（检测技术与自动化装置专业论文）基于指纹识别的汽车防盗系统研究.pdf

摘要 摘要 本文对现今国内外的汽车防盗系统进行了总结，提出并开发了一款基于指纹 识别技术的汽车防盗系统，该系统是以嵌入式系统为平台，指纹识别技术为应用， 具有低成本、低功耗、高可靠性的特点，经实验可以有效地实现车主进行身份鉴 别，对车辆起到防盗报警的作用。 本文根据人体指纹独有的唯一性、终身不变性和不易伪造性特点，将指纹识 别技术应用到汽车的防盗系统中来，实现对车主的身份识别，是当前汽车防盗新 的研究方向。系统是利用人体的指纹作为开启车辆唯一的识别方式，它采用了活 体指纹识别技术，通过对车主的指纹进行扫描以获得指纹特征，通过比对确认用 户的合法身份，只有授权用户的指纹方能开启车辆，如果是非法用户，系统将拒 绝操作并发出声光报警信号。与其他汽车防盗器相比，它克服了传统钥匙易被盗 窃、伪造、破译和丢失的缺陷。 本文设计的基于指纹识别的汽车防盗系统主要有以下几部分组成：基于 a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 1 0 高性能处理器、光学指纹识别模块、存储器、门锁点火报 警控制电路、矩阵键盘，系统电源以及外围电路等组成。本文完成了对整个系统 的需求分析、功能设计、硬件电路设计、l i n u x 操作系统的移植、模块的软件编 程、p c b 板的布局和制作以及最后系统的调试和运行。本系统的选型参照汽车电 子装置性能国家标准，使用嵌入式开发平台和技术，简化了外围电路的结构，降 低了系统的成本，为汽车防盗提供了低价格、低功耗、高性能的解决方案，为市 场的广泛应用和推广提供了可能。 本文所提出的基于指纹识别的汽车防盗系统设计方案为指纹识别在汽车防 盗系统上的广泛应用提供了研究参考。 关键字：汽车防盗指纹识别s 3 c 2 4 1 0 嵌入式系统l i n u x a b s t r a c t 一一一 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ye c o n o m y ，m o r e a n dm o r ep e o p l e h a v et h e i ro w na u t o m o b i l e a tt h es a m et i m e ，t h en u m b e r so fs t o l e na u t o m o b i l e s a r e r i s i n ge v e r yy e a r , i th a sb e c o m eas o c i a lp r o b l e m t h es y s t e mo fa u t og u a r da g a i n s t t h e f tw a sa b s o l u t e l yn e c e s s a r yf o rt h ee q u i p m e n to fv e h i c l e s t r a d i t i o n a la u t o 。g u a r d s v s t e mh a st o om u c hl i m i t a t i o n ，s u c ha se a s yt od e s t r o yo rd i s t u r bm i s c a r r i a g eo f i u s t i c ea n de t c n o w , an e wa u t o g u a r ds y s t e mc a nm e e t s t h er e q u i r e m e n t s ，w h i c hi s b a s e do nf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n i nm ep a p e r , i ts u m m a r i z e st h es t a t u so fa u t o - g u a r ds y s t e mf o r mh o m et o a b r o a dt h e np u t sf o r w a r das o l u t i o nt h a ti m p l e m e n t i n g a u t o m a t i cf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u eo na u t o g u a r ds y s t e m w h i c hb a s e do ne m b e d d e d t e c h n o l o g y t h ea u t o g u a r ds y s t e mu s e so w n e r sf i n g e r p r i n t a sak e yt ot h ev e h i c l e a tf i r s t ，i ta c q u i r e st h eu s e r sf i n g e r p r i n ta u t o m a t i c a l l ya n dc o m p a r e st h ef i n g e r p r i n t w i t hl i b r a r yt h e ns t a r tt h ed o o ro fv e h i c l ew h i l eb o t hw e r em a t c h e d ；o t h e r w i s ei t t r i g g e r st h ew a r n i n gs y s t e m t h ep a p e rd e s c r i b e sa u t o g u a r ds y s t e m ss t r u c t u r ea n df u n c t i o n s i ti l l u s t r a t e s t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i te l a b o r a t e sh o w t oa p p l yt h i st e c h n o l o g yt o t h ea u t o g u a r ds y s t e m i tm a i n l yf o c u s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r es u b s y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h em a i np a r to f $ 3 c 2 4 1 0 p r o c e s s o r f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ，f l a s hm e m o r y ，m e c h a n i c a ld o o r ，p o w e r s u p p l y ，l i n u xo p e r a t es y s t e ma n do t h e rr e l a t e de x t e r n a lc i r c u i t i td e s c r i b e s a l lp a r t s o ft h es y s t e mi nd e t a i l s i na d d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h ea u t o g u a r ds y s t e mb a s e do n t h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nm e e t sw i t ht h er e q u i r e m e n t sa n dh a st h ew e l lq u a l i t i e s o fl o wp o w e r ，l o wp r i c ea n dh i g hp e r f o r m a n c e t h ep a p e rp r e s e n t sa ne f f e c t i v ew a y a n de s t a b l i s h e san e wi m p l e m e n td i r e c t i o nf o r t h ea u t o g u a r ds y s t e m k e yw o r d s ：a u t og u a r d ，f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o n ，$ 3 c 2 410 ，e m b e d d e d s y s t e m ，l i n u x 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名。之叁迭 1彳 似年易月二矽日 簪口j 糸扁气专门) 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，汽车作为人类重要的交通工具其数量正在迅猛地 增加，根据国家统计局发布的权威数字，至2 0 0 7 年末，全国民用汽车保有量达到 5 6 9 7 万辆，比上年末增长1 4 3 ，其中私人汽车保有量3 5 3 4 万辆，增长2 0 8 。 民用轿车保有量1 9 5 8 万辆，增长2 6 7 ，私人轿车1 5 2 2 万辆，增长3 2 5 ( 2 0 0 7 年国民经济和社会发展统计公告，2 0 0 8 ) 。汽车市场规模不断扩大，私人消费成为 主流。如今，中国已取代日本成为仅次于美国的世界第二大新车消费市场，中国 同时还是仅次于日本和美国的世界第三大汽车生产国，国内汽车发展趋势如图 1 1 所示。 口民用轿车保有量( 万辆) 一私人轿车保有量( 万辆) 图1 1 国内汽车发展趋势图 与此同时，现代科技的发展促使犯罪分子的作案手段不断提高，车辆被盗事 件也屡见不鲜，传统的防盗技术己不能满足现实的需要。据不完全统计，我国每 年发生盗车案件1 0 万多起，平均每天被盗车辆3 0 0 多辆。就北京而言，北京市 公安局1 1 0 报警服务台每天都会接到1 0 余起机动车被盗的警情。如今，汽车防 盗已成为个重要的社会问题，防盗技术已经与安全、环保、节能一起被列为汽 车技术发展的四大课题。 目前北美生产的新车辆中，约4 0 车辆安装了电子防盗系统，据查相关数据 2 0 0 5 年该产品的全球销售额就已经达到3 7 亿美元，市场前景被广泛看好。从 2 0 世纪9 0 年代以来，汽车防盗技术得到了迅速发展，而由于我国汽车防盗技术 第一章绪论 的基础薄弱，研究工作起步较晚，发展还比较缓慢。如今，随着汽车产业在国内 的快速崛起，汽车整车销售带动防盗器市场的发展推动我国汽车防盗系统市场进 入了快速发展期，成为世界各路商家的必争之地，具有巨大的开发市场。 1 2 国内外研究现状和发展方向 2 0 世纪9 0 年代以来，随着科学技术的快速发展，使得计算机处理技术、传 感器技术、数据通讯技术、网络技术和控制技术等有效地应用于汽车防盗系统中 来，汽车防盗经过几十年的发展，安全性能得到了极大的改善和提高，防盗产品 也经历了有简单到复杂，由手动控制到智能化的不断变化发展过程。虽然国内外 市场上防盗器的种类繁多( 尹冬至，2 0 0 7 ) ，但归纳起来主要包括以下几种：机 械式防盗器、电子式防盗器、芯片式防盗器、网络式防盗器、生物识别防盗器。 1 机械式防盗器 机械式防盗器是比较常见而又古老的装置，其主要原理是采用机械方式来锁 止汽车上的某一机构，使其不能有效发挥应有作用来实现防盗，包括转盘锁和变 速手柄锁等，这种装置存在使用不隐蔽、只防盗不报警、容易被破坏而失去防盗 功能的缺陷。从市场发展情况看，由于功能性较少、外形不美观，使用不方便等 缺点已经开始淡出市场。 2 电子式防盗器 电子式防盗器是目前汽车市场上应用较多的防盗装置，这类产品繁多，国内 外大部分汽车在出厂时就配置了钥匙芯片防盗系统。利用钥匙中的无线电发射芯 片与本车的e c u 通讯后才能启动汽车发动机。电子式防盗器的致命伤在于：当 车主操纵遥控器时，偷车贼就可以用接收器或扫描器盗取遥控器发射的无线电波 或红外线，经解码就可以开启汽车的防盗系统，从而盗走车辆，给汽车的安全带 来极大隐患。 3 芯片式防盗器 芯片式防盗器是现在汽车防盗器发展的重点，大多数轿车均采用这种防盗方 式作为原配防盗器。芯片式数码防盗器基本原理是通过锁住汽车的发动机、电路 和油路达到防盗的目的，其数字化的密码重码率极低，而且要用密码钥匙接触车 上的密码锁才能开门。缺点是在没有芯片钥匙的情况下无法启动车辆，需要车主 妥善保存好密码钥匙，存在防盗种类单一的缺陷。 4 网络式防盗器 网络式防盗器是利用卫星定位系统g p s 确定车辆的位置，再通过g p r s 将 位置和报警信息传送到报警中心，报警中心通过g p r s 网络控制汽车断电断油 2 第一章绪论 等措施，使盗窃企图失败( 李智慧，王丽军，赵春明，2 0 0 5 ) 。其缺点是价格较高， 需要经常支付网络服务费，系统运行的功率较大，盗贼使用手机信号干扰器，就 可阻断车辆与报警中心的联系，使防盗系统失效。 5 生物识别防盗器 生物识别防盗器是当前研究的最新方向( 田捷，陈新建，2 0 0 6 ) ，它是利用人 体生物特征( 例如指纹、虹膜等) 的独特性，将其作为开启、启动车辆唯一的判 断依据，与其他汽车防盗器相比，它采用了活体生物识别技术，安装该产品的车 辆，只有被允许的用户的生物特征方能被系统所识别从而启动车辆。其安全程度 最高、性能也最稳定，但现阶段其价格较为昂贵，主要应用在国外的一些高档系 列汽车上，例如奔驰、宝马等品牌轿车，还远远没有普及到大众车辆上来。 生物识别防盗器主要包括两种：一种是指纹锁，利用每个人不同的指纹图 形特征制成的一种汽车控制锁。制作时先在锁内安装车主的指纹图形，当车主需 开启车门或启动车辆时，只要将手指往指纹采集仪上一按，如果指纹图形相符， 则打开车门或启动车辆发动机；还有一种是眼睛锁，是利用人体眼睛虹膜图像来 控制对车辆的启动操作。这种锁内设有虹膜识别和记忆系统，车主开锁时只需凑 近采集仪看一眼，虹膜图形与所存记录相吻合时，车门会自动打开，否则就会将 人拒之车外。 随着科学技术的发展，尤其是生物技术和嵌入式技术的广泛使用，汽车防盗 系统的可靠性( 徐荣峰，2 0 0 7 ) 得到了很大的提高，产品迈向芯片式、智能式、 网络式的发展方向，而这也为我们的研究提供了广阔的空间。 1 3 课题的研究目的和意义 本课题的研究对象是汽车防盗系统，经过广泛调研，基于指纹识别的汽车防 盗系统虽有在国外出现，但价格比较昂贵，通常装配在一些高档系列品牌的轿车 上；在国内该领略的相关研究还比较少，开发的产品种类单一，价格不菲，在国 内汽车上的广泛应用还有待时日，故对本课题的研究可以为国内汽车防盗领域的 研究和开发应用提供参考。 本课题的研究目的和意义在于： 1 在传统防盗器领域，引入了嵌入式系统理念，提出一种高性能的汽车安 全防盗解决方案，通过设计系统的软硬件平台，实现汽车的防盗功能。 2 将生物特征识别技术应用于汽车防盗系统中，这在当前生物识别技术快 速发展的背景下，该应用是一个很好的尝试和探索方向。 3 利用较低的硬件成本完成较高的系统功能，为汽车防盗系统市场探索出 一条低成本高性能的发展道路，为今后防盗系统在国内车辆上的广泛应用提供了 第一章绪论 研究参考。 1 4 内容与章节安排 本课题内容主要对汽车防盗器进行研究，在分析传统防盗系统原理及其应用 的基础上，针对传统汽车防盗器功能单一、结构简单、可靠性不高和价格昂贵的 缺点，在充分研究该系统各要素的基础上，开发一款以嵌入式a r m 9 处理器为 核心，生物指纹识别技术为应用，低成本、高性能的汽车防盗系统，实现对汽车 的防盗防抢功能。为今后市场应用和推广提供研究依据。 本文将主要围绕我所做的工作进行具体阐述，本论文的各个章节内容安排如 下： 第一章介绍了本课题研究的背景，分析了当前汽车防盗系统的现状和发展 趋势，以及本课题的研究目的和意义，提出了本文的研究内容和章节安排。 第二章主要描述了系统的总体设计方案，分析了系统设计目标，对系统进 行了需求分析和功能定义并提出了系统整体结构模型，介绍了其工作原理，最后 详细分述了系统硬件设计方案和软件设计方案。 第三章详细介绍了系统硬件电路的具体设计，描述了系统的硬件结构，按 照系统功能模块的分类，介绍了嵌入式处理器、指纹识别模块等主要芯片的功能 设计和使用，设计了系统内模块间接口和外围接电路，给出了硬件设计方案和电 路原理图，最后论述了在设计电路p c b 板时的布局和抗干扰问题。 第四章主要描述了系统的软件设计，介绍了系统的软件设计结构以及系统 的主程序流程图，将系统软件按照不同构件模块，具体分析每个构件的实现和工 作流程，给出了包括指纹识别模块的通讯程序设计，指纹启动程序设计，键盘扫 描程序设计，密码管理程序设计等说明。最后对嵌入式l i n u x 操作系统的选型的 移植做了介绍。 第五章主要对指纹识别的技术、指纹识别算法及其指纹图像的预处理和特 征提取进行了介绍，描述了指纹特征的分类和定义，概述了指纹识别技术的相关 应用。 第六章对指纹防盗系统的识别性能进行了测试，一方面是对系统的功能测 试。另一方面是对系统安装调试方面的考虑，同时对测试中出现的问题进行了描 述，并给出了改进措施。 第七章总结了本文的主要工作内容，并对系统的发展提出了进一步的展望。 4 第一章绪论 1 。5 本章小节 本章介绍了本课题研究的背景， 势，以及本课题的研究目的和意义， 分析了当前汽车防盗系统的现状和发展趋 提出了本文的研究内容和章节安排。 第二章系统总体设计 2 1 需求分析 第二章系统总体设计 通过对众多车辆盗窃案例的分析，可以发现汽车防盗系统失效是导致汽车被 盗的主要原因，其关键因素是大多数防盗系统都存在着或多或少的缺陷，如机械 防盗锁容易被撬、电子防盗易解码、网络防盗怕干扰，此外，更多的丢车典型是 车辆钥匙丢失或被盗以及被不法分子伪造和破译。前者可能要花费不菲的解锁费 用，后者则面临着汽车被盗的危险。 本文设计的汽车指纹识别防盗系统是通过识别用户的指纹来辨别用户的合 法身份，从而实现对车辆的开门，点火和声光报警等操作。人体的指纹拥有唯一 性、终身不变性、便携性和不易复制性的特点，将其作为开启汽车的唯一一把“钥 匙”，具有得天独厚的优势。系统设计时先在指纹库中录入车主( 或授权人员) 的指纹图像，当车主需开启车门或启动汽车时，只要将手指在门锁或车内的指纹 采集仪上按下，系统将自动获取车主的指纹图像，通过与系统内所存合法用户的 图像进行匹配，如果两者比对相符，系统将解除车辆防盗状态，执行相应的开启 车门或启动车辆动作；如果指纹图像比对不符，系统将拒绝执行相应的操作，同 时切断车辆的供油电路进行自锁，并发出声光报警信号，即使盗车贼进入车内或 盗取了钥匙也无法开走汽车，从而有效地实现了对车辆的防盗和报警功能。 2 。2 功能设计 本系统在设计时考虑到防盗系统性能和操作便捷的需要，设计的主要功能包 括如下方面： ( 1 ) 指纹开门 当车主需开启车门时，只要将手指在车门锁上的指纹采集器上按下，系统自 动获取到车主的指纹图像并与所存指纹数据库中的指纹进行匹配，若指纹比对正 确，识别为合法用户，系统解除车辆防盗状态，发出开门指令；若指纹比对不正 确，则系统拒绝进一步操作，同时切断车辆的供油电路进行白锁，并发出声光报 警信号。 ( 2 ) 指纹点火 当车主需启动车辆时，只要将手指在车辆启动指纹采集仪上按下，系统自动 获取到车主的指纹图像，并与指纹数据库中的指纹进行匹配，若指纹比对正确则 6 第二章系统总体设计 为合法用户，系统解除车辆防盗状态，接通点火控制电路启动车辆；若比对指纹 不是合法用户，则系统切断车辆的供油电路进行自锁，并发出声光报警控制信号。 ( 3 ) 声光报警防盗 系统在对用户进行指纹身份识别时，若匹配出错，系统认为是非法用户在对 车辆进行操作，则系统断开车辆供油控制电路，同时发出声光报警信号，提高系 统防盗性能。此外，当车辆遭受n j i - 在强力破坏时( 例如玻璃被砸或后备箱被撬 等) ，系统检测到所连传感器的异常变化，及时启动相应的自锁防盗i 口t f 警功能。 ( 4 ) 添加和删除指纹管理 车主添加和删除车辆用户合法( 指纹) ，所谓车主就是车辆的所有和管理者 或权威使用者，合法用户是指在车主授权下赋予部分用户对车辆具有限定操作权 限的操作。对家庭而言，家里的所有人指纹都可以录入系统设定为授权用户。对 单位车辆而言，车辆的管理者是车主，他( 她) 可以将相关的用车人员的指纹录入 系统设定为授权用户。同时，对一些先前是授权用户，现在己失去操作车辆权限 的用户，可以将其指纹从系统中删除，系统再次识别时就会辨别为非授权用户。 ( 5 ) 密码应急启动 当用户的手指出现异常情况( 如手指被划伤等) ，指纹采集器无法采集到指纹 信息时，或者因电力不足而指纹识别模块无法正常工作时，可用密码来应急启动 车辆。为保证系统安全，密码只供车主本人( 管理员) 使用，同时车主只有在指 纹身份识别通过情况下可以修改应急密码。为防止别人恶意试探密码，当连续三 次输入密码错误时，系统禁止输入密码，一小时后方可输入密码，从而降低密码 被破译的可能。 2 3 工作流程 指纹防盗系统设计工作流程如图2 1 所示： 7 第二章系统总体设计 开启车门 季 点火纹警揪j h ! 否 一l 是 匹配指纹库中指纹密码应急启动 t 乞念；会， ：芗y1 。哆 是 解除防盗状态 ， 接通点火电路 一 日 _k t ( 结束 ) 图2 1 系统工作流程图 8 第二章系统总体设计 2 4 本章小结 本章主要描述了系统的总体设计方案，针对防盗系统的特殊应用环境和汽车 电子装置性能的国标要求，进行了需求分析设计和选型，提出了整体设计方案。 同时对防盗系统的功能进行了设计和定义，主要包括：指纹开门、指纹点火、添 加删除指纹管理，密码应急启动等，最后介绍了系统的工作原理图。 9 第三章系统硬件设计 3 。1 硬件结构 第三章系统硬件设计 本系统根据汽车防盗系统的功能需求和车载电子的国标要求，从系统的体 积，功耗，性价比，易开发性和调试难度出发，设计了系统的系统整体结构、硬 件电路和外围器件。主要包括以下几个方面： 嵌入式a r m 9 系列的微处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，s d r a m 存储器和f l a s h 闪存， 构建一个嵌入式系统平台，其拥有出色的内核性能，丰富的外部接口和低功耗特 点。 指纹识别模块，自带有高速d s p 数字信号处理器完成对车主指纹的实时录 入和比对任务，其通过串口与处理器进行数据交换和通信。 光学指纹采集仪，共包含二枚，一枚可设计安装在车辆的门锁上，实现系统 的指纹开门，另一枚安装在车内，实现系统的点火启动。 开门、点火和声光报警控制电路，控制汽车的开门，点火启动和声光报警。 电压转换电路，可以将车载电压转换成系统需要的电压，保证系统的供电和 运行的稳定性。 4 4 矩阵键盘，该应急密码键盘是在车主的手指损伤无法获取指纹时用于 车辆的应急启动。 系统硬件结构如图3 1 所示： 图3 1 系统硬件结构图 第三章系统硬件设计 3 2 $ 3 c 2 4 1 0 处理器 本系统处理器采用了s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器$ 3 c 2 4 1 0 ， 该芯片内核工作电压1 8 v 2 o v ，外部i l o 口和存储器3 3 v 供电，最高工作频 率2 0 0 2 6 6 m h z ( s 3 c 2 4 1 0 a 一2 0 s 3 c 2 4 l o a 一2 0 ) 。 $ 3 c 2 4 1 0 的显著特性是它的c p u 核心，采用了a r m 9 2 0 t 内核( a r ml i m it e d ， 2 0 0 1 ) ，0 1 8 u m 工艺的c m o s 标准宏单元和存储器单元，实现了m m u ，a m b ab u s 和 h a r v a r d 高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据 c a c h e ，每个都是由8 字长的行( l i n e ) 构成。它的低功耗、精简和出色的全静态 设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器功能结构如图3 2 所示。 图3 2 $ 3 c 2 4 1 0 功能结构图 此外，该处理器性能优异( s a m s u n g ，2 0 0 2 ) ，提供丰富的内部设备，集成了 以下片上功能： 具备1 6 k b 的i c a c h e 和1 6 k b 的d - c a c h e m m u ； 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 色t f t ) 提供l 通道l c d 专用d m a ； 4 通道d m a 并e h ； l - 部请求引脚； 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 字节t x f i f o ，和1 6 字节r x f i f o ) 2 通道s p i ； l 通道多住i i c b u s 1 通道i i s b u s 控制器； 兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 1 兼容版； 2 端口u s b 主机i 端口u s b 设备( 1 1 版) ； 第三章系统硬件设计 4 通道p w m 定时器和l 通道内部定时器； 看门狗定时器； 1 1 7 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源； 功耗控制模式：具有普通，快速，空闲和掉电模式； 8 通道l o 比特a d c 和触摸屏接口； 具有日历功能的r t c 具有p l l 片上时钟发生器 $ 3 c 2 4 1 0 处理器集成了许多片上功能，大大减少了整个系统的成本，消除了 为系统配置额外器件的需要，为系统提供了低功耗、高性能的小型微控制器解决 方案。 3 3 指纹识别模块 本系统的指纹识别模块选用了杭州中正公司开发的一款s m 6 系列指纹识别 模块s m - 6 2 1 ( 中正公司，2 0 0 5 ) ，该模块有指纹采集仪和指纹处理主板两部分组 成，指纹采集仪采用光学指纹传感器，可以适应汽车电子防盗系统的恶劣工作环 境；指纹处理主板由高一1 2 ：龇h 匕d s p 处理器，f l a s h ，s d r a m ，外围电路与接口 等构成，其中高速d s p 处理芯片可以满足防盗系统对指纹进行获取和匹配的实 时处理要求。 指纹识别模块s m - 6 2 1 硬件结构如图3 3 所示： 忙传感器 t m $ 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 卜行接口 图3 3s m 一6 2 1 指纹识别模块结构图 s m - 6 2 1 指纹识别模块采用基于t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 作为 核心处理器，它是一款基于t m s 3 2 0 v c 5 5 xd s p 核的定点d s p ( t e x a s i n s t r u m e n t s ，2 0 0 8 ) 。目前，指纹识别模块大部分用的是c 5 4 x ( 如 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 等) 做处理器，利用起固有的高速运算性能， 可以满足对指纹处理的实时性要求( 汪春梅，孙洪波，任治刚，2 0 0 4 ) ， t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的主要特点如下： 支持1 0 8 1 4 4 2 0 0 m h z 三种时钟频率，每秒可执行到两条指令。 1 2 围回 第三章系统硬件设计 具有两个a l u ( 其中一个4 0 位，一个1 6 位) 和两个m a c ( 单周期内能同时 完成两个1 7 x1 7 b i t 乘法) ；内部具有六条总线，三条数据读总线，两条数据写总 线，一条程序总线，在一个周期内可完成三次数据读和两次数据写。 数据和程序空间统一编址，通过四个片选信号，可寻址1 6 m 字节的外部 数据程序空间，大大扩展了数据空间，具有1 2 8 k 1 6b i t 的片上r a m ；并可通 过e m i f 实现多种存储的无缝连接，包括s d r a m 。 s m 6 2 1 指纹识别模块可以独立运行，也可将数据上传至p c 机或上位机进 行处理，其具有如下特色：指纹适应性强、不同应用环境转换灵活、简单易用方 便扩充、低功耗、灵活设置安全等级，给整个系统的调试和运行带来很大便利性， 具有成本低、应用简单、易于开发的优点。 指纹识别模块使用t t l 电平串口通信，其外部接口定义与说明如表3 1 所 示： 表3 1s m 6 2 1 模块接口引脚定义和功能说明 引脚号名称定义类型功能说明 1v r n 电源输入pd c ：3 6 一1 0 v 2 t d 数据发送 0开源输出 3r d 数据接受 i r 几电平( 3 3 v 或5 v 均可) 4n c 为定义 5 e n使能控制i悬空或接上拉电阻正常工作， 切断内部电源，模块不工作 6g n d电源( 信号) 地p电源和信号地 3 4 处理器与s m - 6 2 1 的接口设计 指纹识别模块s m 6 2 1 与系统处理器$ 3 c 2 4 1 0 通过串口进行数据通信，其接 口设计需要遵循一定的协议或接口标准来设置( 刘淼，2 0 0 6 ) 。本系统中的 $ 3 c 2 4 1 0 处理器芯片带有三通道标准全双工的通用异步接收器发送器u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 可以基于d m a 模式或数 据中断模式，支持5 位、6 位、7 位或8 位串行数据发送接受：在系统设计时， 由于s 3 c 2 4 1 0 处理器u a r t 串口和指纹识别模块的串口都是采用t t l 电平，故 两者之间的连接电平不需要进行电平转换。设计分别选用了$ 3 c 2 4 1 0 芯片的 r x d 0 与t x d o 引脚与指纹识别模块s m 6 2 1 的发送端t d 引脚和接收端r d 引 第三章系统硬件设计 脚相连，从而实现指纹识别模块与系统处理器的串行通信硬件连接，其接口电路 如下图3 4 所示： 图3 4s m 6 2 1 与$ 3 c 2 4 1 0 接口引脚图 3 5 开门、点火、报警控制电路 系统通过对用户指纹身份的鉴别，根据比对的结果，做出不同的响应操作， 主要包括：汽车开门，汽车点火和发出声光报警操作。 系统比对用户指纹身份合格，发出汽车开门和汽车点火的信号，当用户的指 纹图像不被系统接受或指纹匹配结果不正确，系统发出声光报警控制信号，微处 理器对汽车进行自锁操作，即断开汽车的点火线路，盗贼即便进入车内也无法将 车开走。 系统设计时，利用$ 3 c 2 4 1 0 处理器的3 个i o 接口控制达林顿阵列 u l n 2 0 0 3 a ( d a t a s h e e t ，2 0 0 2 ) ，配以继电器，实现对电路的控制操作。当u l n 2 0 0 3 a 的“i n 脚输入高电平，根据芯片特性，对应的“o u t ”脚将功率继电器的引 脚电平拉低，功率继电器线圈导通，触发相应的电路，完成对应操作。当“烈 脚输入低电平，对应的“o u t ”引脚输出电平与芯片供电电平相同，即与继电器 输入电压相同，继电器线圈阻断。由于继电器触点的吸合( 常开触点) 、断开( 常闭 触点) 随微处理的i o 口的信号而改变，使得微处理器可以控制车灯电路，车门 电路，发动机点火线路的开闭，进而实现汽车防盗的闪光报警和自锁操作。 系统开门、点火、报警控制设计电路如图3 5 所示： 第三章系统硬件设计 3 6 电源设计 图3 5 开门点火报警控制电路图 汽车电源系统由蓄电池、发电机两个电源组成，两者并联协调工作对汽车用 电设备供电。汽车启动时，由蓄电池向点火系及启动机提供电能，在发动机正常 工作情况下，由发电机为全车用电设备供电，同时还对蓄电池充电。当发电机不 发电或电压较低的情况下蓄电池向用电设备供电。 本系统的电源设计直接取自蓄电池，对以下三种情况进行分析： l ，系统在识别指纹执行开启车门时，通常车主身处车外，钥匙锁通常闭合， 这时车辆发动机处在停熄的状态，没有电压来源。 2 ，当车主进入车辆欲启动车辆时，在没有通过指纹识别进行身份鉴定前， 汽车的点火电路时断开的，这时无法启动发动机。 3 ，汽车在无人值守时遇袭报警等操作均需要车载蓄电池的供电。 此外，蓄电池在发电机转速和用电负载发生较大变化时，可保持汽车电网电 压的相对稳定，同时，还可吸收电路中随时出现的瞬时过电压，以保护系统电子 元器件不受损坏。 车辆使用的车载蓄电池通常标称值有两种1 2 v 的和2 4 v 两种，对于标称值 1 2 v 的其输出电压多在9 v 1 5 v 之间变化，2 4 v 的也有类似2 5 的变化范围， 因此为了得到系统工作需要的5 v ，3 3 v 的电压，我们选用了t i 公司的l m 2 5 7 5 第三章系统硬件设计 电压调节器，该芯片是单片集成电路，其性能确保了输出电压4 的误差，非常 适合于5 v ，3 3 v 的固定电压使用，满足了系统的电源稳定性要求。 系统电压调节电路如图3 6 所示： 3 7 键盘设计 图3 6 系统电压调节电路图 本系统考虑到在用户手指损伤，系统无法采集到用户指纹的情况下的应急处 理，通过键盘输入应急密码来点火启动车辆，通常应急密码只有车主或车辆管理 员掌握。设计选用了4 * 4 矩阵键盘。在设计矩阵键盘和处理器连接时，选用了 $ 3 c 2 4 1 0 处理的g p e 0 - - g p e 7 共8 个i o 口与4 * 4 矩阵键盘连接，其接口电路如 图3 7 所示： ；一； ；：一；”!一： r ” ? k lk 2酗 r 一 鳖! “ ：，+f + _ oh- o 1 ：“ - - oo - - - k 4k 5 ：。 k 6 型_ ， 。 j 一 。，! 1 一o 0 1 0 。oo + “一qo 一- ： i ：、k 7 ：7 1 8k 9kd o w l 1 j l s 3 c 2 4 l o l j l “：毒一一o ，+ 1 - i i _ o c _ j ，j j 。 。 k 0 。 ko kj “ ke s ckd d = j - 4 - 二t k 1g 哪 k 2g p e l k 3g p e ： k 4g 啊 j k 5g p f 4 k 6g p e s ；j “：j ”， ： 一k 7g 嘣 k 8g p e ? i ：j ；一 t ；，? 。 ；、 ；一： ：j 一? - 4 ：p ； i 一 ：”。”： 一”；：；+ ”： 一? ；，：! 一 图3 74 * 4 矩阵键盘与$ 3 c 2 4 1 0 的接口电路图 1 6 第三章系统硬件设计 3 。8p o b 板布局和抗干扰设计 在本课题系统的设计中，要使系统电子电路获得最佳性能，p c b 板元器件的 布局及导线的布设是很重要的( 聂荣，2 0 0 6 ) ，其设计质量不仅直接影响电子产 品的可靠性，还关系到系统的稳定性，甚至成为设计成败的关键。为了设计质量 好、造价低的p c b 电路板，应设计好系统的p c b 板布局以及考虑电路在稳定性 和抗干扰方面的影响。 3 8 1p c b 板布局 电路元件和信号通路的布局必须最大限度减少无用信号的耦合。系统中的 s 3 c 2 4 1 0 处理器1 4 4 p i n 双列脚比较密，无法在焊盘间穿线，在核心板设计中将 上述插座的外围引脚大部分作为电源或地线。其次由于核心板的读写访问速率较 高，因此必须考虑到布线传输延迟对电路的影响。在底板p c b 走线设计( 姜雪松， 陈绮，2 0 0 6 ) 中时应当将涉及到数据总线、地址总线、内存访问控制信号和中断信 号等的电路部分排布好，以方便布线和减少信号延迟。应用时采用2 层板，并 且大面积铺地；复杂的应用使用多层布线，并且至少有一层为地层。 此外，要考虑p c b 尺寸大小。p c b 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加， 抗噪声能力下降，成本也增加；尺寸过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。 在确定p c b 尺寸后，再确定特殊元件的位置，p c b 板上的元器件布局没有统一 固定的模式，但元器件布局不当是引发干扰的重要因素，所以应全面考虑电路结 构，合理布置板上元器件。 对电路的全部元器件进行布局时，通常要符合以下原则： ( 1 ) 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通， 并使信号尽可能保持一致的方向。 ( 2 ) 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在p c b 上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 ( 3 ) 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可 能平行排列。这样不但美观而且装焊容易，易于批量生产。 ( 4 ) 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2 m m 。电路板的最 佳形状为矩形。长宽比为3 ：2 或4 ：3 。电路板面尺寸过大时应考虑电路板所受的 机械强度。 p c b 布线是设计图形化的关键，设计中考虑诸多因素都应在步线中体现出 来，合理布线可使p c b 获得最佳的性能，应遵循以下的原则( 赵雷，2 0 0 7 ) ： 1 ，输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，相邻走线层的信号线总体走 第三章系统硬件设计 线一般要相互垂直，同层中平行信号线尽量拉大艰巨。因为信号间的串扰对相邻 平行线的长度和间距及其敏感。尽量缩短高速信号线的长度。 2 ，布线层的分配及各层中的线宽主要决定了p c b 信号传播率和互连线的特 征阻抗。为了保证p c b 上互连线的阻抗的一致性，同一层中的线宽一般不要改 变；基于减小电磁干扰的考虑，高速信号线最好布在距离涂敷层较近的内层布线 层。对于集成电路，只要允许还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。 3 ，电源走线不能中间细两头粗，以免在上面产生过大的压降j 印制导线拐 弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避 免使用大面积铜箔。如要大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与 基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。 3 8 2p c b 板抗干扰设计 电磁干扰广泛存在于各类电子电气设备中，这种电磁波会对整个设备及其系 统正常工作造成干扰。因此，在对系统进行电路设计时应考虑各种电磁干扰对系 统的影响。 印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，p c b 抗干扰设计的 几项常用措施如下： 1 ，电源线设计 根据电路板电流的大小，尽量加粗电源线的宽度，减少环路电，同时使电源 线、地线的走向和数据传递的方同一致，这样有助于增强抗噪声能力。 2 ，地线连接 地线设计的原则是：模拟和数字电路拥有独立的电源和地线通路，应尽量加 宽这两部分电路的电源与地线，或采用分开的电源层与接地层，以便减少任何可 能在电源与地线回路中的干扰电压。接地线应尽量加粗，若接地线用很细的线条， 则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。 3 ，设置去耦电容 p c b 设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的去耦电容， 提高抗干扰能力。 一般而言，使用以上的基本抗干扰措施，基本可以消除大部分的常见干扰， 但使用过多的硬件抗干扰措施，会明显提高系统的常规成本，且数量的增加还会 产生新的干扰，导致系统可靠性的下降，所以应根据设计条件和目标要求，合理 采用抗干扰措施，提高系统抗干扰能力。 第三章系统硬件设计 系统设计p c b 板图如图38 和39 所日 国38 系统p c b 板圉( 正面) 圈39 系统p c b 板图( 反面) 第三章系统硬件设计 3 9 本章小结 本章详细介绍了系统硬件电路的具体设计，描述了系统的硬件结构，将硬件 按功能模块的设计分类描述，介绍了嵌入式处理器、指纹识别模块等主要芯片的 功能介绍和使用规则，设计了系统内模块间接口、开门点火和报警控制电路、系 统电源和外围键盘接口电路的设计，给出了硬件设计方案和电路原理图，最后论 述了在设计电路p c b 板时的布局和抗干扰问题，展示了本系统所设计的p c b 板 图。 2 0 第四章系统软件设计 4 1 软件结构 第四章系统软件设计 指纹识别防盗系统为了实现其功能，系统软件主要由指纹开门程序、指纹点 火，指纹管理程序( 登记指纹和删除指纹) 、密码管理程序( 密码修改和密码点 火) ，系统设置等部分组成。其中指纹管理、密码管理部分只有车主才有此权限。 指纹管理程序由登记指纹模板程序、删除指纹模板程序组成；密码管理程序由密 码修改程序和密码开门程序两部分组成。 其软件结构框图如图4 1 所示： 4 2 主控模块程序设计 ! 丫 同 国 图4 1 系统软件结构图 主控模块是系统的核心，主要完成相关