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指纹锁设计

指纹锁设计

设计背?景

  人们使用锁具的方式在不断的发生着变化。从机械锁到电子锁,锁具行业跨出$了巨大的一步,同′时也给人们的生活带来到了重㏄大的改?进。而如今,“生物识别技术”在全球范@围内的兴起,正在推动锁具行业的又一次技术革新,这必将引领“指纹锁∮”时代的到来。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/articl?e/201706/mol348530.htm

 ? 据锁业专家统计,目前全国锁具销售量每年约在?22亿把以上。经过数年市?场酝酿,市场对指纹锁的需求正日益俱增。据估算,包括?金融、军警、办公在内的商用市场每年有约500万套的市场需求。民用市场成熟后,每年至少商用市场的需求量。在未来的数年内,指纹锁具将占居锁具市场的最大份额,成为中国锁业的一个转折点。

  正是在这样的市场背景下,新加坡蓝科有限公司推出了∷可以应用指纹锁具∩的SIB81♀32指纹识别专用芯片。在此,将这款指纹识别专业芯片的设计体会与读者分<享。

  总体设计

  严格来讲,指纹锁是电子锁的一种。只不过因为是基于指纹锁设计指纹识别技术,抛弃了以前电子锁的&ldqu?o;密码m”和“智能卡”,使用?人体与生俱来的生物特征—指纹,因此?而达到了科?技与人性之完美统一。指纹锁在满足人们对安全诉求的同时,?使人们远离“记忆密码的烦恼&rdq?uo;和“携/带卡片又怕丢&rd?quo;的担心?,真正的能够做到?了“既安全又便捷”。

  实现这种&l??d?3quo;既安全又便捷⊕”的指纹锁,在产品总体设计上需要从以下几个方面考虑。

  第÷一?,在“安全性”上,不仅要考虑防破坏性开锁,还要兼顾防技术性开锁。采用指纹识别模块,±减除了钥匙开锁方式,∨基本上可以消除技术性开锁的问题。

  第二,要考虑重码率,或者叫密﹢钥量。对√于采?用信息编码的电子锁而言,密钥量一般不少于105=。而对于采用生物识别技术的,密2钥量都在256个字节以上。其密码强度远远大于现有的密码。

  第三,选用的指纹识别和?指纹采集器件的性能直接影响着指纹锁的安全性和易用性。虽然&ldquo㎎;指纹密钥”的强度很大,理论上和实际中,仍然有误识的情况发生,只是这种机率远比密码和机械钥匙小的多。

  ∣第四,指纹锁是否增加?了较多成本。指纹锁相对于智能卡锁、指纹锁,并未增?加多少成本。尤其是采用SIB8132单芯片解决方案后,可以把锁的控制程序和指纹识别程?序融合于一个MCU中。这也是目前全球?唯一的单芯片设计方案,◎已经被≠众?多公司实现。

 ? 图1是功能较为全面的指纹锁方案框≦图。从图中可以看出,内置指纹识别功能的锁具控制模块即为SIB8132。它是≡整个指纹锁的核心。SIB8132是32位低功耗专用处理器,内置25≮6K的RO?M、R?A?M,以及256K FLASH Memory,最大可以存储1000枚指纹数据。整个指纹的比对处理在片内完成,250枚以内1:N比对,1秒内输出结果。

  围绕SIB81㎡32的是指纹锁的输入输出模块。这些模块包括电m源模块、?指纹采集?头、键盘、蜂鸣器¬、以及锁具驱动设备。LCD/LED显示设备、通讯接口和调试接口是可㎝选模块,根据产品功能规格?要求可以取舍。∶

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  具体设计要点

  锁具操作流程设计

  对∟于像锁具这种普通老百姓天?天使用的产?品来讲,一个&?ldquo;简单实用”的操作流程是非常重要的。操作流程设计以“最简单&rdq⊿uo;和&ldq﹣uo;最合乎逻辑”为优选原则。锁具操?作流程设计时需要注意:

  ·子功能设置尽量独立,减少按键复用。

  ·操作时按键次数尽量少,操作层级不超?过2级。

  指纹操作流程设计

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  为普通锁增加指纹功能后,对于锁的使用,客观上﹣带来∞了一定的复杂度。当然这只是体现在初次使?用时的指纹登?记操作上,指纹开锁操作仍然是非常简单?的。

  初次使用指纹锁时,需要先∴存入指纹数据到锁的控制模块中。存?储指纹需要经过&ld?quo;指纹采集”和“≥指纹判别”。“指纹采集”需要设计一个友好的操作序列来引导用户顺畅?的采集指纹∵。在“指㎜纹判别”时,需要根据&ldquo?;指纹质量”给出回馈信息,以提示和帮助用户输入较?好质量的指纹。存储ml的指纹数据通常称为指纹模板,指纹模板的好坏直接影响后续指纹识别(开锁)的准确性。

  在大多数场景下使用的指纹锁,都会涉?及&ldoquo;指纹管理”的问题。即由特定的管理员来授权其它人使用该指纹锁。“指纹管理&r?dqu?o;包括指纹增加、指纹删除(单个)?、指㏕纹清除(全部)?。甚至包括指纹编号管?理,以及重复注册的识别问题。

  在安全等级要求更高的指纹锁×中,可㈱能会涉及“双指(﹥多指)论证”—即由多个人的指纹串连验证通过才能开锁的情况。这些涉及到“指纹管理”功能的需求,需要?结合?具体的应用场?景来完成流程设计。

  核心控制模块设计

  指纹锁的核心控制模块是以SIB8132为核心设计的♂控制板。℡图2两图=分别是?指纹控制板上的正面和背面。SIB8132是一个类似ARM7的32位高性能处理器。工作电压3.3V,内核工作电压2.5V,最大工作电流75mA。256K的RAM、ROM使得编写一个集密码、遥控、指纹三者于一体的应用程序绰绰有余。大小有14&time£s;14m∪m及10×10mm两种。?100个PIN引脚包含了3组UART、3㎞2位GPIO、主副I2C、8位并口、SPI等丰富的接口。这些接口便于处理器与更多的外设连接,从而能够实※?现功能更为强大的?指纹?锁系统。因此对于目前市场上“多板拼接&r¥dquo;的指纹锁具方案,SIB8132具有更大的竞争优势。采用SIB8132μ处理器,真正可以做∧到“单板单芯”的控制模块。

  指纹采集设备选型

  指纹采集设备是除了核心控制模块外的最3为重要的外设。它的性能优劣关乎整个指纹锁的质量。指纹采集设备是使用者接触最多的部件,是指纹数据生成的源头。正因为它被接触最多最频繁,所以在选型时,耐用性和易用性是最先考虑因素。耐用性考量表现在?手指接触时的?防﹢静电能力、耐磨耐腐蚀⌒性、以及传感灵敏度是否随使用次数明显下降等*。一般认为,光学指?纹∏采集头较为耐用,而采用半导体直接传感的指纹采集头≤较为灵敏。易用性℃表现在使用者的感受上。一般而言,按压式即面状指纹采集器使用简单,手指一按即可采集指纹。按≧压式的大小一般是15mm-25mm见方。除此之外,为了∷降低成本,以及为了适?应小型?手持设备的需要,也有不少?此类产品使用滑动式即刮擦式传感器,其大小仅有10&t?imes;5mm见方左℅右。

  当然对于指纹锁来讲,用户更为大众化一些。所∝以,使用按压式?采集头的会更多一些。低成本一点的使用光学按压式指纹采集头。高品质一点的采用半导体按压式指纹采?集芯片(其中有半导体″电容≯、半导体电感、半?导体压感三者常用传感方式)。

  电源模块设计

  电源模块对于任何一个嵌?入式系统都很重?要,指纹锁也不例外。?对使用电池的?指纹锁产品来讲,在电源设计上尤其要考虑供电方式、功耗、以及缺电等应急情况。选用SIB8132,可以达到∫工作功耗不超过75mA。

  在电源设计?上,还需考虑低电压报警的问题。低电压报警是当电池电量不足时,提前提醒用户更换新电池的功能。在设计上要保证低电压状态下可用次数达到至少100次以上。如果在电量耗尽前,用户仍未能换上足量电池,则需⊥要锁上有外接电源接口,以保证可以应急开门。当然,应急的情况还包括电路系统失效的情况,?这时可以考虑“双机&rd*quo;模式,其安全性则更高。

  ℉输入输出设备选型
  
  输入输出设>备根据产品功能设计来选取。需要注意的是,如果功能较为复杂,配套LCD+或LED数码管是必要的。⊙至少在指纹管理时,用于显示指纹编号等信息。

 × 设计经验分享

  实现双模工作

  ¢“双模工作”?是指指纹模块既可以是主控工作模式,也可以是从属工作模式。

  因为不同产品的∈功能设计不同,有时指纹识别模块在整个系统中只扮演一个?独立的指纹识别功能,不执行业务逻辑的控制,这种被称为通用的指纹模块。%有时需要指纹识别模块也能完成一些业务逻辑控制,这种称为主控指?纹模块。通用指纹模块是把指纹‖模块当作一个独立实体,通过标准数据接口(多为UART)与主MCU通讯。它在整个锁中,?只完成指纹存储和?指?纹验证功能。而??主§控指纹模块集业务逻辑与指纹识别于一体,功能更为强大、成本更有?优势。

  如前所述,SIB8132不仅可以作为指纹锁的主控模块?使用,也可以作为指纹锁的从属模块使用。SI?B8132是目前唯一能够实现这两种工作模式的?指纹专用芯片。之所以能够实现这种¥“双模工作”方式,得益于SIB8?132内部一种被称为PLU?GIN?≈的技术架构。

  单芯片优势

  传统﹤的指纹锁控制板多采用普通DSP来实现指纹识别功∽能。1这种方式下,存储指纹就需要外扩存储芯片。而且DSP不可以再编程,只能通过接口来控制它,因此还需一个主控MCU。而对于SIB813 ?2来讲,一是指纹存储在片内,无需外¤扩存储。二是SIB8132-是可编程的,可以内置应用?程序,并且可以?接入众多外设,因此还可?能节省一个MCU。

  这种单芯片指纹锁应用方案,在节省器件成本的同№时,也减少了PCB板的大小∥,为产?品ID设计留下更多空间。≌

  柔性兼容

  “柔性兼容&r㎏dquo;是指只需通?过更改SIB8132的内置程序就㏑可实现对指纹传感设备的前向兼容,甚至可以同时接入两个指纹传感器件。指?纹传感?器市场不断的在推陈出新,产品性能会随?着传感技术的改进而㏒不断提升。现时的指纹模块与指纹传感器是一‰一绑定?的。因此作为指纹锁的产品厂商,更换?指纹传感器的成本相当于更换整个指纹模块的成本。而采用SIB8132的指纹模块针对指纹传感芯片的接入是灵活的、前瞻的。更换°传感器·无需更换指纹模〒块,只需要修改固件即可实现对新型∠传感器的兼容。

  结语

?  指纹锁具£市场已经逐渐成为指纹应用的主战场。希望本文所述内容能够为广大?∑读者认知指纹锁具产品和技术起到一定的启迪作用。同时在此申明,本文%版权归杨若冰先生所有,未经书面?同意,任何个人或机构不能转载。引用请注明出处。

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