統(tǒng)休眠環(huán)節(jié)、啟動等待注冊環(huán)節(jié)、采集指紋環(huán)節(jié)和注冊成功環(huán)節(jié)，分別用HI，WI，CI，SI代表各環(huán)節(jié)的電流值，測試數據如表1所示。

在用戶驗證過程中，在不開啟液晶屏背光的情況下，根據耗電量的不同，將驗證環(huán)節(jié)分成系統(tǒng)休眠環(huán)節(jié)、啟動等待驗證環(huán)節(jié)、采集指紋環(huán)節(jié)、驗證成功電機轉動環(huán)節(jié)，分別用HI2，WI2，CI2，SI2代表各環(huán)節(jié)的電流值，測試數據如表2所示。

表1 用戶注冊各環(huán)節(jié)電流值

表2 用戶驗證各環(huán)節(jié)電流值

在上述過程中若開啟液晶屏背光，則電流值會增加55～60 mA。

在不開啟液晶背光的情況下，以每次開鎖耗時6 s，每天開鎖6次計算，該指紋識別門鎖系統(tǒng)一天的耗電量約為1.669 mA·h。用普通5號干電池供電，1節(jié)電量以1 500 mA·h計算，1節(jié)干電池可支持指紋系統(tǒng)運行898天，近兩年半的時間。

若開鎖時開啟液晶背光，還是以每次開鎖耗時6 s，每天開鎖6次計算，該指紋識別門鎖系統(tǒng)一天的耗電量約為2.244 mA·h。用普通5號干電池供電，1節(jié)電量以1 500 mA·h計算，1節(jié)干電池可支持指紋系統(tǒng)運行668天，近22個月的時間。

從實驗結果可以看出，雙控制核心的系統(tǒng)架構極大降低了系統(tǒng)在待機狀態(tài)下的電流消耗，同時在指紋采集、處理和識別的過程中，減少了ML67Q5250對外設的控制，而將控制功能轉移到功耗更低的MSP430中，使得指紋認證處理的電流消耗進一步降低，從而極大延長了電池供電指紋識別系統(tǒng)的使用時間。

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