基于單片機系統的指紋識別方案和設計要點介紹

隨著指紋識別在智能手機上面的普及，指紋識別技術在越來越多的場合中得到應用。除了手機應用之外，在移動支付、門禁系統、智能家庭等嵌入式場景中也逐漸普及開來。在系統實現上面，智能手機本身擁有強大的計算能力和豐富的內存資源，實現指紋識別并不困難，但在嵌入式系統中特別是基于MCU的應用場合，其運算能力、內存資源等都受到限制，本文介紹了一種基于單片機系統的指紋識別方案和設計要點。

如上圖所示，這是一個WiFi指紋識別前端的系統框圖，其應用場景是：手指按壓指紋識別模塊時，指紋數據被采集并傳輸到單片機，單片機經過識別算法對指紋數據進行處理后，把處理結果通過WiFi模塊無線傳輸到云端參與身份識別的業務。

在具體實現上面，由于指紋識別算法涉及較多的浮點運算，以及需要暫存指紋點陣的原始數據和中間運算數據，故對于運算能力和存儲空間有硬性的要求，在目前主流的單片機架構中Cortex-M4架構集成FPU浮點處理單元，在100MHZ主頻下，其浮點數運算能力可以達到要求。指紋識別算法代碼編譯后占用上百K字節的代碼空間，考慮到WiFi網絡連接、應用層代碼等整體上以1MB左右的Flash代碼空間為宜，數據存儲的需求以512KB的SRAM空間為宜。系統工作時，在指紋識別過程中需要強大的運算能力，而在沒有指紋按壓的時候則需要運行在低功耗狀態，以適應嵌入式系統對功耗的要求。

在我們的方案中，選擇了具有XIP特性的MCU，把代碼存放在外置SPI Flash中并可以在系統執行，從而大大擴展了代碼存儲空間。外置SPI Flash中的代碼在執行中由于需要內部Cache緩存，故執行速度略低。對于識別算法的核心代碼，則可以在Boot階段拷貝到SRAM中運行，從而提升運行速度。XIP + SRAM的代碼空間分配方案兼顧了性能和成本，是此設計的一個亮點。

指紋識別芯片是系統實現的核心部件，當前比較主流的技術指標，要求指紋識別芯片基于電容技術、支持活體檢測（Live Finger Detection）、按壓式、采用玻璃蓋板，可以實現360度任意方向的觸摸，能夠支持滑動導航?；铙w檢測技術具有防止假指紋破解的特點，集成心率檢測功能，方便用戶實時查看心率值。傳感器集成化方便整機廠商的設計和整機集成，使得其方便應用于嵌入式單片機系統。

指紋識別芯片和主機的數據接口要求在指紋數據采集的過程中達到5Mbps以上的傳輸速率，低于5Mbps的數據吞吐量將影響用戶體驗。UART、 I2C等低速接口在吞吐量上無法達到要求，SPI接口簡潔而且傳輸速率完全可以達到要求，是最合適的通信接口。

指紋識別芯片周期性檢測Pixel傳感器區域是否有手指觸摸，檢測到傳感器有手指觸摸時，會立刻采集活體檢測數據，數據采集完成后會通過中斷通知Host讀取，MCU讀取完活體檢測數據后芯片進行指紋掃描，指紋掃描開始后就會通過中斷通知Host讀取數據。指紋數據的掃描和Host數據的讀取同步進行。

單片機接收到指紋芯片傳輸來的Pixel原始數據后通過識別算法運算后通過WiFi模塊傳輸到云端。由于MCU本身資源的限制，WiFi模塊本身需要集成WiFi驅動、TCP/IP協議棧，并可以做作為一個相對獨立的單元運行應用層代碼，這樣就極大的減輕了MCU host端的負擔。 WiFi模塊通過串口和MCU進行數據交互。推薦基于Qualcomm QCA4004的WiFi IoT模塊。

低功耗和抗干擾也是系統設計的一個要點，指紋識別模塊在沒有手指按壓時仍然周期性的進行傳感器掃描，雖然功耗低于數據傳輸期間，但為適應電池供電的場合，希望在沒有按鍵觸摸期間可以關掉指紋識別模塊的電源，為此如上圖所示增加了觸摸按鍵，檢測到有手指靠近的時候打開指紋識別芯片的電源，進行指紋掃描采集數據，當長時間沒有手指觸摸的時候關閉指紋掃描模塊的電源，從而達到降低功耗的目的。另外在數據采集期間為了防止觸摸按鍵對指紋識別傳感器的影響，在觸摸按鍵后增加一級模擬開關，在采集開始前MCU輸出一個控制信號將觸摸按鍵的模擬信號進行隔離。