基于指紋識(shí)別與LIN總線的汽車車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)

凌 濱, 索健文, 許景濤

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 哈爾濱 150040)

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基于指紋識(shí)別與LIN總線的汽車車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)

凌 濱, 索健文, 許景濤

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 哈爾濱 150040)

為了提高汽車的安全性能，完善傳統(tǒng)汽車的防盜問(wèn)題，提出了一種新型的汽車門門鎖控制方法，該方法將指紋識(shí)別技術(shù)結(jié)合LIN(local inerconnect network)總線網(wǎng)絡(luò)對(duì)車門鎖進(jìn)行控制；其中通過(guò)主控節(jié)點(diǎn)微控制器ST792F150JDV1QC和從節(jié)點(diǎn)控制器ST2124J完成LIN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)LIN網(wǎng)絡(luò)的通信功能和對(duì)網(wǎng)關(guān)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車門鎖系統(tǒng)的控制；該方法的指紋識(shí)別部分Gabor濾波器指紋識(shí)別方法，使用八通道的Gabor濾波器對(duì)預(yù)處理的指紋圖像進(jìn)行濾波，提取指紋圖像的局部和全局指紋特征，使用歐氏距離方法對(duì)提取的指紋特征數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配；匹配結(jié)果經(jīng)過(guò)LIN從節(jié)點(diǎn)控制器串行口接收，轉(zhuǎn)化成LIN幀格式，傳遞至總線，主節(jié)點(diǎn)控制器接收分析，發(fā)送對(duì)應(yīng)命令，實(shí)現(xiàn)門鎖的開關(guān)；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物搭建和系統(tǒng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠有效的通過(guò)指紋實(shí)現(xiàn)對(duì)車門鎖的開關(guān)控制，驗(yàn)證了提出方法的可行性。

LIN總線；指紋識(shí)別；車門控制；車門主從節(jié)點(diǎn)；Gabor濾波算法

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，使汽車產(chǎn)銷量越來(lái)越多，隨之而來(lái)的汽車盜竊現(xiàn)象也在不斷提高[1]。其中傳統(tǒng)的汽車防盜技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)的需要，而現(xiàn)在大部分汽車以機(jī)械鎖和電子鎖為主，安全性能較差。如何有效防止汽車被盜也成了車主比較關(guān)心的問(wèn)題。指紋識(shí)別是一種知名以及公開的生物技術(shù)，因?yàn)樗萌酥讣y獨(dú)特性和隨著時(shí)間不變性和不易偽造性[2]?？梢詫⒅讣y識(shí)別模塊與LIN總線車門節(jié)點(diǎn)MCU連接，通過(guò)車主指紋以及鑰匙來(lái)能開啟車門。有效提高了防盜系統(tǒng)的安全性、靈活性和可靠性，避免盜竊事件的發(fā)生，具有一定的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。

1 設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)中，采用模塊化的方式完成防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要分為自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)和汽車LIN網(wǎng)絡(luò)模塊。自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)由指紋識(shí)別傳感與指紋識(shí)別算法處理器組成，而LIN網(wǎng)絡(luò)以LIN主節(jié)點(diǎn)、從節(jié)點(diǎn)和LIN總線組成。人體指紋圖像通過(guò)指紋識(shí)別傳感器采集，經(jīng)指紋識(shí)別處理器處理，提取指紋特征數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，之后將輸入的指紋特征數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)比對(duì)。為了不改變?cè)拒嚿聿贾?，不給車的排線布置增加負(fù)擔(dān)，比對(duì)結(jié)果直接通過(guò)串行口傳遞至LIN從節(jié)點(diǎn)微控制器，將結(jié)果轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)IN幀的格式，傳遞至LIN總線，主節(jié)點(diǎn)接收并解析，發(fā)布相應(yīng)命令。匹配成功，發(fā)布車門鎖打開命令。如果匹配出錯(cuò)，系統(tǒng)將車門鎖定，無(wú)法打開車門。

1.1 LIN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)研究對(duì)車門的控制。系統(tǒng)中LIN總線網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)車門主控節(jié)點(diǎn)和4個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成。具有監(jiān)控總線、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和標(biāo)識(shí)符雙重奇偶校驗(yàn)等錯(cuò)誤檢測(cè)功能，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹4]。主控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)控總線信息，接收各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)和請(qǐng)求信息。LIN總線信息傳輸速率最大可達(dá)20 kb/s，將指紋識(shí)別傳感器采集的圖像與指紋庫(kù)數(shù)據(jù)匹配，結(jié)果信號(hào)傳遞到LIN從節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)單元控制器處理轉(zhuǎn)換成LIN幀的格式傳遞到LIN總線，傳入主控節(jié)點(diǎn)。根據(jù)匹配結(jié)果失敗，主節(jié)點(diǎn)給各個(gè)車門鎖鎖控制單元發(fā)送命令來(lái)控制車門的開關(guān), 子節(jié)點(diǎn)接收到命令后, 觸發(fā)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu), 操縱車門開鎖或關(guān)鎖。主節(jié)點(diǎn)處理從節(jié)點(diǎn)發(fā)出的請(qǐng)求信息，發(fā)出相應(yīng)的指令和執(zhí)行中央門鎖的開關(guān)。從節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信，但是所有節(jié)點(diǎn)都聽總線，主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求可以處理從節(jié)點(diǎn)之間通信[5]。下圖1為系統(tǒng)LIN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 LIN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LIN幀包括報(bào)文頭和響應(yīng)部分[6]。想發(fā)起與從節(jié)點(diǎn)的通信，主節(jié)點(diǎn)需發(fā)送報(bào)文頭。如果主節(jié)點(diǎn)想發(fā)送數(shù)據(jù)到從節(jié)點(diǎn)，需要繼續(xù)發(fā)送的響應(yīng)部分。如果主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，從節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)部分。LIN協(xié)議是面向?qū)ο蟮?，而不是面向地址。?biāo)題包含標(biāo)識(shí)符來(lái)標(biāo)識(shí)LIN框架和它所包含的數(shù)據(jù)[7]。不同的節(jié)點(diǎn)可以接收同一幀數(shù)據(jù)。

1.2 指紋識(shí)別模塊

指紋識(shí)別模塊直接安放到左前車門。由自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括3個(gè)基本階段：(1)指紋采集，采集需要驗(yàn)證的指紋。(2)特征提取，通過(guò)八通道Gabor濾波器處理指紋圖像，提取全局特征數(shù)據(jù)。(3)決策，提取采集指紋的特征數(shù)據(jù)與指紋庫(kù)中數(shù)據(jù)對(duì)比。比較前指紋庫(kù)中存儲(chǔ)的模板和需要驗(yàn)證的指紋之間的指紋特征數(shù)據(jù)，來(lái)確定他們匹配等級(jí)。將匹配結(jié)果作為高低電平輸入到LIN從節(jié)點(diǎn)。若匹配結(jié)果成功則為高電平，用戶可以打開車門。若匹配失敗則為低電平，LIN主控節(jié)點(diǎn)關(guān)閉中控鎖，無(wú)法打開車門。即使有鑰匙也無(wú)法打開車門。結(jié)果信號(hào)經(jīng)繼電器轉(zhuǎn)化成高地電平經(jīng)過(guò)MCU處理，以LIN幀的格式發(fā)送到總線上，傳入主控節(jié)點(diǎn)[8]。系統(tǒng)圖如下圖2。

圖2 指紋識(shí)別系統(tǒng)圖

提高匹配速度，降低誤識(shí)率與拒真率是指紋識(shí)別系統(tǒng)模塊的關(guān)鍵。系統(tǒng)中采用Gabor濾波器的指紋識(shí)別算法，使用Gabor濾波器捕獲局部和全局特征，得到特征編碼，而指紋匹配是基于候選指紋與模板指紋的FingerCode之間的歐氏距離，提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度，滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

首先需要確定輸入圖像的核心點(diǎn)。通過(guò)濾波方法實(shí)現(xiàn)。濾波器為：

(1)

其中,f(x,y)為高斯函數(shù)：

(2)

篩選出核心點(diǎn)后，以中心點(diǎn)為中心做同心圓，分割成若干個(gè)環(huán)形區(qū)域，再將每個(gè)環(huán)形區(qū)域分成若干扇形區(qū)域[9]。每個(gè)扇區(qū)的灰度值表示指紋在該區(qū)域的局部信息，結(jié)合在一起描述了指紋特征區(qū)域的全局信息[10]。

對(duì)裁剪之后的指紋圖像進(jìn)行歸一化，來(lái)消除因?yàn)閭鞲衅鞅砻嫖蹪?、光源噪聲等產(chǎn)生的影響。

本文采用8方向Gabor濾波器，可以提取指紋全局特征，又可以提取指紋的局部特征。二維Gabor濾波器定義如下:

(3)

其中:xθ=xsinθ+ycosθ，yθ=xcosθ-ysinθ，w=2π/k。θ是濾波器的方向因子，θ∈{0°,22.5°,45°，67.5°，90°，112.5°，135°，157.5°}，通常k=10。

對(duì)于提取的指紋特征，采用歐氏距離方法來(lái)判斷是否為同一人體指紋。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

LIN總線通信采用標(biāo)準(zhǔn)的SCI(UART)硬件接口、單主多從不需要穩(wěn)定時(shí)基，只需要三根線連接，有效地降低了硬件成本[11]。硬件以左前車門從節(jié)點(diǎn)控制器為主，在車門處安置指紋識(shí)別傳感器，匹配結(jié)果傳給從節(jié)點(diǎn)控制器通過(guò)總線傳遞到主節(jié)點(diǎn)控制器，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令操縱中控鎖開關(guān)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計(jì)圖

考慮到系統(tǒng)的抗高低溫、抗震動(dòng)以及較高抗干擾性，硬件左前車門從節(jié)點(diǎn)MCU選用意法半導(dǎo)體公司的8位核心微控制器ST72124J，具有較高的抗毀性和抗干擾性。其外圍設(shè)備有看門狗定時(shí)器，兩個(gè)十六位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，而且還具有同步串行接口SPI和異步串行接口SCI兩種通信接口，在軟件的控制下可實(shí)現(xiàn)4種省電模式，停止、活動(dòng)停止、待和慢，大大降低了功耗。通過(guò)I/O接口接到LIN接收器的EN引腳，可以控制收發(fā)器的開關(guān)，來(lái)降低功耗。

主控節(jié)點(diǎn)MCU則選用外圍自帶CAN模塊的16位微控制器ST792F150JDV1QC。適合于高度集成，低成本場(chǎng)合。無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)單元，I/O資源完全滿足對(duì)車門乃至車身控制的需求。

微控制器外圍選用L9638LIN收發(fā)器，符合LIN規(guī)范，與MCU構(gòu)成LIN總線上的通信節(jié)點(diǎn)。L9638是單芯片總線驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)LIN網(wǎng)絡(luò)的雙向串行通信。通常芯片處于睡眠低功耗狀態(tài)，可以由LIN總線或外部信號(hào)(邊沿觸發(fā))喚醒。為了降低功耗微控制器能夠關(guān)閉LIN收發(fā)器通過(guò)L9638“en”輸入引腳。在這種狀態(tài)下對(duì)LIN總線的任何活動(dòng)，將導(dǎo)致L9638喚醒電壓調(diào)節(jié)器通過(guò)“INH”引腳。另一個(gè)喚醒源是l9638“WUP”引腳可用于接觸傳感。該引腳上的任何邊緣也會(huì)喚醒器。L9638和ST2124J微控制器連接方式見系統(tǒng)硬件電路圖4。

指紋識(shí)別硬件系統(tǒng)中，由于算法運(yùn)算量過(guò)大，過(guò)程復(fù)雜，為了提高整個(gè)硬件系統(tǒng)的效率以及實(shí)時(shí)性，將指紋識(shí)別模塊采集指紋和指紋圖像的后處理分開完成。采集部分使用FPC1011F指紋傳感器采集指紋，該芯片采用專業(yè)的指紋識(shí)別芯片PS1802DSP和最優(yōu)化的指紋算法，指紋成像效果好，此芯片抗干擾能力強(qiáng)，而且耐磨[12]。在汽車環(huán)境中，具有較高的抗干擾的性，在零下45度至零上85度可以正常工作。

算法處理部分選用高性能的DSP處理芯片TMS320VC5410微處理器對(duì)采集到的指紋圖像進(jìn)行后處理包括特征提取，指紋庫(kù)的存儲(chǔ)，以及最終特征數(shù)據(jù)的匹配。指紋的采集和處理分開執(zhí)行提高了處理速度，滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。指紋識(shí)別模塊連接方式見系統(tǒng)硬件電路圖4。

圖4 系統(tǒng)硬件電路連接圖

指紋識(shí)別模塊與LIN模塊連接時(shí)，指紋識(shí)別的GPIO口與LIN從節(jié)點(diǎn)控制器的P1.2和P1.3接口連接，發(fā)送高地電平表示匹配的成功和而從節(jié)點(diǎn)的控制器SPI口與主節(jié)點(diǎn)控制區(qū)SPI口連接，將從節(jié)點(diǎn)控制器的P0.4接口接地，主節(jié)點(diǎn)控制器NSS口接高電平，這樣就可以實(shí)現(xiàn)從模式。而且系統(tǒng)具備較高的抗毀性、抗干擾。能夠抵抗溫度、震動(dòng)等影響。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，由LIN主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)組成的LIN網(wǎng)絡(luò)部分和指紋識(shí)別部分。

LIN網(wǎng)絡(luò)中主節(jié)點(diǎn)作為車門鎖主控空節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集車門鎖從節(jié)點(diǎn)采集的開關(guān)量信號(hào)，也就是指紋識(shí)別匹配結(jié)果信號(hào)，信號(hào)采集芯片將開關(guān)量信號(hào)緩存起來(lái)，傳遞給MCU，轉(zhuǎn)換成LIN幀的格式，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符，來(lái)發(fā)送相應(yīng)的命令。信號(hào)采集芯片外圍提供了反映開關(guān)狀態(tài)變化的終端引腳，直接與主控就節(jié)點(diǎn)微控制器的IRQ外部中斷引腳連接，MCU通過(guò)中斷信號(hào)進(jìn)行讀取。而左前門鎖從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收開關(guān)信號(hào)，經(jīng)過(guò)從節(jié)點(diǎn)微控制器處理，以LIN幀的格式傳遞到LIN總線上，最終由主控節(jié)點(diǎn)來(lái)處理并發(fā)送相應(yīng)的命令。4個(gè)從節(jié)點(diǎn)的流程一致，其中左前門從節(jié)點(diǎn)應(yīng)用接口程序中包含指紋識(shí)別結(jié)果接收轉(zhuǎn)換功能。下面為L(zhǎng)IN從節(jié)點(diǎn)流程如下圖5。

圖5 LIN從節(jié)點(diǎn)流程圖

在LIN軟件中，主要包含協(xié)議處理程序代碼、應(yīng)用程序接口代碼以及LIN參數(shù)的配置。首先需要初始化應(yīng)用程序接口，也就是I/O接口、定時(shí)器、串行接口等。LIN軟件是中斷驅(qū)動(dòng)的，意味著你不必調(diào)查任何變量來(lái)處理LIN通信。當(dāng)總線上有活動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷并自動(dòng)處理協(xié)議，則進(jìn)入LIN中斷服務(wù)程序和啟動(dòng)LIN幀的解碼。協(xié)議處理程序是完全自治，它在后臺(tái)運(yùn)行。處理指紋匹配結(jié)果信號(hào)的軟件部分由應(yīng)用程序接口代碼來(lái)完成。主要處理3種幀，左前車門節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求幀、主節(jié)點(diǎn)回應(yīng)幀以及主節(jié)點(diǎn)對(duì)所有門鎖從節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令幀。由DataRequest_Notification函數(shù)和DataReceived_Notification函數(shù)實(shí)現(xiàn)。LIN主節(jié)點(diǎn)流程圖下圖6。

圖6 LIN主節(jié)點(diǎn)流程圖

指紋識(shí)別模塊軟件也劃分為模塊的形式。主要包括對(duì)指紋采集程序、指紋算法處理程序。還包括圖像的保存、控制底層程序，首先需要對(duì)需要的接口外圍相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序。可以保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。對(duì)于匹配結(jié)果，通過(guò)產(chǎn)生中斷信號(hào)來(lái)表示高低電平傳遞給LIN從節(jié)點(diǎn)。指紋識(shí)別流程如下圖7。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)的可行性以及抗干擾性，使用的樣本具有多樣性，包括帶有油污以及灰塵的手指，同時(shí)測(cè)試環(huán)境模擬汽車工作的環(huán)境。首先對(duì)指紋識(shí)別模塊進(jìn)行設(shè)定。將指紋識(shí)別算法程序下載到模塊中，先進(jìn)行指紋庫(kù)的錄入如圖所示，同一指紋成功錄入三次會(huì)存到指紋庫(kù)中并且編碼，之后進(jìn)行指紋比對(duì)。進(jìn)行100次實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，測(cè)試的識(shí)別率結(jié)果如表1。

圖7 指紋識(shí)別系統(tǒng)流程圖

圖8 指紋錄入

圖9 指紋對(duì)比

塊與從節(jié)點(diǎn)控制器模塊連接，從節(jié)點(diǎn)控制器與主節(jié)點(diǎn)控制器連接。對(duì)系統(tǒng)上電，將程序編寫到板子中，初始化，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。LIN模塊與指紋識(shí)別模塊通信接收穩(wěn)定，能正常工作接收指紋識(shí)別結(jié)果，測(cè)試結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的可行性。通過(guò)觀察LIN通信的幀數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際效果，用1表示開鎖，0表示關(guān)鎖。系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果如下表所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 總結(jié)

系統(tǒng)將生物識(shí)別技術(shù)與汽車LIN網(wǎng)絡(luò)對(duì)車身的控制相結(jié)合，為汽車設(shè)計(jì)了比傳統(tǒng)汽車防盜安全性能更高的防盜系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不會(huì)對(duì)汽車成本問(wèn)題以及汽車各種復(fù)雜的布線問(wèn)題增加難度。此外指紋識(shí)別算法中加入改進(jìn)的Gabor濾波算法有效降低了指紋誤識(shí)率與拒真率，對(duì)使用者不會(huì)造成識(shí)別率低而出現(xiàn)尷尬的問(wèn)題。最后通過(guò)測(cè)試表明了本文設(shè)計(jì)的防盜系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)通信可靠性以及較高的抗毀性。有效的解決了中端低端汽車安全問(wèn)題。

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Design of Automotive Door System Based on Fingerprint Identification and LIN Bus

Ling Bin，Suo Jianwen，Xu Jingtao

(College of Machinery Electricity, Northeast Forestry University, Harbin 150040，China)

In order to improve the security of the traditional car and perfect, a new type of door lock control method for automobile door is presented, which jointed the vehicle LIN bus network and the fingerprint recognition technology to control the door lock. Data communication achieved by the ST792F150JDV1QC as the main control node microcontroller, the ST2124J as the slave node controller for realize the communication function of LIN network and the control of the gateway. The method’s fingerprint identification section based on Gabor filter, fingerprint image is carried out using eight channels of Gabor filter, to extract the fingerprint features of the fingerprint image The fingerprint feature is matched with the Euclidean distance method in fingerprint verification. The matching result is received from the node controller serial port by LIN, converted into LIN frame format, transfered to bus, master node controller received and analyzed to send command to realize the door lock switch. To built and test the system, experimental results show that the method can effectively control the switch control of the car door lock by means of fingerprint, the feasibility of the proposed method is verified.

LIN bus; fingerprint identification; door control; door master and slave node;Gabor filtering algorithm

2015-09-22；

2015-11-04。

凌 濱(1962-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士學(xué)位，碩士研究生導(dǎo)師，副教授，主要從事電力測(cè)量和汽車總線方向的研究。

1671-4598(2016)03-0193-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.052

TP202

A