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基于单片机系统的指纹识别方案和设计要点介绍

2018年01月08日 10:40 次阅读

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。

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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。

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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。

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gsm模块如何与单片机通信?

R1手机面世后,会产生革命性的颠覆效果

不过坚果R1一直相当神秘,至今仍未见到它的渲染或者真机谍照。哪怕是关于它采用哪一种全面屏设计,前置还...

发表于 2018-05-15 15:39 245次阅读
R1手机面世后,会产生革命性的颠覆效果

R1手机面世后,会产生革命性的颠覆效果

不过坚果R1一直相当神秘,至今仍未见到它的渲染或者真机谍照。哪怕是关于它采用哪一种全面屏设计,前置还...

发表于 2018-05-15 15:39 412次阅读
R1手机面世后,会产生革命性的颠覆效果

嵌入式bin文件和elf文件重点

执行raw binary很简单,只需要将程序加载到其起始地址,就可以执行; 执行ELF程序则需要一个...

发表于 2018-05-15 11:04 100次阅读
嵌入式bin文件和elf文件重点

12条不可忽视的8位单片机的程序优化

使用 C 编程时,我们都习惯于对循环控制变量使用 int 类型,这对 8 位的单片机来说是一种极大的...

发表于 2018-05-14 17:45 505次阅读
12条不可忽视的8位单片机的程序优化

一文看懂rtc实时时钟和单片机时钟的区别

本文首先阐述了rtc实时时钟和单片机时钟的区别,其次介绍了单片机中时钟概念与单片机内外部时钟方式,最...

发表于 2018-05-14 15:48 2250次阅读
一文看懂rtc实时时钟和单片机时钟的区别

电子工程师要如何突破瓶颈?电子工程师是吃青春饭吗...

电子工程师是吃青春饭吗?因为这份工作经常加班熬夜很辛苦,然后一直看电脑,一直坐着,反正对身体不是很好...

发表于 2018-05-14 13:32 173次阅读
电子工程师要如何突破瓶颈?电子工程师是吃青春饭吗...

AT89S51系列单片机的特点(AT89S51引...

本文首先介绍了AT89S51性能参数和AT89S51引脚功能,其次介绍了AT89S51系列单片机的特...

发表于 2018-05-14 11:58 4045次阅读
AT89S51系列单片机的特点(AT89S51引...

欢迎来到无线产品大杂烩:嵌入式开发人员的射频频段...

编者按:本系列文章包括两部分,第 1 部分讨论嵌入式系统设计人员可选择的各种无线连接,并提供了一些相...

发表于 2018-05-14 10:25 692次阅读
欢迎来到无线产品大杂烩:嵌入式开发人员的射频频段...

单片机如何通过捕获来实现对红外遥控器解码

 随着家用电器、视听产品的普及,红外线遥控器已被广泛使用在各种类型的家电产品上(如遥控开关、智能开关...

发表于 2018-05-14 09:11 521次阅读
单片机如何通过捕获来实现对红外遥控器解码

如何在嵌入式平台上玩转Python

它的主处理器为ARM CORTEX-M4系列的STM32F405,最高工作频率168MHz,利用意法...

发表于 2018-05-14 08:59 327次阅读
如何在嵌入式平台上玩转Python

STM32中的位带(bit-band)操作

位带别名区的字只有 LSB 有意义。另外,在访问位带别名区时,不管使用哪一种长度的数据传送指令(字/...

发表于 2018-05-13 09:28 219次阅读
STM32中的位带(bit-band)操作

基于SPEAr320的工厂自动化嵌入式开发方案详...

本文介绍了SPEAr320主要特性, 功能方框图, 系统典型架构图和EVALSPEAr320CPU ...

发表于 2018-05-12 08:31 525次阅读
基于SPEAr320的工厂自动化嵌入式开发方案详...

全新Arm IP保护物联网设备免疫日益普遍的物理...

Arm在去年的Arm TechCon大会上发布了《物联网安全宣言 》(Arm Security Ma...

发表于 2018-05-12 02:36 341次阅读
全新Arm IP保护物联网设备免疫日益普遍的物理...

基于单片机实现的逻辑运算程序详解

本文主要介绍的是基于单片机实现的逻辑运算程序详解,具体的跟随小编一起来了解一下。

发表于 2018-05-12 01:47 262次阅读
基于单片机实现的逻辑运算程序详解

电子工程师是怎样的成长之路?资深电子工程师经验分...

有年轻的工程师问,我目前会的51,stm,的控制编程,但对外围电路设计很陌生,想开发,但总是因为各种...

发表于 2018-05-11 18:51 512次阅读
电子工程师是怎样的成长之路?资深电子工程师经验分...

指纹识别技术即将迎来一个跳跃式发展的黄金期

对于企业而言,能够在市场上获得成功的产品,是指能满足消费者某种愿望与需要的有形物体和一系列无形服务的...

发表于 2018-05-11 11:53 485次阅读
指纹识别技术即将迎来一个跳跃式发展的黄金期

单片机usb供电电路原理图详解

本文主要介绍了单片机usb供电电路原理图详解。基于USB供电采用ADuC7061和外部RTD构建的的...

发表于 2018-05-11 11:08 1238次阅读
单片机usb供电电路原理图详解

如何用单片机控制舵机及程序详细

本文首先介绍了舵机概述与工作原理,其次介绍了舵机的PWM信号,最后详细阐述了单片机控制舵机方法及程序...

发表于 2018-05-11 11:06 269次阅读
如何用单片机控制舵机及程序详细

天津飞腾展示四款处理器芯片 FT-1500系列和...

FT-1500A/4集成4个自主开发的ARMv8指令集兼容处理器内核FTC660,采用片上并行系统体...

发表于 2018-05-11 09:45 2367次阅读
天津飞腾展示四款处理器芯片 FT-1500系列和...

给嵌入式项目也来个分层试试

首先,嵌入式开发的核心就是芯片,它提供固定的片内资源共开发者使用。而且它具有一个很重要的特点就是,不...

发表于 2018-05-11 09:18 669次阅读
给嵌入式项目也来个分层试试