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基于指紋識(shí)別的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

發(fā)布時(shí)間:2012-03-07

中心議題:

  • 汽車防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
  • 汽車防盜系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
  • 汽車防盜系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

解決方案:

  • 采用增強(qiáng)型32位低功耗單片機(jī)STM32F103VC
  • 液晶顯示器選用SMG12864G3-ZK標(biāo)準(zhǔn)中文字符
  • 采用SM-2B型指紋識(shí)別模塊


隨著汽車市場(chǎng)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高,越來(lái)越來(lái)多的汽車進(jìn)入普通家庭。汽車防盜就顯得尤為重要,成為一個(gè)亟待解決的重要的社會(huì)問(wèn)題。目前市場(chǎng)上銷售的汽車防盜報(bào)警器多為加裝式汽車防盜器和采用電子密碼鑰匙的汽車防盜器。加裝式汽車防盜器主要采用串接式的線路,對(duì)于精通汽車電路的盜賊來(lái)說(shuō),用跨接的方法可很輕松地避開防盜電路,防盜系統(tǒng)如同虛設(shè)。對(duì)于采用電子密碼鑰匙的汽車防盜器,盜賊一般通過(guò)偷取鑰匙,并利用遙控器快速尋車并實(shí)施盜竊。這說(shuō)明現(xiàn)有的汽車防盜裝置的防盜手段并不可靠。而采用指紋識(shí)別模塊驗(yàn)證車主身份并輔助多種報(bào)警措施來(lái)完成汽車防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì),能夠在不改變汽車整體電路的情況下盡可能地保障汽車的安全。指紋識(shí)別是生物特征識(shí)別的一種,它利用指紋特征的惟一性和終身不變性對(duì)個(gè)人身份進(jìn)行認(rèn)證,具有極高的安全性和易用性。本文將指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于汽車防盜系統(tǒng)中,并結(jié)合GSM無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警,有效地保障了汽車的安全。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

該汽車防盜器主要由MCU、指紋識(shí)別模塊、無(wú)線通信模塊、LCD顯示屏、語(yǔ)音電路、電子密碼鑰匙接口電路、鍵盤、控制電路和電源電路等組成。其硬件原理框圖如圖1所示。MCU選用意法半導(dǎo)體公司推出的基于低功耗的嵌入式ARM CortexTM—M3內(nèi)核的增強(qiáng)型32位芯片STM32F10 3VC,它的工作電壓為2.0~3.6 V,本設(shè)計(jì)采用3.3 V,其最高工作頻率可達(dá)到72 MHz,具有多達(dá)80個(gè)快速I/O端口,所有I/O口可以映像到16個(gè)外部中斷,幾乎所有端口均可容忍5 V信號(hào)。片內(nèi)具有256 KB的FLASH,2個(gè)I2C接口,2個(gè)SPI接口,3個(gè)USART接口,3個(gè)16位定時(shí)器,每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入,2個(gè)看門狗定時(shí)器(獨(dú)立的和窗口型的)等。圖l中“KEY—ON”為汽車鑰匙位置,取自鑰匙開關(guān),經(jīng)光電耦合后送入STM32F103VC的PE10。無(wú)線通信模塊和指紋識(shí)別模塊分別經(jīng)RS 232收發(fā)器MAX3232接STlM32F103VC的USART1和USART2;密碼鑰匙由U盤實(shí)現(xiàn),USB接口連接STM32F103VC的SPI1;語(yǔ)音電路接STM32F103VC的SPI2;4×4鍵盤與PE0~PE7連接,液晶顯示數(shù)據(jù)由PD0~PD7提供。

主要工作原理如下:車主停車熄火后,防盜器進(jìn)入鎖定狀態(tài)。此時(shí)如果汽車鑰匙不在ON位,就不能進(jìn)行指紋識(shí)別;只有當(dāng)汽車鑰匙在ON位,才可用指紋識(shí)別解鎖防盜器并自動(dòng)點(diǎn)火。在鎖定狀態(tài)下,汽車的油路、電路等被切斷,汽車鑰匙無(wú)法點(diǎn)火;如果強(qiáng)行剪斷指紋采集模塊和控制盒的連線,或者不識(shí)別指紋而強(qiáng)行用汽車鑰匙點(diǎn)火,汽車會(huì)通過(guò)鳴號(hào)、閃燈和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)報(bào)警。在鎖定狀態(tài)插入密碼鑰匙可進(jìn)入解鎖狀態(tài),并可根據(jù)LCD和語(yǔ)音提示通過(guò)小鍵盤進(jìn)行指紋注冊(cè)/刪除、手機(jī)號(hào)碼設(shè)置和應(yīng)急點(diǎn)火等操作。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 USB接口電路

USB接口電路主要由文件管理控制芯片CH376T實(shí)現(xiàn),CH376T支持USB設(shè)備方式和USB主機(jī)方式,并且內(nèi)置了USB通信協(xié)議的基本固件、處理MassStorage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件、SD卡的通信接口固件、FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件,支持常用的USB存儲(chǔ)設(shè)備和SD卡。CH376T支持二種通信接口:SPI接口和異步串口。本設(shè)計(jì)采用SPI接口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,電路連接方式如圖2所示。串行數(shù)據(jù)輸入SDI、輸出SDO和時(shí)鐘SCK分別接STM32F103VC的SPI1_MOSI,SPI1_MISO和SPI1_SCK,中斷請(qǐng)求輸出端INT接PC0,片選端SCS由PA1控制。圖2中的RESET是系統(tǒng)復(fù)位信號(hào),晶體振蕩器Y1選12 MHz。當(dāng)車主要進(jìn)行指紋注冊(cè)/刪除或應(yīng)急點(diǎn)火時(shí),將密碼鑰匙(U盤)接入J1以讀取密碼信息。


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2.2 液晶顯示器

液晶顯示器選用SMG12864G3-ZK標(biāo)準(zhǔn)中文字符及圖形點(diǎn)陣型液晶顯示模塊,采用點(diǎn)陣型液晶顯示器,可顯示128×64點(diǎn)陣或4行×8個(gè)漢字,內(nèi)置ST7920接口型液晶顯示控制器,內(nèi)帶GB2312碼簡(jiǎn)體中文字庫(kù)(16×16點(diǎn)陣),可與MCU直接連接,具有8位并行及串行的連接方式。本設(shè)計(jì)采用并行方式與STM32F103VC相連接,數(shù)據(jù)端DB0~DB7接STM32F103VC的PD0~PD7,其數(shù)據(jù)/命令選擇端RS、讀/寫控制信號(hào)R/W和使能端E分別連接PB2、PA14和PA15。在本防盜器中液晶顯示器用于顯示操作方法和操作內(nèi)容。

2.3 語(yǔ)音電路

語(yǔ)音電路原理圖如圖3所示,由美國(guó)ISD公司的語(yǔ)音芯片ISD4004-16和美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的音頻功率放大器LM386等元件構(gòu)成。ISD4004 -16錄放時(shí)間為16 min(可分段),它采用CMOS技術(shù),單電源3 V工作,內(nèi)含振蕩器、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。它內(nèi)置微控制器SPI總線串行通信接口??蓪⒛M語(yǔ)音數(shù)據(jù)直接寫入單個(gè)存儲(chǔ)單元,不需通過(guò)A/D或D/A轉(zhuǎn)換。使得ISD語(yǔ)音電路具有音質(zhì)自然、使用方便、單片存儲(chǔ)、反復(fù)錄放、低功耗、抗斷電等許多優(yōu)點(diǎn)。LM386工作電壓范圍寬,電壓增益可調(diào)。具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中STM32F103VC通過(guò)SPI2給ISD4004傳送語(yǔ)音信息。圖3中的V1和V2分別經(jīng)三極管與+3.3 V和+12 V電源相連,三極管的通斷由STM32F103VC的PCI1和PCI2控制,只有在需要語(yǔ)音提示時(shí),才使三極管導(dǎo)通給ISD4004和LM386供電。


2.4 控制電路

控制電路由光電流耦合器TLP521、大電流驅(qū)動(dòng)器MC1413和四個(gè)12 V小型繼電器K1~K4構(gòu)成,繼電器的吸合由STM32F103VC控制。繼電器K1,K2分別串接在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊和油泵電源回路,作用是在鎖定狀態(tài)切斷汽車電路和油路,繼電器K3和K4分別并接在汽車?yán)群娃D(zhuǎn)向燈電路中,用于聲光報(bào)警。并接汽車?yán)鹊睦^電器設(shè)置有投切開關(guān),可根據(jù)實(shí)際情況接通或斷開喇叭報(bào)警。

2.5 電源電路

本防盜器共用到+12 V,+5 V和+3.3 V三種電壓的電源。音頻功率放大器和控制電路的+12 V電源直接采用汽車電源。12 V電壓經(jīng)開關(guān)穩(wěn)壓集成電路LM2576-5得到+5V電壓,+5V電壓再經(jīng)SPX1117-3.3可得到+3.3V電壓。

2.6 指紋識(shí)別模塊

采用SM-2B型指紋識(shí)別模塊,它由高速DSP處理器、FPC電容式指紋傳感器和FLASH芯片等構(gòu)成,可存儲(chǔ)512枚指紋模板,具有豐富的指令集搜索時(shí)間小于1.0 s,認(rèn)假率小于0.001%,拒真率小于1%,自帶RS 232串行通信接口,通信波特率為57 600 b/s,STM32F103VC通過(guò)USART2對(duì)指紋識(shí)別模塊進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)指紋圖像采集與處理、指紋特征采集、指紋模板錄入、模板存儲(chǔ)、指紋比對(duì)、指紋搜索等功能。

2.7 無(wú)線通信模塊

本設(shè)計(jì)采用西門子公司推出的無(wú)線通信GSM模塊TC35。該模塊的工作電壓為3.3~5.5 V??梢怨ぷ髟?00 MHz/1 800 MHz二個(gè)頻段,自帶RS 232通信接口,可以方便地與MCU連機(jī)通信,安全、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音傳輸、短消息服務(wù)等。電路中TC35通過(guò)MAX3 232與STM32F103VC的USART1進(jìn)行通信,當(dāng)有警情發(fā)生時(shí),防盜器會(huì)自動(dòng)向車主手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。這樣便可實(shí)時(shí)、可靠、快捷地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)


系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

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在鎖定狀態(tài),車主要進(jìn)行指紋注冊(cè)/刪除或應(yīng)急點(diǎn)火時(shí),接入密碼鑰匙,通過(guò)鍵盤操作STM32F103VC在其PA1產(chǎn)生CH376T芯片的SPI片選信號(hào),低電平有效,然后按SPI輸出方式發(fā)出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),延時(shí)1.5μs,從CH376T接收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),等待SPI接口空閑后,MCU繼續(xù)從CH376T接收數(shù)據(jù),直到MCU禁止SPI片選。接下來(lái)對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行密碼匹配,密碼匹配正確時(shí)可進(jìn)入設(shè)置狀態(tài),車主可根據(jù)語(yǔ)音和LCD提示進(jìn)行操作,操作結(jié)束便返回鎖定狀態(tài)。如果密碼匹配不正確將發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)并切斷電路和油路。如果不進(jìn)行設(shè)置,當(dāng)插入汽車鑰匙并打至“ON”位,可進(jìn)行指紋采集和匹配,匹配正確可自動(dòng)點(diǎn)火(點(diǎn)火失敗時(shí)可用車鑰匙再次點(diǎn)火),如果指紋匹配不正確,發(fā)出相應(yīng)報(bào)警并保持電路和油路為斷開狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文采用增強(qiáng)型32位低功耗單片機(jī)STM32F103VC、指紋識(shí)別技術(shù)和無(wú)線通信GSM技術(shù)設(shè)計(jì)了汽車防盜系統(tǒng),它利用人體指紋的生物特征的惟一性,通過(guò)指紋識(shí)別控制汽車的電路、油路等,從而達(dá)到防盜的目的?;铙w指紋的不可復(fù)制性以及復(fù)雜性,可以做到防解碼的特點(diǎn),解決了目前廣泛采用的無(wú)線遙控方式存在空中截碼和非法獲取電子鑰匙合法開車等問(wèn)題。GSM技術(shù)增加了人防功能,它能通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì),有效的彌補(bǔ)了單一防盜電路的缺點(diǎn),保障了汽車的安全。

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