本發(fā)明屬于指紋識別領(lǐng)域，尤其涉及一種智能變頻3D指紋傳感器。

背景技術(shù)：

指紋識別，即指通過比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)來進(jìn)行鑒別。指紋識別技術(shù)涉及圖像處理、模式識別、計算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、小波分析等眾多學(xué)科。由于每個人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定，各種類型指紋采集設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，然而，由于每次捺印的方位不完全一樣、著力點(diǎn)不同，采集到的指紋會有不同程度的變形，因此通常會采集到大量模糊指紋，增加指紋識別的難度。因此，如何正確提取指紋特征和實(shí)現(xiàn)正確指紋匹配，是指紋識別技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵。

然而，目前市面上的指紋采集器通常都體積較大，不能夠識別假指紋，無法采集過干或者過濕的指紋，有些功能較全面的指紋采集器價格昂貴，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于大批量生產(chǎn)，不適于推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種智能變頻3D指紋傳感器，旨在解決目前的指紋采集器體積大，無法識別假指紋或采集過干、過濕指紋，且價格昂貴，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于大批量生產(chǎn)和推廣的問題。

本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種智能變頻3D指紋傳感器，其安裝在便攜式移動通信設(shè)備上，所述智能變頻3D指紋傳感器包括系統(tǒng)級芯片和設(shè)置在系統(tǒng)級芯片外周的金屬邊框，所述系統(tǒng)級芯片包括：

發(fā)出指紋采集信號以采集指紋，并生成3D指紋模擬信號的指紋采集模塊；

與所述指紋采集模塊連接，將所述3D指紋模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；

與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接對其進(jìn)行控制，并對所述數(shù)字信號進(jìn)行處理和識別，生成處理和識別結(jié)果的主控模塊；

與所述主控模塊連接，控制所述主控模塊和所述便攜式移動通信設(shè)備之間進(jìn)行信息交互的I/O控制模塊；

與所述指紋采集模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊和I/O控制模塊均連接，并提供電能的電源管理模塊；

所述指紋采集模塊為集成了N個硅電容傳感器的電容式指紋采集模塊；

所述主控模塊包括通過發(fā)射射頻脈沖信號來采集指紋、并對該射頻信號進(jìn)行變頻處理以提取合格的3D指紋射頻信號的線性采集單元，所述線性采集單元通過所述金屬邊框發(fā)送射頻脈沖信號至手指，以采集指紋。

優(yōu)選的，所述主控模塊和電源管理模塊之間連接有上電復(fù)位電路。

優(yōu)選的，所述上電復(fù)位電路包括一個電阻和一個電容，其中，所述電阻的一端連所述電源管理模塊、另一端與所述電容的一端共接于所述主控模塊，所述電容的另一端接地。

優(yōu)選的，所述主控模塊為單片機(jī)，其還包括可生成時鐘脈沖的低功耗振蕩電路。

優(yōu)選的，所述電源管理模塊包括低電壓差穩(wěn)壓電路，所述低電壓差穩(wěn)壓電路通過一個電容量為1uF的濾波電容與所述便攜式移動通信設(shè)備的電源電路連接。

優(yōu)選的，所述電源管理模塊還包括與所述電壓差穩(wěn)壓電路連接的電流限制電路。

優(yōu)選的，所述智能變頻3D指紋傳感器還包括集成在所述系統(tǒng)級芯片外表面的、作為所述系統(tǒng)級芯片中各模塊與所述便攜式移動通信設(shè)備間的連接端口的SPI接口。

優(yōu)選的，所述智能變頻3D指紋傳感器為方狀體，其長度為8mm～15mm、寬度為8mm～15mm、高度為0.3mm～0.8mm。

優(yōu)選的，所述N≥128×128。

優(yōu)選的，所述便攜式移動通信設(shè)備為手機(jī)、筆記本電腦或平板電腦。

本發(fā)明實(shí)施例提供的智能變頻3D指紋傳感器，通過高度集成為系統(tǒng)級芯片，使其體積大為減小，可以安裝在各種便攜式移動通信設(shè)備上；通過電容式指紋采集模塊來采集指紋，使得指紋采集信號能夠深入手指真皮層，達(dá)到識別活體指紋，辨別假指紋的目的；通過線性采集單元發(fā)射射頻信號來采集指紋，使手指處于過干或者過濕狀態(tài)時，均能采集到清晰完整的指紋；通過內(nèi)部集成上電復(fù)位電路，保證了所述智能變頻3D指紋傳感器的正常開啟；通過內(nèi)部集成低電壓差穩(wěn)壓電路，保障所述智能變頻3D指紋傳感器的輸入電壓較低且平穩(wěn)，時期能夠穩(wěn)定的工作，同時也使得所述智能變頻3D指紋傳感器接入不同的便攜式移動通信設(shè)備時，只需再額外接入一個濾波電容就能達(dá)到優(yōu)質(zhì)的濾波效果，保證接入時電壓的平滑和穩(wěn)定；通過內(nèi)部集成低功耗振蕩電路，使得所述智能變頻3D指紋傳感器休眠時的功耗更低，且無需再額外連接外部晶振器或脈沖時鐘；通過內(nèi)部集成電流限制電路，保證所述智能變頻3D指紋傳感器在電流過高時的安全性；通過采用SPI接口，使得所述智能變頻3D指紋傳感器能夠方便的接入各種外圍器件；通過內(nèi)部集成通過使各功能性部件模塊化，簡化了內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，且價格適中，易于生產(chǎn)和推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施里提供的智能變頻3D指紋傳感器安裝于便攜式移動通信設(shè)備時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的智能變頻3D指紋傳感器的基本結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的智能變頻3D指紋傳感器的具體結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的智能變頻3D指紋傳感器100，其安裝在便攜式移動通信設(shè)備200上，所述智能變頻3D指紋傳感器包括系統(tǒng)級芯片101和設(shè)置在該系統(tǒng)級芯片101外周的金屬邊框102。

如圖2和圖3所示，所述系統(tǒng)級芯片101包括：

發(fā)出指紋采集信號以采集指紋，并生成3D指紋模擬信號的指紋采集模塊10；與所述指紋采集模塊10連接，將所述3D指紋模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊20；與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊20連接對其進(jìn)行控制，并對所述數(shù)字信號進(jìn)行處理和識別，生成處理和識別結(jié)果的主控模塊30；與所述主控模塊30和所述便攜式移動通信設(shè)備200連接，控制所述主控模塊30和所述便攜式移動通信設(shè)備200之間進(jìn)行信息交互的I/O控制模塊40；與所述指紋采集模塊10、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊20、主控模塊30和I/O控制模塊40均連接，并提供電能的電源管理模塊50；所述指紋采集模塊10為內(nèi)部高度集成了N個硅電容傳感器的電容式指紋采集模塊；所述主控模塊30包括通過發(fā)射射頻脈沖信號來采集指紋，并對該射頻信號進(jìn)行變頻處理以提取合格的3D指紋射頻信號的線性采集單元31；所述線性采集單元31通過所述金屬邊框發(fā)送射頻脈沖信號至手指，以采集指紋；其中，N≥128×128。

在具體應(yīng)用中，所述系統(tǒng)級芯片的輸入電壓為1.8V～3.3V；所述智能變頻3D指紋傳感器的上表面涂覆有特殊的耐磨抗劃傷涂層，該圖層的硬度高達(dá)7H，能歷經(jīng)3千萬次以上的按壓。

所述指紋采集模塊10為內(nèi)部高度集成了至少128×128(按128×128陣列排布)個硅電容傳感器的電容式指紋采集模塊，即所述指紋采集模塊10采集到的指紋圖像的像素≥128×128pixels。在具體應(yīng)用中，所述智能變頻3D指紋傳 感器100的掃描面積≥7.04×7.04mm²。電容式指紋采集模塊10發(fā)出的指紋采集信號可穿過手指的表面和死性皮膚層，到達(dá)手指皮膚的真皮層，因而可以識別非活體的假指紋，并且其采集的指紋圖像質(zhì)量較好、成像精度高，尺寸較小、易集成于各種設(shè)備，成本低，而且耗電量很小、結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜、靈敏度高，過載能力強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)特性好，對高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)，可廣泛推廣。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器20，即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC(Analog-to-Digital Converte)，其將指紋模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。在具體的應(yīng)用中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器20具有精準(zhǔn)的參考基準(zhǔn)，且其內(nèi)部集成有模擬量預(yù)處理電路，保障了ADC的轉(zhuǎn)換精度，本實(shí)施例中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器20的模數(shù)轉(zhuǎn)換速率可達(dá)ns(納秒)級。

所述主控模塊30包括通過發(fā)射射頻脈沖信號來采集指紋的線性采集單元31，線性采集單元31是基于射頻傳感器技術(shù)的指紋采集單元，其通過發(fā)射出微量射頻脈沖信號，可穿透手指的表皮層去控測手指里層的紋路，然后通過變頻，濾波，放大等處理提取合格的射頻信息，來獲得最佳的指紋圖像。因此對過干、過濕手指、臟手指等難以識別的手指指紋的識別率在99.9％以上，防偽指紋能力強(qiáng)，并且其只對手指的真皮層有反應(yīng)，從根本上杜絕了假指紋的問題。

如圖2所示，所述主控模塊30和電源管理模塊50之間連接有上電復(fù)位電路60，所述上電復(fù)位電路60包括一個電阻和一個電容，其中，所述電阻的一端連所述電源管理模塊50、另一端與所述電容的一端共接于所述主控模塊30，所述電容的另一端接地。

所述智能變頻3D指紋傳感器通電的瞬間，通過所述上電復(fù)位電路60即可自行完成整個系統(tǒng)級芯片的復(fù)位。上電瞬間，所述電容的充電電流最大，電容相當(dāng)于短路，此時所述電容與所述電阻的共接端為低電平，系統(tǒng)自動復(fù)位，此時電容兩端的電壓達(dá)到所述電源管理模塊50所提供的電源電壓時，所述電容充電電流為零，電容相當(dāng)于開路，此時所述電容與所述電阻的共接端為高電平，所述智能變頻3D指紋傳感器開始正常運(yùn)行。

所述主控模塊30為單片機(jī)，其還包括可生成時鐘脈沖的低功耗振蕩電路31。所述主控模塊30及其低功耗振蕩電路31在每次上電的過程中，由于電路回路中通常存在一些容量大小不等的濾波電容，使得所屬單片機(jī)芯片在其電源引腳之間所感受到的電源電壓值，是從低到高逐漸上升的，該過程所持續(xù)的時間一般為1～100ms。在單片機(jī)的電壓上升到適合其低功耗振蕩電路31運(yùn)行的范圍并且穩(wěn)定下來之后，其低功耗振蕩電路31開始啟動，具體包括偏置、起振、鎖定和穩(wěn)定幾個過程，該過程所持續(xù)的時間為1～50ms。

所述電源管理模塊50包括低電壓差穩(wěn)壓電路51，所述低電壓差穩(wěn)壓電路51通過一個電容量為1uF的濾波電容與所述便攜式移動通信設(shè)備200的電源電路連接。在具體應(yīng)用中，該低電壓差穩(wěn)壓電路51的輸入電壓為3.3V。

所述低電壓差穩(wěn)壓電路51為，通過串聯(lián)調(diào)整管、兩個取樣電阻和比較放大器組成的基本的低電壓差穩(wěn)壓電路。取樣電壓加在比較放大器的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準(zhǔn)電壓相比較，兩者的差值經(jīng)比較放大器放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓；當(dāng)輸出電壓降低時，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動電流增加，串聯(lián)調(diào)整管壓降減小，從而使輸出電壓升高；相反的，若輸出電壓超過所需要的設(shè)定值，比較放大器輸出的前驅(qū)動電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過程中，輸出電壓校正連續(xù)進(jìn)行，調(diào)整時間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應(yīng)速度的限制。該電路可以保障所述智能變頻3D指紋傳感器的輸入電壓可以盡量的低，使得所述智能變頻3D指紋傳感器100可以在更寬的電壓輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。因此，需要通過一個電容量為1uF的濾波電容與所述便攜式移動通信設(shè)備200的電源電路連接，就能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的濾波效果，大大簡化了電路的設(shè)計難度，同時降低了成本。引入濾波電容的原因是要獲得平滑穩(wěn)定的電壓，因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔?，所以它能抑制電壓的波動，使電壓變得平穩(wěn)光滑。濾波電容的主要作用有兩個：一是，去除器件之間的交流射頻耦合；二是，并將器件的電源端上瞬間的尖峰、毛刺對地短路掉。

所述電源管理模塊50還包括與所述低電壓差穩(wěn)壓電路51連接的電流限制電路52。所述電流限制電路52為，通過一個比較放大器和一個限流電阻組成的基本的電流限制電路。其能夠?qū)λ鲋悄茏冾l3D指紋傳感器起到過流保護(hù)電路作用。當(dāng)?shù)碗妷翰罘€(wěn)壓電路51輸出的電流超過額定值時，所述電流限制電路52限制其調(diào)整管發(fā)射極電流固定在某一數(shù)值或迅速減小，從而保護(hù)其調(diào)整管不會因電流過大而燒壞。

所述智能變頻3D指紋傳感器100還包括集成在所述系統(tǒng)級芯片101外表面的、作為所述系統(tǒng)級芯片101中各模塊與所述便攜式移動通信設(shè)備200間的連接端口的SPI接口70。所述SPI(Serial Peripheral Interface)接口70，是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使所述系統(tǒng)級芯片100與所述便攜式移動通信設(shè)備200以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。

如圖1所示，所述智能變頻3D指紋傳感器100為方狀體，其長度為8mm～15mm、寬度為8mm～15mm、高度為0.3mm～0.8mm。

在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述智能變頻3D指紋傳感器100的長、寬、高分別為10mm、10mm、0.6mm。由于其體積較小，因而可以適用于大多數(shù)對尺寸有要求的小型設(shè)備上。在具體應(yīng)用中，所述便攜式移動通信設(shè)備200可以為手機(jī)、筆記本電腦或平板電腦等。

利用所述智能變頻3D指紋傳感器100來采集指紋的具體原理為：當(dāng)手指放在所述智能變頻3D指紋傳感器100上之后，所述智能變頻3D指紋傳感器100會通過其線性采集單元31和指紋采集模塊10分別檢測所述金屬邊框和手指皮膚上的電場強(qiáng)度，并將該電場強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為載有電壓信號的指紋采集信號，然后將所述線性采集單元31和指紋采集模塊10內(nèi)的每個指紋采集單元所產(chǎn)生的電壓信號按順序輸出到所述線性采集單元31和指紋采集模塊10內(nèi)部的電壓放大器使所述電壓信號的強(qiáng)度增加，然后通過所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器20將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號。

本發(fā)明的智能變頻3D指紋傳感器100通過同時采用基于射頻指紋識別技 術(shù)的線性采集單元31和電容式指紋采集模塊10的方式，來采集指紋，使得所述智能變頻3D指紋傳感器100在任何環(huán)境條件下都能準(zhǔn)確地檢測和獲取人體的指紋和手指動作，通過該方式可以使所述智能變頻3D指紋傳感器100具有最佳的手指指紋識別性能和手指的運(yùn)動軌跡獲取性能。

本發(fā)明的智能變頻3D指紋傳感器100還遵循IEC61000-4-2級防靜電標(biāo)準(zhǔn)，能夠經(jīng)歷超過3千萬次按壓而不損壞，其還可適用于特別寒冷或特別酷熱的地區(qū)，運(yùn)行溫度范圍為-20℃～70℃，體積降到很小的情況下依然可以保證圖像質(zhì)量，并且成本低廉，可廣泛應(yīng)用于各種小尺寸或小體積的設(shè)備中。

本發(fā)明實(shí)施例提供的智能變頻3D指紋傳感器，通過高度集成為系統(tǒng)級芯片，使其體積大為減小，可以安裝在各種便攜式移動通信設(shè)備上；通過電容式指紋采集模塊來采集指紋，使得指紋采集信號能夠深入手指真皮層，達(dá)到識別活體指紋，辨別假指紋的目的；通過線性采集單元發(fā)射射頻信號來采集指紋，使手指處于過干或者過濕狀態(tài)時，均能采集到清晰完整的指紋；通過內(nèi)部集成上電復(fù)位電路，保證了所述智能變頻3D指紋傳感器的正常開啟；通過內(nèi)部集成低電壓差穩(wěn)壓電路保障所述智能變頻3D指紋傳感器的輸入電壓較低且平穩(wěn)，時期能夠穩(wěn)定的工作，同時也使得所述智能變頻3D指紋傳感器接入不同的便攜式移動通信設(shè)備時，只需再額外接入一個濾波電容就能達(dá)到優(yōu)質(zhì)的濾波效果，保證接入時電壓的平滑和穩(wěn)定；通過內(nèi)部集成低功耗振蕩電路，使得所述智能變頻3D指紋傳感器休眠時的功耗更低，且無需再額外連接外部晶振器或脈沖時鐘；通過內(nèi)部集成電流限制電路，保證所述智能變頻3D指紋傳感器在電流過高時的安全性；通過采用SPI接口，使得所述智能變頻3D指紋傳感器能夠方便的接入各種外圍器件；通過內(nèi)部集成通過使各功能性部件模塊化，簡化了內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，且價格適中，易于生產(chǎn)和推廣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。