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指纹识别在嵌入式IoT系统中的实现和设计要点

随着指纹识别在智能手机上面的普及，指纹识别技术在越来越多的场合中得到应用。除了手机应用之外，在移动支付、门禁系统、智能家庭等嵌入式场景中也逐渐普及开来。在系统实现上面，智能手机本身拥有强大的计算能力和丰富的内存资源，实现指纹识别并不困难，但在嵌入式系统中特别是基于MCU的应用场合，其运算能力、内存资源等都受到限制，本文介绍了一种基于单片机系统的指纹识别方案和设计要点。

如上图所示，这是一个WiFi指纹识别前端的系统框图，其应用场景是：手指按压指纹识别模块时，指纹数据被采集并传输到单片机，单片机经过识别算法对指纹数据进行处理后，把处理结果通过WiFi模块无线传输到云端参与身份识别的业务。

在具体实现上面，由于指纹识别算法涉及较多的浮点运算，以及需要暂存指纹点阵的原始数据和中间运算数据，故对于运算能力和存储空间有硬性的要求，在目前主流的单片机架构中Cortex-M4架构集成FPU浮点处理单元，在100MHZ主频下，其浮点数运算能力可以达到要求。指纹识别算法代码编译后占用上百K字节的代码空间，考虑到WiFi网络连接、应用层代码等整体上以1MB左右的Flash代码空间为宜，数据存储的需求以512KB的SRAM空间为宜。系统工作时，在指纹识别过程中需要强大的运算能力，而在没有指纹按压的时候则需要运行在低功耗状态，以适应嵌入式系统对功耗的要求。

在我们的方案中，选择了具有XIP特性的MCU，把代码存放在外置SPI Flash中并可以在系统执行，从而大大扩展了代码存储空间。外置SPI Flash中的代码在执行中由于需要内部Cache缓存，故执行速度略低。对于识别算法的核心代码，则可以在Boot阶段拷贝到SRAM中运行，从而提升运行速度。XIP + SRAM的代码空间分配方案兼顾了性能和成本，是此设计的一个亮点。

指纹识别芯片是系统实现的核心部件，当前比较主流的技术指标，要求指纹识别芯片基于电容技术、支持活体检测(Live Finger Detection)、按压式、采用玻璃盖板，可以实现360度任意方向的触摸，能够支持滑动导航。活体检测技术具有防止假指纹破解的特点，集成心率检测功能，方便用户实时查看心率值。传感器集成化方便整机厂商的设计和整机集成，使得其方便应用于嵌入式单片机系统。

指纹识别芯片和主机的数据接口要求在指纹数据采集的过程中达到5Mbps以上的传输速率，低于5Mbps的数据吞吐量将影响用户体验。UART、 I2C等低速接口在吞吐量上无法达到要求，SPI接口简洁而且传输速率完全可以达到要求，是最合适的通信接口。

指纹识别芯片周期性检测Pixel传感器区域是否有手指触摸，检测到传感器有手指触摸时，会立刻采集活体检测数据，数据采集完成后会通过中断通知Host读取，MCU读取完活体检测数据后芯片进行指纹扫描，指纹扫描开始后就会通过中断通知Host读取数据。指纹数据的扫描和Host数据的读取同步进行。

单片机接收到指纹芯片传输来的Pixel原始数据后通过识别算法运算后通过WiFi模块传输到云端。由于MCU本身资源的限制，WiFi模块本身需要集成WiFi驱动、TCP/IP协议栈，并可以做作为一个相对独立的单元运行应用层代码，这样就极大的减轻了MCU host端的负担. WiFi模块通过串口和MCU进行数据交互。推荐基于Qualcomm QCA4004的WiFi IoT模块。

低功耗和抗干扰也是系统设计的一个要点，指纹识别模块在没有手指按压时仍然周期性的进行传感器扫描，虽然功耗低于数据传输期间，但为适应电池供电的场合，希望在没有按键触摸期间可以关掉指纹识别模块的电源，为此如上图所示增加了触摸按键，检测到有手指靠近的时候打开指纹识别芯片的电源，进行指纹扫描采集数据，当长时间没有手指触摸的时候关闭指纹扫描模块的电源，从而达到降低功耗的目的。另外在数据采集期间为了防止触摸按键对指纹识别传感器的影响，在触摸按键后增加一级模拟开关，在采集开始前MCU输出一个控制信号将触摸按键的模拟信号进行隔离。

基于单片机指纹锁电子密码锁——总体设计方案

1系统功能描述

本系统是根据指纹采集，识别模块开发出的指纹识别电子密码锁系统。该系统使用一个搜索手指指纹模块，一旦搜索到手指，立即采集手指指纹图像，并且将所收集的图像以数据形式发送。它利用人类指纹各向异性和不变性，为用户提供加密。只需把你的手指平放在指纹采集仪的采集窗口上完成指纹采集，操作十分方便。其主要功能是通过液晶显示屏显示出了各个过程和指纹对比结果。采集指纹图像之前，指纹模块必须检测是否在传感器表面上出现手指，所以应该有这种指纹录入的功能。简单的描述本次设计的功能即使用指纹模块检测、录入指纹，将比对的数据显示在液晶屏幕上。本系统拥有一次最多录入300个指纹的能力。但是由于AS608的处理速度的限制，对于编号靠后的指纹查询需要很长时间，所以对于需要录入大量指纹的识别系统，应选用处理速度更快的指纹模块。

该系统的主要功能有以下几个方面：

1．录入指纹：系统预先要有录入指纹的功能，即将个人的指纹通过指纹采集器采集用户指纹的特征信息。

2．合成指纹模板并存储：通过光电转换后，将指纹特征值和对应的 ID 号存储到存储器中。只要有上传指纹的命令，模块可以立即将数据传送到指定位置。

3．搜索指纹库比对指纹：当有指纹录入时，模块会响应搜索指纹库比对指纹，同时液晶显示比对结果，发光二极管亮。

2系统总体框架

系统的总体框架是指根据设计任务要求，对系统所需元件、设备参数进行必要的计算，通过认真研究、分析、比较选定设备型号，再将设备、元件通过可靠的接口电路联系起来构成一个完整的系统。在系统的整体方案确定之前,先要明确设计要求，然后对系统硬件、软件进行设计，其中包括绘制原理框图、电路图，对原理进行必要说明，综合考虑系统的性能和稳定性要求，以保证所设计的系统达到预期的要求。通过查阅文献资料、综合分析考虑。主控芯片选用了STC89C52单片机。系统总体框图如图所示

该系统以STC89C52作为主控单元，指纹模块通过串口通信与其建立联系，采用串口通信协议进行程序的编写，然后根据指纹模块AS608的数据手册进行指纹录入与识别的程序编写。在指纹的录入选择中，可通过矩阵键盘（逐行扫描法）中设定好的按键进入系统的管理选项，管理选项中包含①添加指纹②清空指纹库③修改管理员密码，同时这也可以通过按键进行选择并确认。LCD12864（带中文字库）与主控单元采用的是并口通信，虽然这也占用I/O口较多，但是处理速度更快，对于液晶的中文字的显示，因为自带中文字库，所以可以直接进行中文数组的编写显示。在一个系统中，掉电数据不丢失是一个非常关键的一环，由于该单片机内部没有掉电存储功能，其ROM和RAM的功能分别是，ROM虽然掉电不丢失数据，但是无法进行写操作；RAM虽然能够进行读写，但是数据掉电丢失。所以鉴于此选用了AT24C02芯片进行E2PROM的扩展，AT24C02是IIC接口，由于该单片机没有专门的IIC接口，所以系统采用了模拟IIC通信，并根据IIC通信协议进行了程序编写，能够对数据进行掉电保存。

下次将继续更新系统硬件设计......