CN201614803U - 一种低功耗的指纹锁 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种低功耗的指纹锁，包括电源供电系统、指纹传感器、指纹信号处理单元、按键单元、指纹控制处理器单元和电控锁驱动单元，所述的电源供电系统包括相互独立的第一电源输出通道、第二电源输出通道和第三电源输出通道，所述的第一电源输出通道的电源输出端接所述的指纹传感器和指纹信号处理单元的电源端，所述的第二电源输出通道的电源输出端接所述的指纹控制处理器单元的电源端，所述的第三电源输出通道的电源输出端接所述的电控锁驱动单元的电源端。由于分开为括指纹传感器、控制系统、数据处理器、锁体驱动机构供电，在待机时，可以完全关闭第一电源输出通道和第三电源输出通道，以节省大量的静态功耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及安全领域中利用个人的指纹进行身份识别的领域，特别涉及一种指纹锁，该指纹锁具有非常低的功耗。
背景技术
指纹锁是一种以人体指纹为识别载体和手段的智能锁具，它是计算机信息技术、电子技术、机械技术和现代五金工艺的完美结晶。指纹锁一般由电子识别与控制、机械联动系统两部分组成。指纹的唯一性和不可复制性决定了指纹锁是目前所有锁具中最为安全的锁种。
指纹是指手指末端正面皮肤上凸凹不平的纹路，尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但是，它蕴涵大量的信息，这些纹路在图案、断点和交点上是各不相同的，在信息处理中将它们称作″特征″，医学上已经证明这些特征对于每个手指都是不同的，而且这些特征具有唯一性和永久性，因此我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹特征和预先保存的指纹特征，就可以验证他的真实身份。因此，指纹的上述特性成为识别身份的最重要证据而广泛应用于公安刑侦及司法领域。指纹认证具有方便、快速、精确的特点。
如图1所示，指纹识别的门锁系统的硬件结构主要包括：指纹传感器、按键部分、指纹信号处理单元、指纹控制处理器单元、电源供电系统和电控锁驱动及以及锁体等，其中核心部分是指纹信号处理单元和指纹控制处理器单元，指纹信号处理单元和指纹控制处理器一般集成在一块PCB板上，其核心部件是处理器，一般是一种微处理器(MCU)和一个数字信号处理器(DSP)。其工作过程如下：指纹传感器采集到指纹信息后，在MCU的控制下通过串口与DSP进行通讯，完成对指纹的录入、删除、身份确认，通过验证后电机控制门锁会执行开关门的动作。
指纹锁的供电方式一般采用4节5号碱性电池，24小时保持开机，但大多数时间处于待机模式，当采集到一个开关信号便触发系统进入系统正常工作。因此指纹锁设备的功耗分为待机状态的静态功耗和正常工作时的动态功耗，静态功耗是指电路状态没有变化时的功耗，也就是上面所说的“待机”时的功耗；动态功耗是指有电路状态变化时的功耗，此时电路中电流比较大，会有比较大的功耗。
对一般的电子系统来讲，动态功耗是主要的，因为现在很多器件都采用CMOS工艺，相比TTL工艺，CMOS工艺器件的静态功耗很小，在许多系统中都可以忽略。但对于我们要讨论的指纹锁来说，由于要求电池带机时间长，而绝大部分时间又处于静态功耗的情况下，所以静态功耗也很重要.不能忽略。
因此对电池供电的指纹锁的供电系统，其待机的静态功耗太大，会导致电池寿命较短，使用者经常因为电池没有达到一定使用寿命而报警，甚至没有备用电源的情况下，给用户造成不必要的麻烦。
发明内容
为解决现有技术中指纹锁由于静态功耗太大而导致电池寿命较短给用户造成不必要的麻烦的不足，本实用新型提供一种低功耗的指纹锁。
本实用新型为了实现其技术目的所采用的技术方案是：一种低功耗的指纹锁，包括电源供电系统、指纹传感器、指纹信号处理单元、按键单元、指纹控制处理器单元和电控锁驱动单元，所述的电源供电系统的电源输出端接所述的指纹传感器、指纹信号处理单元、按键单元、指纹控制处理器单元和电控锁驱动单元的电源端，所述的电源供电系统包括相互独立的第一电源输出通道、第二电源输出通道和第三电源输出通道，所述的第一电源输出通道的电源输出端接所述的指纹传感器和指纹信号处理单元的电源端，所述的第二电源输出通道的电源输出端接所述的指纹控制处理器单元和按键单元的电源端，所述的第三电源输通道的电源输出端接所述的电控锁驱动单元的电源端。
进一步的，上述的一种低功耗的指纹锁中，所述的第二电源输出通道为低速，低纹波，静态功耗低降压型的低压差线性稳压器，所述的第一电源输出通道和第三电源输出通道为响应速度快，带使能，低温波，低噪音、高纹波抑的低压差线性稳压器，其电源使能端都接所述的处理器。
更进一步的，上述的一种低功耗的指纹锁中，所述的指纹控制处理器单元和按键单元为单片机，其供电电压为3.3V，具有内部晶振，唤醒装置是定时器或者外部中断信号或者键盘中断或者实时时钟，所述的第一电源输出通道和第三电源输出通道的使能端接所述的单片机。
由于指纹信号处理单元(DSP)和指纹传感器只是在开锁的过程中的指纹输入和比对才工作，其他时间关断其电源的输入，让其处于关断模式。锁体驱动只是在开锁工程中指纹比对成功后才开始被驱动，因此其他时间也可以处于关断状态。因此将这两部份分别使用独立的第一电源输出通道和第三电源输出通道供电，而将控制系统采用另外独立的第二电源输出通道供电以节省在静态功耗。
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作较为详细的描述。
附图说明
附图1为指纹锁系统框图。
附图2为本实用新型实施例1产品原理框图(一)。
附图3为本实用新型实施例1产品原理框图(二)。
具体实施方式
实施例1，如图2、图3所示：一种低功耗的指纹锁，包括电源供电系统、指纹传感器、指纹信号处理单元、按键单元、指纹控制处理器单元和电控锁驱动单元，所述的电源供电系统的电源输出端接所述的指纹传感器、指纹信号处理单元、按键单元、指纹控制处理器单元和电控锁驱动单元的电源端，本实施例中，电源供电系统包括相互独立的第一电源输出通道LDO1、第二电源输出通道LDO2和第三电源输出通道LDO3，第一电源输出通道LDO1的电源输出端接所述的指纹传感器和指纹信号处理单元DSP的电源端，所述的第二电源输出通道的电源输出端接所述的控制系统的电源端，控制系统包括MCU、键盘板、蜂鸣器、LED数码管和LED背光源等，第三电源输出通道的电源输出端接所述的电控锁体驱动单元的电源端。本实施例中第二电源输出通道为低速，低纹波，静态功耗低降压型的低压差线性稳压器，第一电源输出通道和第三电源输出通道为响应速度快，带使能，低温波，低噪音、高纹波抑的低压差线性稳压器(LDO)。LDO是lowdropout regulator，意为低压差线性稳压器。LDO是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。
本实施例指纹锁系统采用4节1.5V的电池供电，为了低功耗的电源设计需要满足以下要求：
1、系统在物理层次上选型需CMOS电路集成电路。
TTL电路的速度快，传输延迟时间短，但是功耗大。COMS电路的速度慢，传输延迟时间长，但功耗低，因此在节约功耗方面尽量选用COMS电路的集成电路，
下表为CMOS集成电路中主要的耗电类型
| 类型 | 公式 | 比率 |
| 动态功耗 | Psw＝aCVdd2f | 70％～90％ |
| 内部短路功耗 | Pint＝IintVdd | 10％～30％ |
| 静态漏电功耗 | Pleak＝IleakVdd | ＜1％ |
| 总功耗 | Ptotal＝Psw+Pint+Pleak | 100％ |
由上图可知，集成电路功耗消耗主要在动态功耗，其动态功耗主要反映在电路的信号变化过程中，电路中的电容不停的进行充放电而产生的，因此对于系统来说，可以在不用的电路，通过关断的方式来解决。由于本系统是24小时待机，因此其静漏电功耗也要考虑进去，如，
指纹信号处理单元(DSP)和传感器只是在开锁的过程中的指纹输入和比对才工作，其他时间关断其电源的输入，让其处于关断模式。
电控锁体驱动只是在开锁工程中指纹比对成功后才开始被驱动，因此其他时间也可以处于关断状态。
2、系统中的电源供电系统须具有电源合理分配电源功耗
电源系统有很多实现方式，如DC-DC，LDO。但考虑到DC-DC静态功耗相对慢速的LDO大得多，因此采用如图2所示的电源供电方式。
由于24小时保持开机，但大多数时间处于待机模式，需要求由电路静、动特性来满足功耗分配。由上图可知，本系统是通过三路LDO给系统供电，因此要通过各个部分得特性来选型LDO。LDO按其静态耗流来分，分为OmniPowerTM/MicroPowerTM/NanoPowerTM三种产品。
OmniPowerTM LDO的静态电流在100mA-1mA，MicroPowerTM LDO的静态电流在10mA-100mA，NanoPowerTM LDO的静态电流小于10mA，通常只有1mA，有的可以小到1uA。
LDO拓扑结构一致，但其补偿电路决定了其它相关特性，运放带宽做大点，响应做快点，驱动能力强点，就可以实现高速的功能，但其功耗和噪声就比较大了；相反运放带宽做小，响应做慢点，驱动能力弱点，就可以实现低功耗，低噪声。其带载能力却有限。根据系统功能特性，其LDO选型如下：
LDO1选型
传感器和指纹信号处理单元DSP只是在开锁过程的指纹输入、比对的时候才工作，因此LDO1主要工作在开锁状态，其待机的时候被关闭，其选型将要遵循响应速度快，带使能，低温波。本实施例选择输入电压最高可达10V、最大负载电流为250mA，反应速度为高速的，封装为SOT-23-5的低压差线性稳压器，输出电压为3.3V。本实施例中，LDO1在待机时完全断电，LDO1的使能端由处理器控制，当需要进行指纹采集时，处理器发出一个信号使电源工作。
LDO2选型
指纹锁控制系统指纹控制处理器单元，由于要在待机模式响应中断，因此需要24小时开机，因此其静态功耗至关重要，其选型需要满足，低速，低纹波，静态功耗低降压型调整期器。本实施例中，采用静态电流为仅2uA、最高输入电压为10V、最大负载电流为250mA，封装为SOT-89-3的低压差线性稳压器，输出电压为3.3V。
LDO3选型
电控锁驱动部分只是在开锁过程指纹比对成功后才被驱动，因此选型要满足响应速度快，带使能，低温波，低噪音、高纹波抑制。采用静态电流为仅2uA、最高输入电压为10V、最大负载电流为250mA，封装为SOT-89-3的低压差线性稳压器，输出电压为5V。本实施例中，LDO3在待机时完全断电，LDO3的使能端由处理器控制，进行指纹采比对正确需要开锁时，处理器发出一个信号使电源工作。
3、指纹控制处理器单元需实施精细功耗管理
在本系统中，选择3.3V作为单片机的供电电压；选择内部晶振，在节省外部资源的同时降低了功耗。当MCU进入完全掉电状态以后，可由看门狗定时器(利用复位或中断)、外部中断INT0/INT1、键盘中断、实时时钟等唤醒。INT0/INT1中断为下降沿/低电平有效，键盘中断为低电平有效，因此在进入中断前必须保证相应引脚为高电平，否则很难将MCU从完全掉电状态下唤醒。
控制器I/O口尽量去掉上拉电阻。
本实施例产品的耗电低的效果经过实验获得如下结果：
通过以上4个条件输入，其输出的结果如下：
◆静态待机功耗：5uA
◆动态功耗：150mA
◆最大开锁功耗：300mA。
◆4节5号南孚碱性电池待机时间为1.2年
Claims (3)
1.一种低功耗的指纹锁，包括电源供电系统、指纹传感器、指纹信号处理单元、按键单元、指纹控制处理器单元和电控锁驱动单元，所述的电源供电系统的电源输出端接所述的指纹传感器、指纹信号处理单元、按键单元、指纹控制处理器单元和电控锁驱动单元的电源端，其特征在于：所述的电源供电系统包括相互独立的第一电源输出通道、第二电源输出通道和第三电源输出通道，所述的第一电源输出通道的电源输出端接所述的指纹传感器和指纹信号处理单元的电源端，所述的第二电源输出通道的电源输出端接所述的指纹控制处理器单元和按键单元的电源端，所述的第三电源输通道的电源输出端接所述的电控锁驱动单元的电源端。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗的指纹锁，其特征在于：所述的第二电源输出通道为低速，低纹波，静态功耗低降压型的低压差线性稳压器，所述的第一电源输出通道和第三电源输出通道为响应速度快，带使能，低温波，低噪音、高纹波抑的低压差线性稳压器，其电源使能端都接所述的处理器。
3.根据权利要求1或2所述的一种低功耗的指纹锁，其特征在于：所述的指纹控制处理器单元和按键单元为单片机，其供电电压为3.3V，具有内部晶振，唤醒装置是定时器或者外部中断信号或者键盘中断或者实时时钟，所述的第一电源输出通道和第三电源输出通道的使能端接所述的单片机。
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