作者：深圳國際技術創新研究院 張立群 連全斌 李鐵才

隨著指紋自動識別系統體積的不斷縮小，以及微處理器功能與速度的不斷提高，復雜的指紋識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，該模塊與指紋傳感器、門鎖控制機構組成的系統稱為嵌入式指紋識別門鎖系統。嵌入式指紋鎖的應用領域十分廣泛，有保險箱、實驗室、樓道的身份確認等。本文基于指紋識別模塊設計和實現了嵌入式指紋鎖，給出了一套比較完整的軟、硬件設計方案。

指紋識別門鎖系統的硬件結構

指紋識別門鎖系統的硬件結構主要包括：指紋識別模塊、微控制器、讀寫模塊、電源管理和電控鎖機構以及門鎖功能所需的紅外感應電路和液晶LCD顯示等，其中核心部分是指紋識別模塊和微控制器。指紋識別門鎖系統的結構框圖如圖1所示，虛線內是指紋識別功能模塊。

圖1 指紋識別門鎖系統的結構框圖

單片機門鎖控制電路

門鎖控制的核心結構是微控制器P89LPC932A1，它是一款單片封裝的MCU，適合于許多要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。P89LPC932A1 集成了許多系統級的功能，這樣可大大減少元件的數目、電路板面積以及系統的成本。

MCU通過串口與指紋識別模塊進行通訊，完成對指紋的錄入、刪除、身份確認，通過驗證后電機控制門鎖會執行開關門的動作。以單片機P89LPC932A1為核心的門鎖控制電路原理圖如圖2所示。P89LPC932A1強大的I/O口多達26個，可以滿足外設部分的鍵盤、LCD液晶顯示、指示燈、按鍵、蜂鳴器等的需求。鍵盤是用來輸入密碼的，LCD顯示用戶注冊的信息和ID號，雙色指示燈和蜂鳴器用來提醒用戶操作是否成功或是發出報警提示。另外，還有一些遠程控制的按鍵開關，用于設備的上電或執行有關開關門的操作。具體設計可根據不同的應用場合和實際功能需求增減外圍器件，在盡量滿足功能的前提下降低系統功耗。電機控制部分由單片機發出邏輯命令驅動電機進行開關鎖動作。圖中U1是電源控制芯片R1121N,它輸出3.3V給單片機；U2是I2C讀寫模塊E2PROM，指紋鎖的開關門記錄和密碼等重要信息都保存在其中。R1121N是CMOS工藝電壓調節器，具有很高的電壓輸出精度、很低的輸入電流。

圖2 門鎖控制系統的電路原理圖

圖3 電機驅動控制原理圖

單片機的低功耗設計

低功耗系統設計的基本要求如下：

1) 系統中所有的電路單元都具有功耗管理功能，即該電路單元在非有效操作期間都能被關斷（沒有功耗）。系統具有按有效時空占空比實施精細功耗管理的能力，能做到合理的系統功耗分配。
2) 對于系統無法企及的微觀有效操作，要求由電路靜、動特性來滿足功耗分配，即電路動態過程有功耗，電路靜態時沒有功耗。

本嵌入式門鎖系統采用4節1.5V的電池供電，對無用功耗盡量要求降到最低，所以單片機的工作方式選擇完全掉電模式。門鎖系統低功耗的重要因素有電源電壓，晶振頻率，功能模塊的設置，以及I/O口和外部電路的設置。

在本系統中，選擇3.3V作為單片機的供電電壓；選擇內部晶振，在節省外部資源的同時降低了功耗。當MCU進入完全掉電狀態以后，可由看門狗定時器（利用復位或中斷）、外部中斷INT0/INT1、鍵盤中斷、實時時鐘等喚醒。INT0/INT1中斷為下降沿/低電平有效，鍵盤中斷為低電平有效，因此在進入中斷前必須保證相應引腳為高電平，否則很難將MCU從完全掉電狀態下喚醒。

嵌入式系統的實時功耗管理能力表現在能保證系統按照有效操作時空占空比來實現系統時空的最大靜態化運行，其中的核心技術是系統中時鐘與信號流的控制與調度。在系統無效操作的時間和區域上，終止時鐘運行或進入，禁止開關、脈沖信號進入。經過合理的任務分配后可以大大降低系統靜態功耗，同時在硬件資源選擇上作些調整。實驗表明，經過合理任務分配后，系統的靜態功耗可以降到10mA，正常工作時電流低于100mA。與同類產品相比，本系統的低功耗性能良好。

圖4 系統初始化步驟

圖5 帶數組的通訊格式

電機驅動電路

機械驅動部分用小型的直流電動機來進行驅動。由于單片機的驅動能力極其有限，所以需要對單片機的輸出進行驅動放大。這里采用BA6289邏輯控制芯片。它可以接收TTL 邏輯電平，用于驅動感性負載。它根據對門鎖的不同操作進行邏輯控制，驅動電機的正反轉，推動門鎖上的鎖舌進出。電機正轉，鎖舌退，實現開門動作；電機反轉，鎖舌進，實現關門動作。電機正反轉控制電路的原理圖