指紋識別系統(tǒng)的一種低功耗實現(xiàn)方法與應(yīng)用

張金剛，林喜榮，戴曉清，李建榮

（1.清華大學(xué) 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(dǎo)體工藝的進(jìn)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(yīng)用和推廣。目前指紋識別系統(tǒng)主要采用具有高速數(shù)據(jù)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(yīng)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(shè)備中的應(yīng)用。因此，在保證指紋識別系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，大幅降低系統(tǒng)功耗將會大大增加系統(tǒng)的應(yīng)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(shù)瓶頸[1-4]。

本文提出一種雙控制核心的系統(tǒng)架構(gòu)來實現(xiàn)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(xiàn)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(shè)備，保證系統(tǒng)在待機狀態(tài)下的低功耗。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 指紋處理與認(rèn)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(rèn)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(nèi)RAM供CPU運行使用，內(nèi)部集成64 kbyte程序ROM。

3）內(nèi)部集成指紋識別加速器，在32 MHz時鐘下，1∶1認(rèn)證時間小于0.8 s。

4）內(nèi)置JTAG接口，方便在線調(diào)試。

5）供電電壓3.3 V，內(nèi)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(shè)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(shè)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(qū)動下，實現(xiàn)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(shè)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(xiàn)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(shè)的支持。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分成指紋識別模塊和外設(shè)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(xiàn)指紋圖像的采集、預(yù)處理、特征提取和匹配等指紋識別的全部功能；MSP430F149作為外設(shè)主控中心負(fù)責(zé)系統(tǒng)的輸入、輸出、存儲及執(zhí)行機構(gòu)。2個功能模塊通過改進(jìn)的SPI協(xié)議進(jìn)行通信，ML67Q5250將指紋識別的結(jié)果發(fā)送給MSP430F149，MSP430F149再將指紋識別結(jié)果轉(zhuǎn)化為對執(zhí)行機構(gòu)的控制，不同的執(zhí)行機構(gòu)接口可以實現(xiàn)多種應(yīng)用。如果將電機作為執(zhí)行機構(gòu)可以實現(xiàn)指紋鎖、指紋保險箱等，如果將指紋識別結(jié)果作為加密密鑰，則可以實現(xiàn)指紋文檔加密的功能等。

2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)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(shè)計上，針對不同類型的傳感器，需要開發(fā)相應(yīng)的不同驅(qū)動程序。驅(qū)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(zhuǎn)化為ML67Q5250要求的標(biāo)準(zhǔn)格式，最后將數(shù)據(jù)傳送給ML67Q5250。

實驗中，為了兼容多種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計了一個集成接口，如圖2所示，可以在不更改硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上同時兼容4種傳感器，分別是美國AuthenTec公司生產(chǎn)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(qū)動及系統(tǒng)擴展的需求，指紋識別模塊硬件結(jié)構(gòu)及程序架構(gòu)采用了分層及模組化設(shè)計，如圖3所示。

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

1）初始化必要的硬件設(shè)備、初始化指紋模塊驅(qū)動庫。

2）進(jìn)入主狀態(tài)機循環(huán)，如圖4所示。

3）響應(yīng)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(jié)果給MSP430。

2.2 顯示功能模塊

2.2.1 液晶基礎(chǔ)驅(qū)動程序

顯示功能的實現(xiàn)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(qū)動及顯示控制采用分層設(shè)計思想，如圖5所示。

LCD基礎(chǔ)驅(qū)動程序由3個功能層組成，其中驅(qū)動層的任務(wù)在于根據(jù)實際的硬件連接對使用到的端口進(jìn)行定義及配置，并負(fù)責(zé)MSP430F149與液晶模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，包括初始化模塊、讀寫控制指令、寫數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)、LCD復(fù)位等子函數(shù)功能；功能函數(shù)層提供了供用戶應(yīng)用程序中調(diào)用的液晶顯示驅(qū)動的API接口函數(shù)，如寫ASCII字符、寫漢字字符、刪除字符、畫特殊符號等功能函數(shù)；應(yīng)用層可以根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境調(diào)用API接口函數(shù)編寫相應(yīng)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(shè)計的重點在于界面的多級顯示、滾屏、光標(biāo)的管理以及參數(shù)的交互設(shè)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(xiàn)。

滾屏功能的實現(xiàn)采用了一種“序標(biāo)設(shè)計法”，設(shè)置了3 個序號標(biāo)志量 First_Index，Active_Index，Temp_Index，其中First_Index指示當(dāng)前處在顯示屏中最前面的菜單項序號，Active_Index指示當(dāng)前指向的菜單項，即當(dāng)前活動的菜單項序號，Temp_Index是一個中間變量，作用在于當(dāng)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(xiàn)采用了一種層標(biāo)設(shè)計法，設(shè)置了層標(biāo)志量Floor，初始值為0，根據(jù)菜單的級數(shù)加1或減1，再結(jié)合Active_Index標(biāo)志量便可以準(zhǔn)確進(jìn)入相應(yīng)的子菜單項，從而能夠?qū)崿F(xiàn)多級顯示。

參數(shù)的交互設(shè)置及保存方法是系統(tǒng)在內(nèi)存中的特定區(qū)域開辟了一塊緩沖區(qū)，用來存放參量數(shù)據(jù)。當(dāng)更改參量值時，LCD從此緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)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(yīng)的地址中去；當(dāng)需要顯示參量值時，MCU將E2PROM中的數(shù)據(jù)讀出到緩沖區(qū)中，再被LCD讀取并顯示出來。

2.2.3 小結(jié)

基于分層設(shè)計思想的液晶基礎(chǔ)驅(qū)動架構(gòu)只須更改底層驅(qū)動的配置文件，功能函數(shù)層和應(yīng)用層不用任何改動，就可以移植到不同的LCD上；基于序標(biāo)和層標(biāo)設(shè)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(yīng)用系統(tǒng)的使用。

2.3 鍵盤輸入模塊

為滿足不同應(yīng)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?dāng)?shù)字、26個英文字母及簡單符號等功能，為節(jié)省按鍵數(shù)量，系統(tǒng)模擬手機鍵盤的輸入方式，采用數(shù)字和字母復(fù)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(shù)字或字母輸入方式。

數(shù)字輸入方式下每個按鍵代表一個數(shù)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(yīng)的第1個字母。

2）在一定時間內(nèi)連續(xù)第2次按下按鍵，切換成該按鍵對應(yīng)的第2個字母。

3）在一定時間內(nèi)連續(xù)第3次按下按鍵，切換成該按鍵對應(yīng)的第3個字母，直到該按鍵對應(yīng)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(dāng)前字母顯示，光標(biāo)切換到下一個位置開始新一個字母顯示。

圖6 復(fù)合鍵盤結(jié)構(gòu)

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(biāo)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(dāng)一個按鍵按住不放超過一定時間則顯示該按鍵對應(yīng)的數(shù)字。

通過分析按鍵按下所產(chǎn)生的電平圖如圖7所示，設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志量及定時器可以實現(xiàn)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(shè)置標(biāo)志量KEYEVENT標(biāo)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(shè)置標(biāo)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(nèi)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(xiàn)輸入及顯示；若在0.75 s內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)具體應(yīng)用情況具體設(shè)置，滿足實際應(yīng)用情況，實驗測試該方法實現(xiàn)的按鍵輸入穩(wěn)定準(zhǔn)確，符合多數(shù)用戶的使用習(xí)慣。

圖7 按鍵電平分析圖

3 系統(tǒng)實例應(yīng)用及測試總結(jié)

采用分層及分模塊設(shè)計的程序結(jié)構(gòu)使得本系統(tǒng)方便針對不同應(yīng)用環(huán)境擴展相應(yīng)功能，在實例中，寫入指紋門鎖控制程序，執(zhí)行機構(gòu)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(jìn)行相應(yīng)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(jù)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(shù)據(jù)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(jù)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(jié)果可以看出，雙控制核心的系統(tǒng)架構(gòu)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(shè)的控制，而將控制功能轉(zhuǎn)移到功耗更低的MSP430中，使得指紋認(rèn)證處理的電流消耗進(jìn)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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