超聲波指紋識(shí)別技術(shù)在汽車(chē)進(jìn)入系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳麗華

（比亞迪汽車(chē)工業(yè)有限公司）

現(xiàn)在大部分汽車(chē)廠商都已經(jīng)具備無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的技術(shù)，但是這種無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)仍需要駕駛員把鑰匙帶在身邊，完全沒(méi)有擺脫出門(mén)找鑰匙的困擾。隨著圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的人開(kāi)始研究將生物特征作為身份識(shí)別的可能性，而指紋識(shí)別技術(shù)就是在這樣的環(huán)境下誕生的。指紋作為一種生物特征，其特有的唯一性和隨時(shí)間不變性讓身份驗(yàn)證成為可能，進(jìn)一步真正地實(shí)現(xiàn)不帶鑰匙就能夠啟動(dòng)汽車(chē)[1]。由于在現(xiàn)實(shí)生活中指紋容易發(fā)生泄漏，所以就給了不法分子通過(guò)復(fù)制指紋盜取車(chē)輛的可能性，因而如何設(shè)計(jì)識(shí)別精度高又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的指紋識(shí)別系統(tǒng)顯得尤為重要。文章就超聲波指紋傳感器在汽車(chē)無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)中的應(yīng)用展開(kāi)了分析與討論。

1 指紋傳感器的發(fā)展

指紋識(shí)別傳感器發(fā)展到現(xiàn)在已有3代[2]。

第1代是光學(xué)傳感器，其原理是利用光在指紋凹凸紋路上折射的角度及反射光的明暗程度進(jìn)行識(shí)別。

第2代是電容傳感器，其原理是利用硅晶元與導(dǎo)電的皮下電解液形成的電場(chǎng)，指紋高低起伏的紋路會(huì)導(dǎo)致兩者之間的壓差出現(xiàn)不同的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別。

第3代即文章所述的超聲波傳感器。

第1代和第2代指紋傳感器采集到的是2D平面圖像，因此很容易通過(guò)普通硅膠或?qū)щ姽枘z復(fù)制指紋，這些破解方法已經(jīng)在手機(jī)的應(yīng)用中得以證實(shí)。盡管有些廠商已經(jīng)在第2代電容傳感器的基礎(chǔ)上增加了活體指紋識(shí)別，但仍不能保證該方法100%不被破解。表1示出現(xiàn)在常見(jiàn)的指紋破解方法所用到的材料、工藝、概率及成功或失敗的原因。

表1 常見(jiàn)指紋破解方法

2 超聲波指紋識(shí)別的原理

通過(guò)對(duì)超聲波傳感器施加脈沖電壓激勵(lì)，使傳感器發(fā)出超聲波脈沖。由于入射聲波在穿過(guò)不同介質(zhì)或者顯著聲阻抗時(shí)會(huì)發(fā)生反射和透射，當(dāng)兩介質(zhì)的聲阻抗差異較大時(shí)（Z1＞＞Z2或 Z1＜＜Z2）[3]，透射率幾乎為 0，聲波幾乎全部返回。超聲波識(shí)別指紋時(shí)，兩介質(zhì)（空氣和皮膚）聲阻抗差異大，根據(jù)反射波在幅值、相位等信息上的變化，就可以建立內(nèi)部指紋特征，確定指紋谷、脊的位置并生成具有3個(gè)維度的指紋圖像。

當(dāng)超聲波檢測(cè)到真皮下的指紋時(shí)，反射波聲壓和指紋形狀輪廓有密切的關(guān)系，其反射聲壓（Pr/Pa）表示為：

式中：P0——入射波聲壓，Pa；

S——指紋輪廓面積，m2；

λ——超聲波波長(zhǎng)，m；

d——聲源到指紋的距離，m。

從公式可以看出，只要提高傳感器密度，提高入射波和反射波的識(shí)別分辨率，就能夠確定指紋形狀的大小，這是超聲波指紋圖像采集的基本原理，如圖1所示，其采集深度可達(dá)到皮膚真皮層。

圖1 超聲波指紋圖像采集原理

在檢測(cè)到指紋圖像之后，對(duì)其采取預(yù)處理、特征提取、特征比對(duì)及活體檢測(cè)等一系列步驟，最終得出匹配結(jié)果，指紋圖像處理流程，如圖2所示。

圖2 指紋圖像處理流程

3 超聲波指紋傳感器的優(yōu)點(diǎn)

1）安全性高。超聲波掃描可以對(duì)指紋進(jìn)行更深入的分析采樣，能滲透到皮膚表面之下識(shí)別出指紋獨(dú)特的3D特征，再加上血液活動(dòng)、心率等活體檢測(cè)技術(shù)[3]，使得超聲波指紋傳感器的安全性非常高。

2）穿透能力強(qiáng)。超聲波傳感器能夠穿透如0.65 mm的鋁合金、0.8 mm的有機(jī)玻璃、人工藍(lán)寶石及塑料等，這就使得手指無(wú)需與指紋傳感器直接接觸，傳感器進(jìn)而可以隱藏在多種材質(zhì)的內(nèi)側(cè)，免去了外界惡劣天氣（如雨水、冰、雪及塵土等）對(duì)指紋識(shí)別的影響。

3）精度和深度高。超聲波傳感器在手指存在污垢、油脂以及汗水的情況下依然能夠準(zhǔn)確地識(shí)別指紋，甚至在水下也能成功解鎖，這點(diǎn)是前2代傳感器所不能媲美的。

4 智能進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)原理

智能進(jìn)入系統(tǒng)由單片機(jī)（MCU）、指紋模組、車(chē)身控制器（BCM）和外圍電路等組成，如圖3所示，初始狀態(tài)下指紋模塊處于休眠狀態(tài)，當(dāng)手指指紋按壓指紋傳感器時(shí)，指紋模組常電模塊檢測(cè)到指紋，指紋模組向MCUI/O口發(fā)送喚醒信號(hào)，觸發(fā)工作。MCU喚醒之后通過(guò)控制電源向指紋模組主控供電。模組在供電的情況下進(jìn)行指紋采集、指紋預(yù)處理、指紋特征提取及匹配等，最終得出含有匹配結(jié)果的一串協(xié)議碼。MCU將得出的匹配結(jié)果進(jìn)行識(shí)別并將結(jié)果以CAN報(bào)文的形式發(fā)送給鑰匙控制器，鑰匙控制器對(duì)結(jié)果進(jìn)行雙向加密驗(yàn)證，只有驗(yàn)證通過(guò)之后鑰匙控制器才會(huì)發(fā)送給BCM和電子轉(zhuǎn)向柱鎖（ECL）[4]，這樣整個(gè)基于超聲波指紋識(shí)別的解閉鎖過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了。BCM除了要完成常規(guī)電子鑰匙解鎖的功能之外，如解鎖、示廓閃爍及身份識(shí)別[5]等，還增加了其他輔助功能（智能座椅調(diào)節(jié)、智能后視鏡調(diào)節(jié)、智能轉(zhuǎn)向管柱調(diào)節(jié)）。

圖3 智能進(jìn)入系統(tǒng)框架

4.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要由MCU、指紋模組、電源及CAN收發(fā)器等組成。

4.2.1.1 MCU

本設(shè)計(jì)所采用的MCU為飛思卡爾64-Pin的MC9S08DZ60單片機(jī)，主要進(jìn)行信息的處理以及信息的控制。它通過(guò)串口通信端口（SCI）和指紋模組相通信，通過(guò)CAN通信端口TXCAN以及RXCAN和CAN收發(fā)器通信。

作為整個(gè)硬件電路的“大腦”，MCU控制著硬件電路各個(gè)模塊的工作以及相互間的通信，其具體功能，如表2所示。

表2 MCU功能描述

4.2.1.2 指紋模組

選用某型號(hào)為FZX-1008的6-Pin指紋識(shí)別模組。具體引腳布置及與MCU連接示意圖，如圖4所示。

圖4 指紋模組引腳及與MCU連接示意圖

其中1～6號(hào)引腳定義分別為：1）常電3.3 V，用來(lái)給指紋檢測(cè)模塊供電；2）喚醒信號(hào)（3.3 V的高電平信號(hào)）輸出引腳，當(dāng)模組檢測(cè)到指紋時(shí)該引腳輸出喚醒信號(hào)；3）MCU供電引腳，MCU檢測(cè)到高電平信號(hào)后給該引腳供3.3 V電壓；4）數(shù)據(jù)發(fā)送引腳；5）數(shù)據(jù)接收引腳；6）接地引腳。

4.2.1.3 電源

車(chē)載電源（12 V）通過(guò)二極管導(dǎo)通后，經(jīng)ZD302穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后輸入L4949ED穩(wěn)壓芯片，產(chǎn)生5 V的穩(wěn)壓電源（供給MCU、CAN收發(fā)器），然后通過(guò)型號(hào)為AMS1117的正向低壓降穩(wěn)壓器，產(chǎn)生3.3 V的穩(wěn)壓電源（常電），最后通過(guò)一個(gè)NPN管和一個(gè)PNP管的組合電路，輸出一個(gè)非常電的3.3 V電源，如圖5所示。

圖5 智能進(jìn)入系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)

4.2.1.4 CAN收發(fā)器

本模塊選用NXP公司的TJA1042高速CAN收發(fā)器芯片，最高速度可達(dá)1 Mbit/s。TJA1042是TJA1040、PCA82C250和PCA82C51的升級(jí)版，TJA1042的電磁兼容性（EMC）更好，休眠狀態(tài)的電流更小。其芯片的引腳及定義，如圖6所示。

圖6 TJA1042收發(fā)器引腳圖

為了滿足CAN電路物理層參數(shù)和EMC的需求，CANH（連接CAN高電平）和CANL（連接CAN低電平）要各連1個(gè)磁珠，磁珠可選擇100 MHz交流頻率時(shí)阻抗為220R或者更大的規(guī)格，需預(yù)留2個(gè)62R的終端電阻焊盤(pán)，并且封裝要求是0805的。同時(shí)電源和地之間需要加一個(gè)電容來(lái)防止干擾，為了增加EMC性能，還需要在RXD和TXD的引腳上加上對(duì)地的電容，但是只能加小于20 pF的電容。

4.2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)要以功能實(shí)現(xiàn)為最終目的。程序主函數(shù)設(shè)計(jì)之初要預(yù)先定義好的驅(qū)動(dòng)包括：串口驅(qū)動(dòng)、接口代碼、CAN收發(fā)驅(qū)動(dòng)和模組參數(shù)設(shè)置及指令協(xié)議處理模塊。驅(qū)動(dòng)完成之后再對(duì)寄存器進(jìn)行配置以及端口的初始化，包括I/O口、定時(shí)器及串行接口等。在明確了每個(gè)端口的功能定義之后就能夠在程序主函數(shù)里將指紋的匹配結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)標(biāo)識(shí)符CAN幀格式，并發(fā)送到車(chē)輛啟動(dòng)網(wǎng)CAN總線上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)所具有的功能，具體流程，如圖7所示。

圖7 智能進(jìn)入系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

指紋識(shí)別的處理程序分為指紋錄入和指紋匹配2個(gè)模塊，通過(guò)MC9S08DZ60向其發(fā)送相應(yīng)的協(xié)議碼便可實(shí)現(xiàn)不同的功能，其具體流程，如圖2所示。為了增加系統(tǒng)的防盜安全性，指紋匹配的結(jié)果不再是簡(jiǎn)單的高低電平信號(hào)，而是與功能模塊類似的一串協(xié)議碼，并規(guī)定有效數(shù)據(jù)位。只有當(dāng)MC9S08DZ60正確識(shí)別該協(xié)議碼中的有效數(shù)據(jù)，它才會(huì)向整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相應(yīng)報(bào)文。

5 結(jié)論

截至目前，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還沒(méi)有指紋解鎖技術(shù)的量產(chǎn)車(chē)型，由于超聲波指紋識(shí)別在安全性上較以往技術(shù)有大幅提升，使其在汽車(chē)運(yùn)用方面變得更加可能。指紋識(shí)別進(jìn)入系統(tǒng)在保障安全性的同時(shí)，大幅度地提高了使用便捷性，提升了用戶體驗(yàn)，從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)鑰匙”進(jìn)入。