超声波指纹识别技术在汽车进入系统中的应用

2018-10-10吴丽华

汽车工程师 2018年9期

吴丽华

（比亚迪汽车工业有限公司）

现在大部分汽车厂商都已经具备无钥匙进入系统的技术，但是这种无钥匙进入系统仍需要驾驶员把钥匙带在身边，完全没有摆脱出门找钥匙的困扰。随着图像识别技术的发展，越来越多的人开始研究将生物特征作为身份识别的可能性，而指纹识别技术就是在这样的环境下诞生的。指纹作为一种生物特征，其特有的唯一性和随时间不变性让身份验证成为可能，进一步真正地实现不带钥匙就能够启动汽车[1]。由于在现实生活中指纹容易发生泄漏，所以就给了不法分子通过复制指纹盗取车辆的可能性，因而如何设计识别精度高又经济实用的指纹识别系统显得尤为重要。文章就超声波指纹传感器在汽车无钥匙进入系统中的应用展开了分析与讨论。

1 指纹传感器的发展

指纹识别传感器发展到现在已有3代[2]。

第1代是光学传感器，其原理是利用光在指纹凹凸纹路上折射的角度及反射光的明暗程度进行识别。

第2代是电容传感器，其原理是利用硅晶元与导电的皮下电解液形成的电场，指纹高低起伏的纹路会导致两者之间的压差出现不同的变化，进而实现准确识别。

第3代即文章所述的超声波传感器。

第1代和第2代指纹传感器采集到的是2D平面图像，因此很容易通过普通硅胶或导电硅胶复制指纹，这些破解方法已经在手机的应用中得以证实。尽管有些厂商已经在第2代电容传感器的基础上增加了活体指纹识别，但仍不能保证该方法100%不被破解。表1示出现在常见的指纹破解方法所用到的材料、工艺、概率及成功或失败的原因。

表1 常见指纹破解方法

2 超声波指纹识别的原理

通过对超声波传感器施加脉冲电压激励，使传感器发出超声波脉冲。由于入射声波在穿过不同介质或者显著声阻抗时会发生反射和透射，当两介质的声阻抗差异较大时（Z1＞＞Z2或 Z1＜＜Z2）[3]，透射率几乎为 0，声波几乎全部返回。超声波识别指纹时，两介质（空气和皮肤）声阻抗差异大，根据反射波在幅值、相位等信息上的变化，就可以建立内部指纹特征，确定指纹谷、脊的位置并生成具有3个维度的指纹图像。

当超声波检测到真皮下的指纹时，反射波声压和指纹形状轮廓有密切的关系，其反射声压（Pr/Pa）表示为：

式中：P0——入射波声压，Pa；

S——指纹轮廓面积，m2；

λ——超声波波长，m；

d——声源到指纹的距离，m。

从公式可以看出，只要提高传感器密度，提高入射波和反射波的识别分辨率，就能够确定指纹形状的大小，这是超声波指纹图像采集的基本原理，如图1所示，其采集深度可达到皮肤真皮层。

图1 超声波指纹图像采集原理

在检测到指纹图像之后，对其采取预处理、特征提取、特征比对及活体检测等一系列步骤，最终得出匹配结果，指纹图像处理流程，如图2所示。

图2 指纹图像处理流程

3 超声波指纹传感器的优点

1）安全性高。超声波扫描可以对指纹进行更深入的分析采样，能渗透到皮肤表面之下识别出指纹独特的3D特征，再加上血液活动、心率等活体检测技术[3]，使得超声波指纹传感器的安全性非常高。

2）穿透能力强。超声波传感器能够穿透如0.65 mm的铝合金、0.8 mm的有机玻璃、人工蓝宝石及塑料等，这就使得手指无需与指纹传感器直接接触，传感器进而可以隐藏在多种材质的内侧，免去了外界恶劣天气（如雨水、冰、雪及尘土等）对指纹识别的影响。

3）精度和深度高。超声波传感器在手指存在污垢、油脂以及汗水的情况下依然能够准确地识别指纹，甚至在水下也能成功解锁，这点是前2代传感器所不能媲美的。

4 智能进入系统设计

4.1 系统原理

智能进入系统由单片机（MCU）、指纹模组、车身控制器（BCM）和外围电路等组成，如图3所示，初始状态下指纹模块处于休眠状态，当手指指纹按压指纹传感器时，指纹模组常电模块检测到指纹，指纹模组向MCUI/O口发送唤醒信号，触发工作。MCU唤醒之后通过控制电源向指纹模组主控供电。模组在供电的情况下进行指纹采集、指纹预处理、指纹特征提取及匹配等，最终得出含有匹配结果的一串协议码。MCU将得出的匹配结果进行识别并将结果以CAN报文的形式发送给钥匙控制器，钥匙控制器对结果进行双向加密验证，只有验证通过之后钥匙控制器才会发送给BCM和电子转向柱锁（ECL）[4]，这样整个基于超声波指纹识别的解闭锁过程就实现了。BCM除了要完成常规电子钥匙解锁的功能之外，如解锁、示廓闪烁及身份识别[5]等，还增加了其他辅助功能（智能座椅调节、智能后视镜调节、智能转向管柱调节）。

图3 智能进入系统框架

4.2 系统详细设计

4.2.1 硬件设计

硬件部分主要由MCU、指纹模组、电源及CAN收发器等组成。

4.2.1.1 MCU

本设计所采用的MCU为飞思卡尔64-Pin的MC9S08DZ60单片机，主要进行信息的处理以及信息的控制。它通过串口通信端口（SCI）和指纹模组相通信，通过CAN通信端口TXCAN以及RXCAN和CAN收发器通信。

作为整个硬件电路的“大脑”，MCU控制着硬件电路各个模块的工作以及相互间的通信，其具体功能，如表2所示。

表2 MCU功能描述

4.2.1.2 指纹模组

选用某型号为FZX-1008的6-Pin指纹识别模组。具体引脚布置及与MCU连接示意图，如图4所示。

图4 指纹模组引脚及与MCU连接示意图

其中1～6号引脚定义分别为：1）常电3.3 V，用来给指纹检测模块供电；2）唤醒信号（3.3 V的高电平信号）输出引脚，当模组检测到指纹时该引脚输出唤醒信号；3）MCU供电引脚，MCU检测到高电平信号后给该引脚供3.3 V电压；4）数据发送引脚；5）数据接收引脚；6）接地引脚。

4.2.1.3 电源

车载电源（12 V）通过二极管导通后，经ZD302稳压管稳压后输入L4949ED稳压芯片，产生5 V的稳压电源（供给MCU、CAN收发器），然后通过型号为AMS1117的正向低压降稳压器，产生3.3 V的稳压电源（常电），最后通过一个NPN管和一个PNP管的组合电路，输出一个非常电的3.3 V电源，如图5所示。

图5 智能进入系统电源电路的设计

4.2.1.4 CAN收发器

本模块选用NXP公司的TJA1042高速CAN收发器芯片，最高速度可达1 Mbit/s。TJA1042是TJA1040、PCA82C250和PCA82C51的升级版，TJA1042的电磁兼容性（EMC）更好，休眠状态的电流更小。其芯片的引脚及定义，如图6所示。

图6 TJA1042收发器引脚图

为了满足CAN电路物理层参数和EMC的需求，CANH（连接CAN高电平）和CANL（连接CAN低电平）要各连1个磁珠，磁珠可选择100 MHz交流频率时阻抗为220R或者更大的规格，需预留2个62R的终端电阻焊盘，并且封装要求是0805的。同时电源和地之间需要加一个电容来防止干扰，为了增加EMC性能，还需要在RXD和TXD的引脚上加上对地的电容，但是只能加小于20 pF的电容。

4.2.2 软件设计

软件的设计要以功能实现为最终目的。程序主函数设计之初要预先定义好的驱动包括：串口驱动、接口代码、CAN收发驱动和模组参数设置及指令协议处理模块。驱动完成之后再对寄存器进行配置以及端口的初始化，包括I/O口、定时器及串行接口等。在明确了每个端口的功能定义之后就能够在程序主函数里将指纹的匹配结果转化为相应标识符CAN帧格式，并发送到车辆启动网CAN总线上，进而实现该系统所具有的功能，具体流程，如图7所示。

图7 智能进入系统软件设计流程图

指纹识别的处理程序分为指纹录入和指纹匹配2个模块，通过MC9S08DZ60向其发送相应的协议码便可实现不同的功能，其具体流程，如图2所示。为了增加系统的防盗安全性，指纹匹配的结果不再是简单的高低电平信号，而是与功能模块类似的一串协议码，并规定有效数据位。只有当MC9S08DZ60正确识别该协议码中的有效数据，它才会向整车CAN网络发送相应报文。