王煉紅 陳穎

摘 要：為解決現(xiàn)今指紋鎖的高性能和低功耗之間的矛盾，提出了一種基于雙核架構的嵌入式系統(tǒng)，采用TI公司AM437x高性能處理器移植識別算法；具有超低功耗的AVR單片機MEGA8微控制器作為主控芯片，以控制非接觸啟動、紅外燈、電機驅動等外圍設備，保證系統(tǒng)具有較低的待機功耗.通過設置主控芯片的超低功耗睡眠模式，使得系統(tǒng)大部分時間處于低功耗狀態(tài)，利用非接觸式啟動模塊控制高耗能識別模塊僅在需要的時候上電啟動，從而大大降低系統(tǒng)的功耗.綜合測試表明，系統(tǒng)休眠時MCU靜態(tài)工作電流低至1.51 μA，喚醒時電流優(yōu)化至3.3 mA，8節(jié)干電池使用壽命為638 d.相比現(xiàn)有設計方法，兼具更低的功耗和更高的性能.

關鍵詞：超低功耗；靜態(tài)電流；電源管理；智能鎖

中圖分類號：TP368.2 文獻標志碼：A

Abstract：This paper presented an embedded system based on dualcore architecture to solve the contradiction between high performance and low power consumption of today fingerprint lock. TI's AM437x highperformance processor was used to transplant identification algorithm， with AVR microcontroller MEGA8 microcontroller of ultralow power as a master chip to control noncontact start， infrared light， motor drive and other peripherals to ensure that the system has a lower standby power consumption. By setting the ultralow power sleep mode of the master chip， the system is in a low power state for most of the time， and the noncontact startup module controls the high power consumption identification module to power up only when it is needed， thus greatly reducing the power consumption. Comprehensive test shows that the static operating current is as low as 1.51 μA when the system is in sleep mode， while the wakeup current is optimized to 3.3 mA. The maximum system life of six dry cells is 638 days. Compared with the existing design methods， the system has both lower power consumption and higher performance.

Key words：ultralow power consumption；static current；power management；intelligent lock

近年來，隨著生物識別技術和電腦科技的迅速發(fā)展，指紋識別技術已廣泛地進入大眾的視野.隨著指紋技術和半導體技術的發(fā)展，指紋鎖已被廣泛應用到軍事、保密機構等[1-3].

目前指紋識別系統(tǒng)主要采用具有高速數(shù)據(jù)運算能力的DSP或者基于ARM核的處理器芯片或者高性能現(xiàn)場可編程門陣列FPGA來完成算法處理和識別.Wu等人[4]應用基于ARM內核的STM32F103ZE微處理器完成指紋處理以及外設模塊的控制，待機功耗為0.21 μA，但識別速度不高.Mondol等人[5]使用高性能FPGA芯片集成優(yōu)化后的算法，獲得了更高的識別率，但功耗比較高.楊偉鈞[6]采用TI公司的TMS320C5509A作為處理器，實現(xiàn)指紋算法的移植，系統(tǒng)能穩(wěn)定運行一個月，但功耗相比文獻[4]中方法要高.以上這些設計方法都只著重于低功耗或高性能單方面的改善，高性能芯片的應用不可避免地會限制系統(tǒng)的整體功耗，從而影響系統(tǒng)在采用電池供電的便攜式設備中的應用.

本文基于現(xiàn)有指紋鎖的研究方法和發(fā)展趨勢，為解決指紋鎖高性能和低功耗之間的矛盾，設計了一種雙控智能電子鎖嵌入式系統(tǒng)架構，將識別功能和外設控制功能獨立開，主要從系統(tǒng)架構、MCU電源管理、非接觸式啟動、嵌入式軟件設計以及MCU低功耗優(yōu)化等多方面進行描述.最后測試證明，系統(tǒng)在保證高性能的同時降低了功耗，提高了整個產(chǎn)品的使用壽命.

1 系統(tǒng)架構

本文算法處理芯片選型德州儀器TI公司推出的基于ARM CortexA9內核的AM437x高性能處理器，其增強了3D圖形加速功能，可實現(xiàn)豐富的圖形用戶界面[7]；外設主控芯片選用Atmel公司的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器ATmega8[8].內置5種睡眠模式，輕松應對各種系統(tǒng)低功耗要求.

系統(tǒng)結構框架如圖1所示.系統(tǒng)組成包括算法處理模塊和外設控制模塊.微控制器模塊ATmega8是整個控制系統(tǒng)的核心，主要用于實現(xiàn)低功耗控制、數(shù)據(jù)處理與存儲、電源管理、串口通信等功能.算法處理模塊則以AM437x為中心，實現(xiàn)識別算法的移植，完成后續(xù)的圖片采集、預處理、特征提取、識別匹配等生物識別的全部功能，并將識別成功信號傳遞給MCU.

2 低功耗設計

2.1 電源管理設計

本系統(tǒng)采用獨立降壓方式[9]，針對不同的電壓需求，設計了合理的電源拓撲結構，結合開關電源，有效地降低系統(tǒng)功耗.圖2主路電源經(jīng)過轉換分別得到3.3 V、5.0 V、3.15 V和1.6 V的電源以供給不同模塊.

MCU可通過其使能端無效方式來中斷EEPROM、模擬比較器、ADC、看門狗定時器等的工作，以此在最大程度上減少整個系統(tǒng)的功耗.

2.2 低功耗軟件設計

智能鎖大部分時間都處于關閉狀態(tài)，睡眠期間的功耗占整體能量消耗的比例很大，因此降低待機功耗延長電池壽命是關鍵問題.為了最大限度地降低功耗，關鍵在于：心跳間隔ΔT無限延長，心跳時間Δt無限縮短，睡眠電流Is無限降低.

圖3為MCU和MAX44000工作電流曲線圖.圖3中，Iw1、Iw2分別為MCU和非接觸式啟動模塊的喚醒電流；Is1、Is2為兩者的睡眠電流；ΔT為系統(tǒng)睡眠周期；Δt1為MAX44000喚醒時間.若非接觸式模塊一直處于待機狀態(tài)，功耗將會很大，優(yōu)化后，非接觸式啟動只在MCU喚醒后開啟短暫的一段時間，既能激活電路也能大大降低系統(tǒng)的功耗.關鍵參數(shù)設置如下：

1）MAX44000喚醒時間Δt1.MAX44000接近檢測的數(shù)據(jù)讀取時間間隔可以設置為1.56～100 ms.經(jīng)測試，在有效檢測范圍內，手勢動作在2 ms內就可以被檢測到，因此讓MAX44000在MCU喚醒時開啟2 ms即可，其他時間讓其處于關閉狀態(tài)，即MAX44000的喚醒時間Δt1設置為2 ms.

2）MCU喚醒時間Δt.MCU喚醒時間包括：啟動時間6個時鐘周期；啟動后MCU暫停4個時鐘周期；無外部中斷后的2個外部時鐘周期和Δt1.因此，實際喚醒時間為63.5 μs+Δt1.

3） MCU睡眠時間ΔT.本系統(tǒng)選擇省電睡眠模式，TIMER2比較中斷的方式喚醒MCU，配置內部時鐘為4 MHz、外部晶體振蕩器選擇32.768 kHz的有源晶振.根據(jù)計算公式（1）來設置睡眠時間，在比較中斷例程中以進行相應的操作.

式中：ΔT時間越長越好，但是系統(tǒng)在1.6 s之內必須進行喂狗操作，因此本系統(tǒng)配置睡眠時間為1 s.

2.3 啟動電路設計

本文選用MAXIM公司的MAX44000芯片[10]，寬動態(tài)范圍環(huán)境光傳感器和紅外接近檢測傳感器集為一體.處理后的數(shù)據(jù)儲存在輸出寄存器，可通過I2C接口讀取，可編程中斷減輕器件數(shù)據(jù)輪詢的工作負荷，節(jié)省微控制器資源并減少系統(tǒng)軟件開銷，最終降低系統(tǒng)功耗.圖4為MAX44000電路圖.

非接觸喚醒的具體實施并非只是簡單地檢測高于門限的信號，關鍵應該考慮觸發(fā)喚醒條件的信號電平，需要在系統(tǒng)響應靈敏度與誤報概率之間進行權衡[11].門限過低，會增大誤報的概率；反之，過高的檢測門限能夠把誤報概率降至幾乎為零，但卻只能檢測到非常接近的目標.

圖5為驅動電流在0～110 mA時檢測距離和動態(tài)工作電流的變化曲線，根據(jù)設置驅動電流值來設置合適的門限以保證設備的低功耗.綜合系統(tǒng)靈敏度和誤報率，本系統(tǒng)選擇最低門限為8.5 cm，即設置驅動電流為30 mA，此時MAX44000靜態(tài)電流為1.22 mA.

2.4 軟件設計流程圖

單片機軟件流程如圖6所示.ATmega8單片機在開始時會進行一系列的初始化，之后關閉非接觸式模塊進入省電模式，節(jié)省電量.定時器在比較中斷后將會跳出省電模式，判斷是否有外部中斷，若有則開始串口接收數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)接受完之后，單片機進行相應的操作，完成工作后單片機會重新進入到睡眠模式.

4 實驗結果

功耗測試在樣機上進行.本文測試的睡眠、喚醒時間間隔太短，精度為0.1 ms，電流表的時間精度不夠描述如此精細的間隔.于是本文提出綜合利用電流表和示波器的測試方法，利用示波器的時間精度高讀出睡眠、喚醒時間間隔，利用電流表的精準測量測出準確的電流值.最終得到直觀、準確的測試結果.

4.1 示波器測試結果

本文使用的示波器為泰克MDO3012示波器，其提供內置的頻譜分析儀、任意函數(shù)發(fā)生器、邏輯分析儀、協(xié)議分析儀、數(shù)字電壓表和頻率計數(shù)器[15].

圖7中FB37是MCU供電電路上串聯(lián)的一顆磁珠，將其替換成電阻，再將示波器探頭并聯(lián)至其兩側，即可得到如圖8所示的完整信號輸出，以此得出精確的時間間隔.

從表1可知，睡眠時間的理論值與實際值相近，喚醒時間的理論值與實際值相差較大.由2.2節(jié)2）得知，若不加MAX44000的2 ms喚醒時間，MCU系統(tǒng)喚醒時間Δt應為0.064 ms，但圖8示波器顯示系統(tǒng)實際喚醒時間為7.8 ms，因此其中有部分時間消耗在MAX44000啟動上.所以MCU實際喚醒時間應為Δt=2 ms+7.8 ms=9.8 ms.

4.2 萬用表測試結果

電池：南孚AA1.5V無汞堿性電池；型號：LR6；數(shù)量：8（4節(jié)串聯(lián)形成一組，兩組并聯(lián)）.萬用表為泰克儀器的DMM4040 數(shù)字雙顯數(shù)字多用表.采集軟件：泰克版SignalExpressTM.

將圖7中FB37磁珠去掉，再將萬用表調至電流檔串聯(lián)進主電路中，此時萬用表測出的即為需要測試的MCU靜態(tài)電流.

本文根據(jù)系統(tǒng)要求進行優(yōu)化：更省電的睡眠模式；減小濾波電容值；睡眠模式將I2C引腳設置為輸出，避免上拉電阻引起的電流泄露；將每個MCU I/O口的引腳設置為沒有拉電流也沒有灌電流泄露的狀態(tài)等等.

圖9為優(yōu)化前后的喚醒電流曲線對比圖.測量喚醒電流時，睡眠時間設為8 ms，遠遠小于喚醒時間1 s.圖10為優(yōu)化前后的MCU睡眠電流曲線對比圖，測量睡眠電流時，睡眠時間設為1 s，遠遠大于喚醒時間7.8 ms.

表2為MCU靜態(tài)工作電流優(yōu)化前后對比結果；表3、表4和表5分別為靜態(tài)功耗、動態(tài)功耗和系統(tǒng)總功耗統(tǒng)計表.

在軟件設計過程中，休眠采用省電模式.1 s內醒來的次數(shù)為1次，每次9.8 ms.每天開鎖操作進行6次，單次開鎖時間6 s，因此，一天喚醒時間為36 s，電機操作時間1 s，其余時間處于睡眠狀態(tài).

本文所用電池為8節(jié)南孚電池，假設8節(jié)電池的功耗為5 000 mAH，電池電壓為3.7 V，電池效率系數(shù)為80%，則可以換算得到電池總容量為53 280 000 mW·s.將表5中實際能量相加即得到本文每天消耗的總功耗，如表6所示為83 549 mW·s，根據(jù)公式（5）計算得出本系統(tǒng)工作時間可達638 d.在電壓、時間等參數(shù)一致，電流參數(shù)不同的條件下，由文獻[9]中結果計算得出的系統(tǒng)工作時間為128 d，本文比文獻[9]多出了近5倍.

5 結 論

本系統(tǒng)軟件設計采用電源管理和心跳設計的方式，提出非觸摸喚醒的方式實現(xiàn)人機交互，使得用戶擁有更方便的操作，結合電流表與示波器的方式測試工作電流使得功耗檢測更加直觀、準確.

從實驗結果可以看出，雙控制核心的系統(tǒng)架構極大降低了系統(tǒng)在待機狀態(tài)下的電流消耗，同時在識別處理中，減少了AM437x對外設的控制，而將控制功能轉移到功耗更低的ATmega8中，使得工作電流消耗進一步降低，從而延長了電池供電識別系統(tǒng)的使用時間.

本系統(tǒng)擴展性強，能應用于各種實時性要求較低的環(huán)境，如智能鎖識別系統(tǒng)、便攜設備、室外智能省電設備等.在滿足系統(tǒng)實時性的同時又較之其他系統(tǒng)功耗要低很多，為普通家庭的安全防護控制提供了有效途徑，同時為智能終端產(chǎn)品超低功耗研究與設計提供了參考價值.

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