具有紅外接口的低功耗指紋鎖的研制

　　1 引言 

　　隨著指紋識(shí)別算法的成熟，以及微處理器功能與速度的不斷提高，復(fù)雜的指紋識(shí)別門鎖控制算法已可以被固化到一塊體積非常小的嵌入式微處理器模塊上，這使得用指紋來(lái)代替“IC 卡+密碼”的門禁鎖具成為可能。另外，隨著個(gè)人數(shù)字助理（PDA），手機(jī)等掌上通訊設(shè)備的價(jià)格的不斷降低和大眾化，而且它們大多數(shù)都集成有紅外接口，通過(guò)手機(jī)這樣的手持設(shè)備的紅外接口來(lái)控制鎖具既經(jīng)濟(jì)又時(shí)尚，是本文的又一特點(diǎn)。 
　　
　　2 系統(tǒng)構(gòu)成 
　　
　　帶紅外接口的指紋門鎖系統(tǒng)的主要由3 部分構(gòu)成，如圖1 所示：指紋識(shí)別模塊、微控制器（MCU）和門鎖控制機(jī)構(gòu)。其中微控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制指紋識(shí)別模塊進(jìn)行指紋采集、比對(duì)等和門鎖控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如控制馬達(dá)開關(guān)門、進(jìn)行相應(yīng)的聲光提示等；指紋識(shí)別模塊包括：指紋識(shí)別芯片、指紋傳感器和存儲(chǔ)指紋特征數(shù)據(jù)及配置參數(shù)的Flash 存儲(chǔ)器；門鎖控制機(jī)構(gòu)主要包括：馬達(dá)、蜂鳴器、led 提示燈、紅外接口等。

  　　3 低功耗設(shè)計(jì) 

　　整個(gè)門鎖系統(tǒng)采用4 節(jié)5 號(hào)電池供電，因此，功耗是影響系統(tǒng)成敗的重要因素之一。完整的低功耗設(shè)計(jì)可以貫穿系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，邏輯設(shè)計(jì)，電路實(shí)現(xiàn)直到器件/工藝級(jí)的整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。每個(gè)級(jí)別可以達(dá)到的低功耗效果不同，抽象層次越高，則優(yōu)化的空間越大，效果也越明顯，圖2 為低功耗設(shè)計(jì)不同層次能夠降低的系統(tǒng)功耗[1]。 

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)層確定系統(tǒng)對(duì)性能的需求，進(jìn)行軟硬件劃分。在這一層做出的功耗優(yōu)化主要是根據(jù)系統(tǒng)功能說(shuō)明進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)， 獲得最佳的性能/功耗比。軟件設(shè)計(jì)層產(chǎn)生最終在系統(tǒng)硬件上執(zhí)行的代碼，在這一層次做出的功耗優(yōu)化主要是充分利用硬件提供的節(jié)電模式， 合理設(shè)備各器件的工作狀態(tài)； 邏輯設(shè)計(jì)層確定應(yīng)用系統(tǒng)上各元器件在生產(chǎn)時(shí)要采用的硬件結(jié)構(gòu)。對(duì)微控制器來(lái)說(shuō)，這一階段的功耗優(yōu)化主要考慮系統(tǒng)時(shí)鐘以及處理器指令的優(yōu)化設(shè)計(jì)。合理安排系統(tǒng)內(nèi)各模塊的通信；電路實(shí)現(xiàn)層主要從片內(nèi)合理的布局布線的角度來(lái)考慮功耗優(yōu)化；器件工藝層主要考慮從芯片制作工藝及用材上來(lái)進(jìn)行功耗優(yōu)化。本文主要從以下幾個(gè)方面來(lái)降低系統(tǒng)功耗： 

　　1）器件選型：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)層確定的硬件，盡量選用功耗小的硬件，方法先從功耗大的硬件上選擇起，如本系統(tǒng)的MCU 采用Mega88，它是一款單片封裝的MCU，適合于許多要求高集成度、低成本、低功耗的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求。 
　　2）系統(tǒng)工作方式選擇：盡量選用高速低頻工作方式，低功耗系統(tǒng)中選用幾乎全是CMOS 器件，因?yàn)槠潆娖阶兓?，有利于降低功耗；另外CMOS 電路不用的輸入端雖然有保護(hù)電路，但也不能懸空，以免輸入端邏輯電平不定，電路來(lái)回翻轉(zhuǎn)，增大系統(tǒng)功耗，本文對(duì)Mega88 的閑置管腳均采用輸出高電平，采用內(nèi)部1M 的時(shí)鐘頻率。充分利用“空閑”、“掉電”模式，本文Mega88 在系統(tǒng)空閑時(shí)采用掉電模式，在該模式下MCU 的靜態(tài)電流僅5 微安。 
　　3）合理的電源管理：指紋鎖系統(tǒng)大部分時(shí)間是空閑的，根據(jù)這一事實(shí)，只有當(dāng)系統(tǒng)在工作時(shí)才進(jìn)入工作狀態(tài)，其它時(shí)間MCU 處于掉電狀態(tài)。另外，系統(tǒng)在工作期間并不是所有的外設(shè)都需要工作，如果系統(tǒng)在工作期間一直對(duì)這些器件進(jìn)行供電，將造成能源的巨大浪費(fèi)。這種情況下，可對(duì)電路進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，工作時(shí)對(duì)模塊實(shí)施間斷供電，使模塊電路僅在需要工作的短時(shí)間內(nèi)加電，其余則處于斷電狀態(tài)。 

　　4 指紋識(shí)別模塊設(shè)計(jì) 

　　指紋識(shí)別模塊由指紋識(shí)別芯片、指紋傳感器、存儲(chǔ)指紋模板信息的flash 存儲(chǔ)器組成，其中指紋識(shí)別芯片是指紋識(shí)別模塊中的核心模塊，負(fù)責(zé)指紋圖像的處理，通過(guò)UART 與Mega88 相接，如圖2 所示。

　　Mega88 通過(guò)UART 口，按照PS1802 編程手冊(cè)中的通信協(xié)議，控制指紋識(shí)別芯片進(jìn)行指紋圖像采集、特征提取、指紋特征比對(duì)、生成指紋特征模板等一系列的圖像處理操作，并把生成的特征模板存入flash 中，具體實(shí)現(xiàn)方法可參考PS1802 編程手冊(cè)[3]。為了降低系統(tǒng)功耗，通過(guò)電子開關(guān)控制PS1802 的供電，只有當(dāng)進(jìn)行指紋操作時(shí)才接通其電源， PS1802 復(fù)位要一段時(shí)間，因此，在給PS1802 上電，不能立即發(fā)送獲取圖像指令，應(yīng)延時(shí)一段時(shí)間，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，200ms 最佳。 

　　5 紅外接口模塊設(shè)計(jì) 

　　圖3為IRM5000D 工作示意圖，其中，IRM5000D 是一個(gè)紅外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器，在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，接收腳（RxD）是安靜的，從而提高了通信的準(zhǔn)確信；支持掉電模式，通過(guò)置SD 腳為高電平，IRM5000D 的靜態(tài)電流不到0.01 微安。

  　　圖3 所示，Mega88 通過(guò)PD2、PD3 分別與IRM5000D 的接收端（RxD）和發(fā)送端（TxD）相連。為了實(shí)時(shí)接收PDA 發(fā)送來(lái)的紅外信號(hào)，Mega88 通過(guò)啟動(dòng)外部中斷0，在中斷處理程序中監(jiān)聽PD2 腳電平變化來(lái)接收數(shù)據(jù)，外部中斷0 采用低電平觸發(fā)方式，為了達(dá)到喚醒中斷的方式，按9600bit/s 的波特率算，PDA 發(fā)送的每一個(gè)數(shù)據(jù)前面必須帶一個(gè)字節(jié)的喚醒頭部(0x00)，其通信格式為：“0x00+數(shù)據(jù)”，為了能夠根據(jù)電平變化來(lái)接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)部分采用曼徹斯特編碼方式。下面是中斷處理程序中的實(shí)現(xiàn)代碼：

　　6 結(jié)論 

　　本文介紹了一種帶紅外接口的低功耗指紋鎖的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了低功耗的設(shè)計(jì)方法，按照該方法，本文設(shè)計(jì)的指紋鎖靜態(tài)電流僅為15 微安，完全能夠滿足工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。另外，對(duì)系統(tǒng)中最為重要的指紋模塊和紅外接口模塊也作了較為詳細(xì)的介紹。