電機驅(qū)動電路

　　機械驅(qū)動部分用小型的直流電動機來進行驅(qū)動。由于單片機的驅(qū)動能力極其有限，所以需要對單片機的輸出進行驅(qū)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(qū)動感性負載。它根據(jù)對門鎖的不同操作進行邏輯控制，驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)，推動門鎖上的鎖舌進出。電機正轉(zhuǎn)，鎖舌退，實現(xiàn)開門動作；電機反轉(zhuǎn)，鎖舌進，實現(xiàn)關(guān)門動作。電機正反轉(zhuǎn)控制電路的原理圖如圖3所示。

　　系統(tǒng)加密設(shè)計

　　單片機系統(tǒng)一般都采用MCU+EPROM模式。通常EPROM都是透明的，雖然有許多的MCU都帶有加密位，但現(xiàn)在已大多能破解。為了保護自行開發(fā)的指紋識別門鎖算法，系統(tǒng)加密是個關(guān)鍵。常用的單片機加密技術(shù)有硬件加密和軟件加密兩種。軟件加密不能防止別人復(fù)制，只能增加解剖分析的難度，安全性不足。

　　現(xiàn)在很多的MCU都帶有加密位，其中在單片機中運用得最成功的加密方法是總線燒毀法。即把單片機數(shù)據(jù)總線的特定I/O永久性地破壞，解密者即使擦除了加密位，也無法讀出片內(nèi)程序的正確代碼。此外還有破壞EA引腳的方法。這種方法用來加密小程序比較成功，但由于總線已被破壞，因而不能再使用總線來擴展接口芯片和存儲器，同時，片內(nèi)存儲器也不再具有重復(fù)編程特性。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　該指紋識別門鎖系統(tǒng)是完全自主開發(fā)的具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的軟件，其完整的系統(tǒng)管理協(xié)議增強了軟件的強壯性和可移植性，完整的指紋識別命令集使其可以自動進行指紋的注冊、識別以及指紋數(shù)據(jù)的輸出。系統(tǒng)軟件總程序包括監(jiān)測控制部分和通訊部分。監(jiān)測控制部分包括了門鎖控制軟件諸如開關(guān)門、應(yīng)急密碼開門、指紋錄入、指紋刪除等程序，以及指紋識別管理、電源管理、定時器中斷管理、看門狗、外部指令處理和I2C總線存儲器等程序。通訊部分主要包括通訊協(xié)議和驅(qū)動程序，其中通訊協(xié)議包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、校驗、數(shù)據(jù)包處理等程序；設(shè)備驅(qū)動包括寄存器配置和系統(tǒng)狀態(tài)控制等程序。

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　　表1 指紋鎖的性能指標

　　系統(tǒng)初始化

　　嵌入式指紋鎖系統(tǒng)在啟動或復(fù)位之后，需要對系統(tǒng)硬件和軟件運行環(huán)境進行初始化，這些工作由啟動程序完成，啟動程序通常采用匯編語言編寫。寫好啟動程序是設(shè)計好嵌入式程序的關(guān)鍵，系統(tǒng)啟動程序所執(zhí)行的操作與具體的目標系統(tǒng)和開發(fā)系統(tǒng)相關(guān)，流程如圖4所示。

　　指紋識別軟件的協(xié)議命令集

　　系統(tǒng)管理協(xié)議包括功能部件更新下載、設(shè)備復(fù)位、部件錯誤處理、檢測注冊的用戶數(shù)量、檢測存儲器信息、檢測安全級、設(shè)置安全級、檢測每個用戶注冊的指紋數(shù)、設(shè)置每個用戶錄入的指紋數(shù)以及設(shè)置波特率等。指紋識別命令集包括自動ID注冊用戶、給定ID注冊用戶、刪除給定ID用戶、匹配刪除用戶、刪除所有用戶、給定 ID用戶識別、自動ID用戶識別、提取特征信息、特征信息匹配、從模塊獲取特征信息以及在模塊中存儲特征信息等。下面給出該軟件指紋識別協(xié)議命令集中自動用戶注冊部分的設(shè)計說明。

　　自動用戶注冊是指系統(tǒng)使用自動選擇的ID號注冊用戶，如下：

　　STI_USER_REGISTR ATION：開始注冊

　　0x1b - 0x5e - 0x50 - Start ID NumberH- Start ID NumberL

　　STI_USER_REGISTRATION _SUCCESS：注冊成功

　　0x1b - 0x5e - 0x51 - Start ID NumberH- Start ID NumberL

　　其中Start ID NumberH/ Start ID NumberL為注冊開始時的ID值

　　STI_USER_REGISTR ATION_ERROR：注冊失敗

　　0x1b - 0x5e - 0x52 - 0x00- ID Number

　　單片機與指紋模塊的通訊協(xié)議

　　系統(tǒng)中的工作核心是指紋模塊，它幾乎包含了對指紋處理的所有操作。指紋識別模塊通過RS232串口與使用者接口，使用者通過此接口來命令模塊完成諸如指紋采集、指紋比對等一系列操作。單片機與指紋模塊的通訊為半雙工異步通訊，RS232接口缺省的波特率為9600bps。

　　單片機與指紋模塊的通訊，對命令、數(shù)據(jù)、結(jié)果的接收和發(fā)送都采用幀的形式進行，通訊格式內(nèi)容包括包標識、地址碼保留字、包長度、包內(nèi)容和校驗和。

　　由于通過串口通訊，在數(shù)據(jù)接收的開始有時會丟失一兩個字節(jié)，所以在接收數(shù)據(jù)包時可能因為接收字節(jié)不完全而使程序陷入死循環(huán)。這里采用在規(guī)定時間內(nèi)如果沒有接收到數(shù)據(jù)則強行退出接收程序，而后重新接收數(shù)據(jù)的方法，由于指紋模塊與單片機的工作頻率非常快，根本不會影響該系統(tǒng)的工作。

　　同樣，單片機和模塊通過一串消息幀來傳遞命令，在程序編寫時利用數(shù)組來存儲Receive［Max］從模塊接收到的數(shù)據(jù)，如圖5所示。單片機通過串口向模塊發(fā)送命令而后又等待接收命令時，經(jīng)常丟失或有誤一兩個字節(jié)，這樣導(dǎo)致數(shù)組Receive ［Max］中數(shù)據(jù)會丟失一兩個字節(jié)。參考指紋模塊的通訊協(xié)議可知，消息幀中的大部分數(shù)據(jù)都相同，只有一兩個不同的關(guān)鍵字且在數(shù)據(jù)幀的中間部分。所以，根據(jù)模塊動作的幾種可能情況在接收數(shù)據(jù)的數(shù)組Receive［Max］中搜索對應(yīng)的一兩個關(guān)鍵字，這樣就可以正確判斷模塊的動作。

　　系統(tǒng)測試

　　根據(jù)門鎖的安全性能指標設(shè)計測試方案，系統(tǒng)測試主要從以下幾個方面進行：

　　1） 用不同質(zhì)量的指紋：用大約500人次的不同指紋進行開鎖、注冊等測試；

　　2） 同一指紋在不同條件下：諸如干濕、破損、壓力溫度不同、位置角度不同、油污情況下進行開鎖試驗；

　　3） 不間斷的工作方式：長時間的疲勞測試、頻繁的開鎖、關(guān)鎖，測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

　　4） 人為制造緊急狀況：電源不足情況下、惡性開鎖、開鎖后忘記關(guān)門、普通用戶手指不能開門、取消非法用戶權(quán)限等。

　　指紋鎖的核心部分測試后的各項性能指標如表1所示。

　　結(jié)語

　　經(jīng)過大量的測試工作，本門鎖系統(tǒng)的性能狀態(tài)良好，滿足安全性和易用性的指標要求。門鎖系統(tǒng)從功能上具有授權(quán)錄入指紋、按ID號或按級刪除指紋、記錄最近的 10次開門記錄，可錄入150枚指紋。本系統(tǒng)采用了嵌入式的體系結(jié)構(gòu)，以及精度高、反應(yīng)快、功耗低、體積小的外圍器件，配合成熟的指紋識別算法和完善的功能設(shè)計，以及應(yīng)急開門方案、加密設(shè)計和低功耗設(shè)計。本嵌入式指紋鎖的誤識率為0.001%~0.01%，拒識率為0.1%~1%，處理速度低于0.3s，完全滿足指紋識別產(chǎn)品的要求。由本系統(tǒng)為核心制作的小樣本嵌入式指紋鎖已于2005年末供應(yīng)海外市場。