CN107609527B - 一种用于指纹识别的低功耗电容检测装置 - Google Patents

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一种用于指纹识别的低功耗电容检测装置，包括第一振荡器、第二振荡器、电容检测模块和寄存器配置模块；第一振荡器和第二振荡器具有相同参数配置，电容检测模块包括第一移位寄存器和第二移位寄存器，该第一振荡器的第一输出端与第一移位寄存器的控制端口相连，该第一振荡器的第二输出端经反向器与第二移位寄存器的控制端口相连；第二振荡器的采集端口采集手指电容信号，第二振荡器的输出端口分别与第一移位寄存器数据端口和第二移位寄存器数据端口相连。通过采用寄存器链的方式代替了原本的计数器方式来判断是否有手指按压，降低了功耗。

Description

一种用于指纹识别的低功耗电容检测装置
技术领域
本发明涉及指纹识别领域，具体涉及一种用于指纹识别的低功耗电容检测装置。
背景技术
随着生物识别技术的迅猛发展，指纹识别作为最古老的生物识别技术之一已经走进了每个人的日常生活之中。此外，半导体行业日新月异，指纹传感器也随着半导体产业的“More than moore”定律逐渐向着小型化、低成本化发展。在诸如手机、Pad以及智能手环等便携式设备中，指纹识别几乎占据了80％的份额，极大地方便了便携式设备的日常加密操作，成为我们工作生活中不可或缺的一部分。
指纹传感器(又称为指纹Sensor)是实现指纹自动采集的关键器件。指纹传感器按传感原理可以分为三个大类：光学传感器、半导体传感器以及超声波传感器。其中半导体电容传感器由于其价格低廉、环境影响率低占据了市场上的主要份额。
与此同时为了降低指纹传感器的功耗，使其在无手指按压时处于睡眠状态，电容检测装置也被逐渐集成到指纹识别芯片中。现有的针对手指按压的电容检测装置大部分均将电容的变化利用振荡器和比较器转换为电压频率的变化，再通过计数器对输出电压的上升边沿计数，比较计数值的大小从而达到电容检测的目的。伴随着指纹技术的逐渐成熟，其各种特性规格将越来越高，这种电容检测装置中由于计数器长期处于工作状态所带来的寄存器翻转功耗巨大的问题不得不受到相关重视。第一，传统的电容检测装置由于计数器一直处于工作状态，其触发器及逻辑门翻转频率高。同时，若采用系统时钟进行单一频率采样则电路抗干扰能力弱，因此需要采用两个时钟源以及两个计数器进行对比操作提高抗干扰能力，这些问题都将带来极大地功率消耗。第二，传统的电容检测由于工作主要组件在模拟部分，而数字部分仅仅作计数以及比较而已，顾其可配置性较差。一旦芯片环境因素改变，非手指等物体也将会被检测到，误识率较高。因此，需要提供一种新型的指纹识别电容检测装置。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种用于指纹识别的低功耗电容检测装置，具体技术方案如下：
一种用于指纹识别的低功耗电容检测装置，其特征在于：包括第一振荡器、第二振荡器、电容检测模块和寄存器配置模块；
所述第一振荡器和所述第二振荡器具有相同参数配置，所述电容检测模块包括第一移位寄存器和第二移位寄存器，该第一振荡器的第一输出端与第一移位寄存器的控制端口相连，该第一振荡器的第二输出端经反向器与第二移位寄存器的控制端口相连；
所述第二振荡器的采集端口采集手指电容信号，所述第二振荡器的输出端口分别与所述第一移位寄存器数据端口和所述第二移位寄存器数据端口相连；
所述寄存器配置模块对所述第一移位寄存器和所述第二移位寄存器进行选择输出。
为更好的实现本发明，可进一步为：所述第一振荡器包括比较器COMP1，该比较器COMP1第一输入端与参考电压VREF相连，该比较器COMP1第二输入端经电容CR1接地，该比较器COMP1第二输入端还经电阻RFA与电源VDD相连，该比较器COMP1第二输入端还经第一开关S1接地，该比较器COMP1输出端VCOA控制第一开关S1开断；
所述第二振荡器包括比较器COMP2，该比较器COMP2第一输入端与参考电压VREF相连，该比较器COMP1第二输入端经电容CR2接地，该比较器COMP2第二输入端还经电阻RFb与电源VDD相连，该比较器COMP2第二输入端还经第二开关S2接地，该比较器COMP2输出端VCOb控制第一开关S2开断，电阻Rfb与电容CR2的公共端为采集端口，该采集端口为手指电容Cx输入端口。
进一步地：所述第一移位寄存器和所述第二移位寄存器分别包括至少四个触发器。
本发明的有益效果为：第一，通过采用寄存器链的方式代替了原本的计数器方式来判断是否有手指按压，降低了功耗。第二，通过寄存器配置提高了检测的灵活性。上述优点使得本发明的应用范围更广，便于本发明的推广利用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为第一振荡器结构示意图；
图3为第二振荡器结构示意图；
图4为电容检测模块结构示意图；
图5为未有手指按压的电容波形检测波形图；
图6为有手指按压的电容波形检测波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1至图4所示：一种用于指纹识别的低功耗电容检测装置，包括第一振荡器、第二振荡器、电容检测模块和寄存器配置模块，该第一振荡器为图中的振荡器Oscillator A，该第二振荡器为图中的振荡器Oscillator B，该第一振荡器和第二振荡器采用RC张弛振荡器结构，该结构灵敏度高易于实现；
第一振荡器和第二振荡器内的元件具有相同参数配置，电容检测模块包括第一移位寄存器和第二移位寄存器，该第一移位寄存器和第二移位寄存器分别为六位移位寄存器。该第一振荡器的第一输出端与第一移位寄存器的控制端口相连，该第一振荡器的第二输出端经反向器与第二移位寄存器的控制端口相连；
第二振荡器的采集端口采集信号，第二振荡器的输出端口分别与第一移位寄存器数据端口和第二移位寄存器数据端口相连。
寄存器配置模块对所述第一移位寄存器和所述第二移位寄存器进行选择输出，该寄存器配置模块为Mux数据选择输出器，该寄存器配置模块可以由mcu控制，调节采用4-6个触发器来产生手指按压信号。
第一振荡器包括比较器COMP1，该比较器COMP1第一输入端与参考电压VREF相连，该比较器COMP1第二输入端经电容CR1接地，该比较器COMP1第二输入端还经电阻RFA与电源VDD相连，该比较器COMP1第二输入端还经第一开关S1接地，该比较器COMP1输出端VCOA控制第一开关S1开断；
第二振荡器包括比较器COMP2，该比较器COMP2第一输入端与参考电压VREF相连，该比较器COMP1第二输入端经电容CR2接地，该比较器COMP2第二输入端还经电阻RFb与电源VDD相连，该比较器COMP2第二输入端还经第二开关S2接地，该比较器COMP2输出端VCOb控制第一开关S2开断，电阻Rfb与电容CR2的公共端为电阻Rfb与电容CR2的公共端为采集端口，该采集端口为手指电容Cx输入端口。
本发明工作原理：
振荡器Oscillator A和振荡器Oscillator B均采用RC张弛振荡器结构，振荡器Oscillator B中包含手指按压金属环Finger，当人体接触到金属环Finger时相当于增加电容Cx与电容Cr2、第二开关S2并联。振荡器Oscillator A作为电容检测模块的参考输入，振荡器Oscillator A与振荡器Oscillator B的电容电阻参数均完全相同。
首先第一开关S1和第二开关S2均处于断开状态，电源VDD通过对应电阻Rfa和Rfb向电容Cr1和Cr2充电。当充电达到比较器阈值电压Vref时，比较器输出Vcoa和Vcob为高电平，控制第一开关S1和第二开关S2进入连接状态，此时电容Cr1和电容Cr2经过通路S1和S2放电。当放电电压低于Vref时，比较器输出Vcoa和Vcob为低电平，第一开关S1和第二开关S2断开，开始进行一下轮的充电操作。通过控制Vref的大小，本发明控制Vcob输出占空比为50％以上。当手指按压Finger金属环时，电容Cx使能，电容Cx电容值在50-100pF，电容Cx与电容Cr2并联工作。发明中电容Cr1与电容Cr2的电容值均低于10pF，因此手指按压后振荡器Oscillator B的电容增量
Figure BDA0001414447510000051
可以达到5倍以上，对应比较器输出Vcob的频率降低4倍以上。
振荡器Oscillator A输出电压Vcoa第一支路作为时钟信号Clk_coa输入到第一移位寄存器控制端口中，第二支路作为时钟信号Clk_coa经反向器输入到第二移位寄存器的控制端口中，第一移位寄存器为时钟信号Clk_coa上升沿控制，第二移位寄存器为时钟信号Clk_coa下降沿控制。
振荡器Oscillator B输出电压Vcob作为数据信号Data_cob输入到第一移位寄存器和第二移位寄存器的数据端口中，第一移位寄存器和第二移位寄存器的输出信号Q均由寄存器配置模块进行信号控制选择输出，该寄存器配置模块为Mux数据选择输出器。由于电路参数存在细微差异，故数据信号Data_cob以及时钟Clk_coa一定会出现相位上的差异。
具体如图5所示：当无手指按压时，在每个Clk_coa上升沿采集的数据一定恒定为高电平1或者低电平0；同样，在每个Clk_coa下降沿采集的数据一定刚好和上升沿采集数据相反。此种情况和采用计数器的方式相比，可以极大的减小寄存器的翻转功耗。
具体如图6所示：当有手指按压时，假设此时数据信号Data_cob的频率是时钟信号Clk_coa的4倍。在Clk_coa的4个连续的上升沿和下降沿，其中两个上升沿对第一移位寄存器作用，该寄存器配置模块从第一移位寄存器前两个触发器的输出端Q采集到两个输出信号，两个下降沿对第二移位寄存器作用，该寄存器配置模块从第二移位寄存器前两个触发器的输出端Q采取到两个输出信号。该四个输出信号相同，同时为高电平或者同时为低电平。通过该种方式可以判断有手指按压。此外考虑到环境因素等带来的影响，在Clk_coa作用下，数据信号data_cob会出现1-2周期的变动，因此寄存器配置模块可以由控制器进行控制调节，依照需要的输出信号数量，mcu对寄存器进行配置可采用4-6个寄存器来产生手指按压信号，当需要输出4个信号时，mcu设置寄存器配置模块的信号采集数量为4，寄存器配置模块读取电容检测模块前四个输出信号，当需要输出6个信号时，mcu设置寄存器配置模块的信号采集数量为6，寄存器配置模块读取电容检测模块前六个输出信号。

Claims (2)

1.一种用于指纹识别的低功耗电容检测装置，其特征在于：包括第一振荡器、第二振荡器、电容检测模块和寄存器配置模块；
所述第一振荡器和所述第二振荡器具有相同参数配置，所述电容检测模块包括第一移位寄存器和第二移位寄存器，该第一振荡器的第一输出端与第一移位寄存器的控制端口相连，该第一振荡器的第二输出端经反向器与第二移位寄存器的控制端口相连；
所述第二振荡器的采集端口采集手指电容信号，所述第二振荡器的输出端口分别与所述第一移位寄存器数据端口和所述第二移位寄存器数据端口相连；
所述寄存器配置模块对所述第一移位寄存器和所述第二移位寄存器进行选择输出；
所述第一振荡器包括比较器COMP1，该比较器COMP1第一输入端与参考电压VREF相连，该比较器COMP1第二输入端经电容CR1接地，该比较器COMP1第二输入端还经电阻RFA与电源VDD相连，该比较器COMP1第二输入端还经第一开关S1接地，该比较器COMP1输出端VCOA控制第一开关S1开断；
所述第二振荡器包括比较器COMP2，该比较器COMP2第一输入端与参考电压VREF相连，该比较器COMP1第二输入端经电容CR2接地，该比较器COMP2第二输入端还经电阻RFb与电源VDD相连，该比较器COMP2第二输入端还经第二开关S2接地，该比较器COMP2输出端VCOb控制第一开关S2开断，电阻Rfb与电容CR2的公共端为采集端口，该采集端口为手指电容Cx输入端口。
2.根据权利要求1所述一种用于指纹识别的低功耗电容检测装置，其特征在于：所述第一移位寄存器和所述第二移位寄存器分别包括至少四个触发器。
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