（信号与信息处理专业论文）全自动车窗开关综合控制器研制.pdf

中文摘要 摘要 汽车技术的发展越来越多的体现在汽车电子领域，传统的汽车电子技术仅限 于对汽车中某些机械零部件进行电子控制，控制较为简单，设备比较庞大，技术 较为落后；现代的汽车电子技术根据汽车实际使用条件多变的需要，利用飞速发 展的计算机技术、网络通信技术以及控制技术对汽车整体性能进行优化综合控制。 现代的汽车电子技术已经走向了整车集成电子化、智能化、模块化的广阔道路， 总线式控制器网络技术是汽车电子技术发展的新方向。 本文设计了一套完整的基于l i n 总线技术的全自动车窗开关综合控制系统， 包括基于k e e l o q 滚动码的遥控车锁，车窗防夹和综合控制器。遥控车锁每次按 键输出的遥控码均不相同，不可能复制发射信号，极大的提高了安全性；国内外 汽车车窗大都采用霍尔信号检测的方式实现防夹功能，本次设计中，提出了无传 感器的防夹算法；综合控制器实现车门安全保护功能，并集成了遥控锁的接收部 分，节省了车内空间；同时该系统实现了熄火自动关窗功能，极大的提高了电动 车窗的安全性和实用性，对汽车制造业零部件的国产化有重要意义。 本次设计的主要硬件芯片选取m i c r o c h i p 公司的高性能的8 位单片机 p i c l 6 f 7 3 ，p i c l 6 f 6 2 7 和p i c l 6 f 6 7 6 分别作为l i n 主机节点和从机节点的微控制 器。主节点和从节点之间采用软件异步串行通信方式来实现l i n 总线通信。本论 文较为详细的给出了车窗防夹，中央遥控门锁和熄火自动关窗功能的实现方法。 经过现场的测试结果证明全自动车窗开关综合控制器工作正常，性能良好。目前 此设计已经产品化，顾客反映良好。 关键词：汽车电子，l i n ，无线控制，车窗控制，防夹，熄火自动关窗 英文摘要 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l et e c h n o l o g yi sa p p l i e dm o r ea n dm o r eo f t e ni nt h ef i e l d o ft h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i c t h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i ci s l i m i t e dt ot h ee l e c t r o - c o n t r o lo fs o m em e c h a n i c a ls p a r ec o m p o n e n t si nt h ea u t o m o b i l e ， w h i c hi sc o m p a r a t i v e l ys i m p l e ，a n dt h er e l e v a n te q u i p m e n ti sc o m p a r a t i v e l yh u g e t h i s t e c h n o l o g y i s c o m p a r a t i v e l yb a c k w a r d a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t o ft h e a u t o m o b i l e sa c t u a l a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n sl e v i t y , m o d e ma u t o m o b i l ee l e c t r o n i c t e c h n o l o g yc a no p t i m i z et h ei n t e g r a t e dc o n t r o lo ft h e w h o l ep e r f o r m a n c eo ft h e a u t o m o b i l eb yu t i l i z i n gt e c h n o l o g yo fc o m p u t e r 、n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l t e c h n o l o g y t h em o d e ma u t o m o b i l ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a sa l r e a d yt e n d e dt o w a r d s e n t i r ea u t o m o b i l e s i n t e g r a t e de l e c t r o n i c s 、i n t e l l i g e n ta n d m o d u l a r i z a t i o n ，a n dt h e b u s b a s e dc o n t r o l l e rn e t w o r kt e c h n o l o g yi san e wd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h e a u t o m o b i l ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y i nt h i sa r t i c l e ，a l li n t e g r a t e da u t o m a t i ce l e c t r i c w i n d o ws w i t c hc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nl i nb u si ss c h e m e do u t t h es y s t e mi n c l u d e sw i r e l e s sr e m o t el o c kw h i c hi sb a s e do n k e e l o qs c r o l lc o d e ，a n t i t r a p p i n gb ye l e c t r i c - w i n d o wa n di n t e g r a t e dc o n t r o l l e r t h e o u t p u tr e m o t ec o d ei sa l w a y sd i f f e r e n tw h e n e v e ry o up u s ht h eb o t t o m ，s ot h es y s t e mh a s a n t i i n t e r c e p ta b i l i t ya n dc a i la l s op r e v e n tt h es a m es i g n a lt ob er e s e n do rt ob et r a c e d a sar e s u l t ，t h es e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n du s a b i l i t ya r ee n h a n c e d t h ea n t i t r a p p i n gf u n c t i o n o ff o r e i g na u t o m o b i l ee l e c t r i c w i n d o wi sa l m o s tr e a l i z e db ya d o p t i n gt h ew a yo f m e a s u r eh a l ls i g n a l ，w h i l ei nt h i sd e s i g nw ei n v e s t i g a t et h ea n t i t r a p p i n ga l g o r i t h m s w i t h o u tu s i n gs e n s o r s i n t e g r a t e dc o n t r o l l e rr e a l i z e ss e c u r i t yp r o t e c t i o nf u n c t i o no ft h e d o o r s ，i n t e g r a t e st h er e c e i v e ro ft h er e m o t el o c kw h i c hs a v i n gt h es p a c eo ft h e a u t o m o b i l e a u t o m a t i cc l o s ew i n d o ww h e nf l a m e o u ti sa l s or e a l i z e di nt h i ss y s t e m ， w h i c hg r e a t l ye n h a n c et h es e c u r i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fe l e c t r i c w i n d o w , a n dh a v e i m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o nt oc a rm a n u f a c t i o nn a t u r a l i z e d i nt h i sp r o j e c t ，t h em a i nh a r d w a r ec h i pi st h eh i g hp e r f o r m a n c e8 一b i ts i n g l e c h i p c o m p u t e rp i c 16 f 7 3 ，p i c16 f 6 2 7a n dp i c16 f 6 7 6w h i c hc o m ef r o mm i c r o c h i p t h e p i c16 f 7 3i su s e da sm c uo fl i nm a s t e rn o d ea n dt h ep i c16 f 6 7 6 p i c16 f 6 2 7i su s e d a sm c uo fl i ns l a v en o d e t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a s t e rn o d ea n dt h es l a v e n o d ea d o p t st h em o d eo fu a r ts e r i a lc o m m u n i c a t i o nt or e a l i z et h el i nb u s c o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rp r o v i d e st h ed e t a i l e d r e a l i z e dm e t h o do fa n t i t r a p p i n g ， i i i 重庆大学硕士学位论文 c e n t r a lr e m o t el o c ks y s t e m ，a u t o m a t i cw i n d o wc l o s ew h e nf l a m e o u t a f t e rs p o tt e s t e d ，t h ea u t o m o b i l ew i n d o w , r e m o t e ，i n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mi s p r o v e dt oo p e r a t ei n e r r a b l y , a n di t sp e r f o r m a n c ei sg o o d n o wt h i sp r o j e c ti sp u ti n t o c o m m e r c i a l i z a t i o na n dg a i n e dt h ep r a i s eo ft h ec u s t o m e r k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c ，l i n ，r e m o t ec o n t r o l ，a u t o m o b i l ew i n d o wc o n t r o l ， a n t i t r a p p i n g ，a u t o m a t i cw i n d o wc l o s ew h e nf l a m e o u t i v 学位论文独创性声明 本 人 声明 所呈交的石灸士学位论文 垒鱼丝苎鸯丑美丛丝垒盏塑垒! ：1 是夏不又在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己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 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互遵超 导师签名： 去聊 签字日期：矽d 宇s 签字日期：勿t ，z5 夕7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的墨亟士学位论文垒鱼i 尘喾瘩盘壅丝整到釜纽绔提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l ( i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：芝坐诞作者签名：芝堡堡 导师签名墨】瞳塑 妒7 年j 月? 7 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书兰豳装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 汽车电子概述 随着几年来消费者对汽车安全性、舒适性和娱乐性的需求不断增加，引发了 整车装备电子设备的一股热潮。自诊断系统、电子稳定系统( e s p ) 、导航设备( g p s ) 、 胎压监测( t p m s ) 等一大批电子控制设备成为高端汽车的标准配置，并逐步向中 低端车辆渗透。随着整车的科技含量逐渐提升，单车所装备的电子产品不断增多， 汽车电子在汽车成本中所占比重也有了较大提升。有研究表明，从1 9 8 9 年至2 0 0 5 年，电子设备在整车制造成本所占比例，由1 6 增至3 0 以上。 由于汽车内部电子元件的增多，各个电子元件之间的通信的问题逐渐附上水 面。传统的汽车内部采用点对点的通信方式，电子控制单元及负载设备通过导线 连接起来。但是当电子元件增多后，汽车内部负责通信用的导线数将会呈级数级 上升，不仅限制了车内可用空间、增加布线难度，而且增加了汽车的重量，同时 导线质量每增加5 0 k g ，油耗会增加0 2 l 1 0 0 k m t ，浪费能源。因此在电子装置不 断增加的情况下，线束质量和占用空间成为十分重要的问题，减少线束成为必须 要解决的问题，但使用传统的点到点的并行连接方式显然无法摆脱这种困境，而 使用总线技术的车身控制系统是解决问题的一条好途径。 车门是汽车的重要组成部分，包括车窗、中枢锁、车窗玻璃开关、吊窗提手 等部分。电动车窗，中央门锁是高档汽车车门的重要组成部分，但是目前一些中 档汽车也开始使用该设备。随着汽车的普及，电动车窗中央门锁控制系统将会有 很大的需求。本文研制了基于l i n 总线的车门控制系统，该系统利用现场l i n 总 线1 2 、电子信息等技术完成了各受控单元本地远程控制，优化了控制方法，改变 了传统汽车电气系统点到点的并行连接控制；减少了线束，避免了汽车因功能的 增加而导致的电子装置数量的膨胀，线束的复杂，布线的困难等缺点；满足了人 们对车门控制安全性、舒适性和方便性的需求，符合现代化车身控制的要求。 1 2 全自动车窗开关综合控制器国内外研究现状 以前汽车普遍采用手摇曲柄的方式使车窗玻璃上升或下降，现今轿车很多都 安装了电动车窗。通过电动车窗的运用，一方面减轻了驾驶员和乘客的劳动强度， 操作方便；另一方面由于电动车窗的上升速度较快，很容易造成央伤乘客事故的 发生，汽车电动窗具备防夹功能已是一种趋势。为此，很多汽车生产商都极为重 视电动车窗防夹装置的研究。即当车窗上升遇到障碍物( 如手、头等) 时可以自 动后退到底，从而可以避免事故的发生。某些公司生产的电动车窗升降系统在电 重庆大学硕士学位论文 动机中埋植磁环，感应电机转速，在电子模块中埋植霍尔元件，感应电流，并通 过电子模块控制对电动机的过流、过压及过热保护。但是由于霍尔元件成本等问 题，电动车窗防夹功能一般应用在高档汽车上，价格昂贵，很难普及。 中央门锁是指设在驾驶员侧车门上的门锁开关，是可以同时控制全车车门闭 锁与开启的装置。当驾驶员侧的车门锁定或打开时，其他三个车门都同时自动锁 定或打开，同时乘客也可以独立的锁定或打开本侧的车门，这样就形成了中央门 锁系统。中央门锁系统使得开关门非常方便，在各类汽车特别是轿车上得到普遍 的应用。 现在汽车上使用的遥控中央门锁是在中央门锁的基础上，加入遥控模块，识 别遥控发出的信号，驱动门锁执行器进行开锁，闭锁操作。一般汽车上使用的遥 控器绝大多数都采用固定式编解码芯片( 如e v l 5 2 7 等) 实现，编解码器使用相 同的编码信号实现配对使用。如果遥控器的型号相同，编码信号不同，也不能控 制解码器。但是这种遥控锁有两个致命缺陷： 系统产生的编码位数较短，编码的组合形式极为有限，可以利用“追码器”， 通过变换代码逐个发送( 即用穷举法) ，来破解系统。 产生的编码固定，无论任何时间按动遥控器上的同一按键，编码器输出的 编码信号都是相同，这就是固定式编码。编码信号在空中传输时很容易被 截获，重发编码信号即可破解系统。 现在高档汽车上面应用的可变码遥控器很好的解决了上述问题，可是生产销 售基本上被国外厂商垄断，价格不菲，不宜大量使用。 针对上述问题，急需一种价格适中，安全稳定，采用变码通信的电动车窗， 中央遥控门锁控制器。本文设计了一种不采用传感元件实现防夹功能，采用滚动 码遥控，具有良好安全性能，价格适中的全自动车窗开关综合控制器，很好的解 决了上述问题。 1 3 论文研究的意义和内容 近几年我国汽车电子发展迅速，2 0 0 7 年我国汽车电子市场规模达到1 2 1 5 7 亿 元，同比增长超过4 0 ，连续五年增长率超过3 0 ，目前产业处于高速增长期， 取得了跨越式的发展，已经初具规模。但是技术含量高，利润丰厚的发动机电子、 底盘电子、车身电子等产品几乎全部被国外厂商或者合资企业垄断，国内企业仍 局限在低端产品。因此，发展国内汽车电子业高端产品迫在眉睫。 本课题是与重庆庆铃汽车厂的配套厂商重庆百美实业有限公司的合作项目， 主要完成全自动车窗开关综合控制系统的研制。首先使用l i n 总线解决了全自动 车窗开关综合控制器的通信问题，然后研究装置的硬件和软件实现，并且实现了 2 1 绪论 无线遥控门锁和无传感器汽车车窗防夹系统。本文完成了以下任务： 完成了一套完整的车窗车门自动控制系统。 实现了可变码无线遥控门锁。 实现了未使用传感器的防夹电动车窗系统。 实现了熄火自动关窗功能，提高了电动车窗的安全性能。 该系统移植性好，l i n 总线协议使用灵活，只需经过少许的改动就可以在 不同的车型上使用，是一种通用的电动车窗，中央门锁自动控制系统。 该系统价格适中，在同类产品有巨大的价格优势，容易普及。 庆铃汽车厂的这套系统以前完全由日本研制和生产，此次课题的研究成功对 庆铃汽车厂以后逐步实现汽车制造业零部件的国产化有重要意义。 2l i n 总线协议简介 2l i n 总线协议简介 2 1 基本概念 面对汽车中数目日益增长的电子模块之间的通信要求，c a n 总线有着独特的 优势和良好的表现。但是随着汽车中所实现的节点数的持续增加，c a n 网络通信 ( 特别是低层设备间的通信) 的复杂性也随之增加，同时保持最低成本的要求使 得c a n 总线在性能要求不高的情况下显示了一些不尽如意的地方，在这种情况下 作为c a n 总线的子总线l i n 总线应运而生【3 4 】。 l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ，即本地内联网) 总线【6 j 是一种用于汽车中分 布电子系统的低成本的串行通讯系统，它是汽车多重传输网络的补充。l i n 是汽车 本地互连网络的一个总体通讯概念。其目标是为现有汽车网络( 例如c a n 总线) 提供辅助功能，在不需要c a n 总线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制 动装置之间的通讯，使用l i n 总线可大大节约成本。l i n 总线的出现使得人们可 以采用更低成本的解决方案来补充汽车高端c a n 总线的不足。 1 9 9 8 年，汽车制造商奥迪( a u d i ) 、宝马( b m w ) 、戴姆勒克莱斯勒 ( d a i m l e r - c h r y s l e r ) 、沃尔沃( v o l v o ) 、大众( v o l k s w a g e n ) 公司，通信领域的专 业厂商火山通信技术( v c t - v o l c a n oc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e s ) 公司( 现己被 m e n t o rg r a p h i c s 公司收购) 以及半导体生产商摩托罗拉( m o t o r o l a ) 公司( 现分离 为飞思卡尔，f r e e s c a l e 公司) 共同创建了l i n 协会，其目的是为汽车网络系统提供 一个开放的低速串行总线通信标准。允许在此基础上开发汽车低端网络系统，并 且不需要使用者支付使用费或版税。 在标准方面，l i n 总线标准及协议出现的较晚，但其发展速度很快，其协议规 范己经由1 9 9 9 年的1 0 版本历经几次修订，升级到2 0 0 6 年1 2 月的2 1 版本，协 议规范得到进一步的完善，尤其是2 0 版本对1 3 版本的改进功能得到较大的扩展。 2 1 1l i n 总线特性 l i n 通讯是基于s c i ( u 6 蝴) 数据格式，采用单主控制器多从设备的模式， 仅使用一根1 2 v 信号线。l i n 的主要特性可概括为如下几点： 低成本，基于通用u a r t 接口，几乎所有微控制器都具备l i n 必须的硬 件； 单主机多从机概念，无需仲裁机制； 从机节点不需要石英或陶瓷谐振器可以实现自同步； 不需要改变l i n 从节点的硬件和软件就可以在网络中增加节点； 最大传输速率为2 0 k b p s ，最大传输距离不超过4 0 m ； 重庆大学硕士学位论文 通常一个l i n 网络上节点数目一般少于1 2 个，最多1 5 个，共有6 4 个标 识符，但是可由用户定义使用6 0 个； 灵活的信号传输机制，定义了多种传输数据单位类型，减轻总线传输负担。 2 1 2l i n 的分层结构 l i n 遵从o s i 模型，如图2 1 所示，l i n 仅包括o s i 参考模型中的最低两层， 即物理层和数据链路层。其中，物理层定义了信号如何在总线媒体上传输，并且 定义了物理层的驱动器接收器特性。数据链路层又分为两个子层：媒体访问子层 和逻辑链路子层。 媒体访问控制( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层是l i n 协议的核心。 它管理从l l c 子层接收到的报文，也管理发送到l l c 子层的报文。 逻辑链路控制( l l c ，l o g i c a ll i n kl a y e r ) 子层涉及报文滤波和恢复管理 的功能。 数据链路层 逻辑链路控制子层l l c 接收滤波 恢复管理 时基同步 报文确认 媒体访问控制子层m a c 数据包装解包 错误检测 错误标定 并行转串行串行转并行 物理层 位定时 位同步 驱动器接收器特征 图2 1l i n 的分层结构 f i g2 1t h es t r u c t u r eo f l i nb u s 2 1 3l i n 相关概念。 帧：即报文，l i n t 协议规定信息以帧为单位进行传输。每一种帧都有一固 定的类型格式。每个帧都包含2 、4 或8 字节的数据以及3 字节的控制、 安全信息。 6 2l i n 总线协议简介 位速率：总线的传输速率。最大的波特率是2 0 k b p s ，它是由单线传输媒体 的e m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，电磁干扰) 限制决定。最小的波特 率是1k b p s ，可以避免和实际设备的超时周期冲突。 单主机一无仲裁：只有包含主机任务的控制器节点可以传输报文头，一个 从机任务对这个报文头作出响应。由于没有仲裁过程，如果多于一个从机 回应，则将产生错误。这种情况下的错误界定可由用户按照应用要求指定。 应答：所有接收器对接收到的报文进行一致性检查，即检查该报文是否为 本节点能够接收的信息。只有一致的报文才能被接收。 故障界定：l i n 节点可以区分短时扰动和永久故障，它还能对故障作出合 适的本地诊断和采取合适的行动。 2 2 报文传输和帧结构 2 2 1 报文传输 在l i n 协议中，数据是以帧为单位进行传输的，发送一个报文帧所需要的时 间，由发送每个字节所花的时间总，再加上帧内响应延时和字节间延时决定。字 节间延时是指前一个字节的停止位与后一个字节的起始位之间的时间间隔。 图2 2 报文帧的通讯过程 f i 9 2 2 c o m m u n i c a t i o nc o u r s eo f f l a m e s 图2 3l i n 网络结构 f i 醇3l i nn e t w o r kf r a m e w o r k 如图2 3 所示，给出了主从控制单元的示意图：主任务( m a s t e rt a s k ) ，负责 7 重庆大学硕士学位论文 决定何时传输哪个报文帧。从任务( s l a v et a s k ) ，提供将通过l i n 总线传输的数 据。典型的主节点包含主任务和从任务，而从节点只包含从任务。图2 2 给出了 l i n 的通讯机制。 2 2 2 帧结构 一个完整的报文帧是由一个主机节点发送的报文头和一个主机或从机节点发 送的相应组成，如图2 4 所示。报文帧的报文头包括一个间隔场、一个同步场合一 个标识符场。报文的相应则由3 个到9 个字节场组成：2 ，4 或8 字节的数据场和 一个校验和场。下面对各个场作简要介绍。 图2 4 l i n 的报文帧 f i 9 2 4 勖m c t u r eo fal i nf r a m e 同步间隔场( s y n c hb r e a kf i e l d ) 同步间隔场是由持续了至少1 3 个位时的显性电平( “0 ”值信号) 和至少1 个 位时的隐性电平( “1 值信号) 组成：由主机节点产生，标志着一次数据通信过 程报文帧的开始。如图2 5 所示。每个从机节点都应该以1 1 位的时间长度来作为 同步间隔场检测的阀值。 图2 5 同步间隔 f i 9 2 5t h es y n c h r o n i z a t i o nb r e a k 同步场( s y n c hf i e l d ) 同步场包含了时钟的同步信息，同步场的格式是“0 x 5 5 ”，表现在8 个位定时 8 2l i n 总线协议简介 中有5 个下降沿，即隐性跳变到显性的边沿。如图2 6 所示。 起始位0 1234 567 停止位 图2 6 同步场 f i 9 2 6t h es y n c h r o n i z a t i o nf i e l d 标识符场( i d e n t i f i e rf i e l d ) 标识符场定义了报文的内容和长度，它由两部分组成：标识符位和标识符奇 偶校验位，其中第0 位到第五位是标识位，第6 位和第7 位是奇偶校验位。其结 构如图2 7 所示。 卒始伺研粥园删巾止位 图2 7 标识符场 f i 醇7t h ei d e n t i f i e rf i e l d 标识符位的内容由6 位标识：第0 位到第3 位为i d 位，第4 和第5 位i d 4 和 i d 5 定义了报文的数据场数量。标识符位的取值范围从0 到6 3 。其作用如图所示： 表2 1 标识符位的作用 t h ef u n c t i o no fi d e n t i f i e rf i e l d i d 0 i d 5作用 o 5 9 6 0 ，6 l 6 2 6 3 传送信号的报文帧 传送诊断数据 用户定义的扩展帧( 保留) l i n 协议扩展( 保留) 标识符奇偶校验位通过下面的混和奇偶算法计算： 9 重庆大学硕士学位论文 p o = d 0 0 d 1 0 i d 2 0 i d 4 ( 奇校验x ) ： p i = i d lo i d 3oi d 4 i d 5 ( 偶校验) 。 数据场( d a t a f i e l d ) 数据场通过报文帧传输，由多个8 位数据的字节场组成。如图2 8 所示，字节 场的个数由标识符决定。最多个数为8 个，一个字节场发送一个数据字节，如果 数据长度大于一个字节，则低字节先发送。 图2 8 数据场 f i 9 2 8t h ed a t af i e l d 校验和场( c h e c k s u mf i e l d ) 校验和场是数据场所有字节和的反码，按“带进位加( a d d c ) 方式计算， 每个进位都被加到本次结果的最低位。这就保证了数据字节的可靠性。所有数据 字节的和的补码与校验和字节相加，值必须是“0 x f f 。 2 3 本章小结 本章介绍了主流的汽车总线协议之一的l i n 总线协议，着重研究了l i n 协议 的帧结构，它是后面章节制定l i n 协议的理论基础。 1 0 3 全自动车窗开关综合控制器的硬件研发 3 全自动车窗开关综合控制器的硬件研发 3 1 总体方案 全自动车窗开关综合控制系统是汽车车身重要的组成部分，它是人们更好地 驾驶和保护汽车的重要辅助部分，整个系统包括三个部分：电动车窗、遥控中央 门锁和综合控制器。 电动车窗 设计实现了四个车门的升降功能：驾驶员侧车窗总开关可以控制全车四个车 窗的手动升降和自动升降；驾驶员侧车窗安全锁开关可以使能或禁止其他三个车 窗的升降；其他三个车窗的分开关也可以控制各自车窗的升降。 遥控中央门锁【7 1 设计实现了中央门锁系统和k e e l o q 滚动码无线遥控系统的共同控制：中央 门锁系统的门锁执行器是采用直流电动机式，驾驶员侧的车门采用中央门锁，其 余三个车门均为受控门锁，既可以由中央门锁控制，也可以实现自身的机械锁定， 并且可以使用无线遥控系统实现中央门锁的遥控开锁和松锁。 综合控制器 综合控制器是本系统的一个重要组成部分，对整个车窗系统起着补充，实现 自动控制的功能，例如在电动车窗系统中，很容易出现汽车熄火以后车窗并未关 好的情况，尽管驾驶员下车后锁上车门，车窗没有关好也留下了严重的安全隐患。 综合控制器很好的解决了这类问题。在上述情况中，综合控制器通过检测发动机 和车锁的状态，当发动机熄火并且车门锁上时，综合控制器自动将电动车窗的电 源由车架发电机转至蓄电池电源，控制汽车升窗系统，自动将车窗升到顶端，消 除了安全隐患。 综合控制器不仅可以实现熄火锁门自动升窗功能外，还可以根据汽车的实时 情况，实现更多人性化功能。 本次设计利用l i n 总线将四个车窗节点和综合控制器节点连接起来，网络拓 扑结构如下图所示： 重庆大学硕士学位论文 图3 1 网络拓扑结构 f 蟾3 1t h es t r u c t u r eo f t h en e t w o r kd i a g r a m 3 2 元器件介绍 3 2 1 电源模块 为满足车身通信网络中各芯片的电压需要，网络中共用到了两种电源：1 2 v 、 5 v 。其中1 2 v 的电压主要是为电机驱动供电，电路中直接使用汽车自备的蓄电池 供电：5 v 电压是给电路中的其它芯片供电。其电路如下图所示：图中电阻r 2 5 起 限流的作用，r 2 6 为压敏电阻，其电阻值随着电压升高迅速减小，电压足够高时相 当于短路，起保护电源芯片的作用，电容滤除高频和低频干扰。v 1 2 为蓄电池电 源，v c c 为5 v 电源1 8 】。 图3 2l m 7 8 l 0 5 应用电路 f i g3 2l m 7 8 l 0 5a p p l i c a t i o nc i r c u i t 3 2 2 微控制器m c u 微控制器m c u 是整个系统的核心部分，它的选择决定了系统的软件开发环境 以及硬件连接方式等一系列的问题。无疑，m c u 的选择是系统设计时最关键的一 步。在综合考虑到汽车本身恶劣的环境以及性价比，我们选择具有汽车级温度范 1 2 3 全自动车窗开关综合控制器的硬件研发 围且价格低廉的m i c r o c h i p 公司的p i c 系列单片机。m i c r o c h i p 公司是第一个在 8 位单片机结构中实现精简指令集的厂家，并采用了程序和数据空间完全分离的哈 佛总线结构。这种体系结构大大降低了p i c 单片机的总体成本，同时提高了运行 效率。 由于p i c 系列单片机采用c m o s 结构，使其功率消耗极低，特别是2 0 0 4 年已 推出n w 级器件，是目前世界上最低功耗的单片机品种之一。其中某些特殊的单 片机，在工作模式下的耗电仅为几毫安；而在休眠模式下的耗电甚至可以低到几 微安以下。因此，p i c 系列单片机的低功耗性能使得其在控制仪表以及在汽车电子 中得到广泛的应用，尤其适用于野外移动仪表的控制以及户外免维护的控制系统。 p i c 系列单片机i o 端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达 2 0 - 2 5 m a 的负载，既能够高电平直接驱动发光二极管l e d 、光电耦合器、小型继 电器等，也可以低电平直接驱动，这样可大大简化控制电路。p i c 单片机其他特性 包括【9 】： 8 层硬件堆栈用于保护和恢复程序计数器； 工作频率0 - 2 0 m h z ，用户可选的多种时钟模式； 引入指令流水线机制，指令顺序执行时1 条指令只需1 个指令周期，程序 分支跳转需2 个指令周期； 全部3 5 条指令，每条指令占1 个字，程序字长1 4 位； 程序空间最大物理可寻址范围8 1 9 2 ( 8 k ) 程序字； 片上寄存器最大物理可寻址范围5 1 2 字节，使用寄存器文档的概念； 丰富的外围功能模块； 片内或片外多种信号中断机制； 片上具备独立看门狗。 3 2 3 遥控编码芯片h c s 3 0 1 介绍 k e e l o q 技术简介【l o l k e e l o q 技术是一种复杂的非线性加密算法，由这种算法加密生成的编码称 为滚动码。k e e l o q 技术作为一种安全实用的加密解密技术，具有以下特点： 1 1 保密性好。同一条信息，经加密产生的编码都不相同( 在一个非常长的周 期里) ，且这种变化是非线性的。 2 ) 解码器必须获得编码器的加密密钥才能正确地对收到的数据进行正确解 密，即双方事先约定私钥。 3 ) 能有效防止数据被截获重传或利用跟踪代码的方式破解系统。 4 ) 解码器可以随时删除己经存储的编码器的相关信息，不再识别原来的编码 器发来的数据。 1 3 重庆大学硕士学位论文 正是这些特点使得k e e l o q 技术越来越受重视，越来越被广泛使用。m i e r o c h i p 公司以k e e l o q 技术为基础开发了滚动编码系列芯片，h c s 3 0 1 只是其中一款。 h c s 3 0 1 的工作特性【1 1 】 1 ) 保密性高。可编程2 8 b i t 序列号和 6 4 b i t 加密密钥，数据不可读取； 2 ) 工作电压范围宽( 5 5 v 1 3 0 v ) ； 3 ) 四个功能输入接口； 4 ) 低电压检测； 5 ) 内带有省电模式，由按键唤醒； 6 ) 自动保证代码的完整传输； 鲫 s i 黢 1 3 啪 呦 r 啊豫 v 醛 图3 3h c s 3 0 1 管脚功能示意图 f i g3 3h c s 3 0 1p i nf u n c t i o ns k e t c hm a p 7 ) 无按键按下超过2 5 s ，自动结束，回到省电状态。 片内e e p r o m 芯片内部有一个1 9 2 位( 共1 6 b i tx1 2 w o r d ) 的e e p r o m ，用于存贮本芯片 的序列号、加密密钥和同步值，在使用之前必须对它进行编程。1 9 2 位的数据主要 包括6 4 b i t 的加密密钥，2 8 b i t 的序列号，1 6 b i t 的同步码【1 2 】。用户可通过相应的适 配器对芯片内部的e e p r o m 进行编程。为了保证数据的安全，一旦将数据写入 e e p r o m 后不能再读出，但可以再次修改。h c s 3 0 1 内部的e e p r o m 存储单元映 射表如表3 1 所示。 表3 1h c s 3 0 1 内部的e e p r o m 存储单元映射表 t a b l e3 1e e p r o ml o c a t i o nm a p p i n gi nh c $ 3 0 1 地址助记符说明地址助记符说明 各部分的具体含义及作用如下： 6 4 b i t 密钥( k e y _ 0 k e y _ 3 ) ：密钥由序列号和厂商号经密钥生成算法生成， 只有厂商号相同的芯片( 编码解码) 才能完成学习过程，实现配对使用。 同步值( s y n c ) ：同步值为1 6 b i t ，它的值是随按键次数不断变化的。由于采 用了复杂的非线性加密算法，即使同步值的一位数据发生改变也能使输出码的一 1 4 3 全自动车窗开关综合控制器的硬件研发 半以上的数据位发生改变。即使连续按下同一按键，编码器产生的编码值都是不 同的。若以每天传递1 0 次代码来计算，同步码重复的周期为1 8 年【1 引。 序列号( s e r0 、s e r1 ) ：s e r0 、s e r1 高低两字( 共3 2 b f f ) 中的前2 8 位是芯片的序列号，出厂时每个芯片都有唯一的序列号，还可以使用相应的编程 器来修改芯片的序列号。 密钥种子( s e e d0 、s e e d1 ) ：密钥种子值占两个字。只有当芯片的四个数 据输入端均为高电平时，密钥种子才会不经加密直接发送给解码芯片。种子值可 作为单纯的固定码，也可作为使解码芯片主动进入对码注册状态的命令码，视解 码芯片是否具有此功能而定。 信封密钥( e nk e y ) ：信封密钥是可选的。通常芯片送出的传输码中包括加 密的滚动码和未加密的序列号、按键信息。为了增加数据传输的安全性，可在设 置字节中使信封密钥使能，这样可用信封密钥对传输码中未加密的信息加密。该 加密算法是独立的，在解码芯片中应有相应的解密算法。 设置字节( c o n f i g ) ：设置字共1 6 位，第0 - 9 位组成特征码，取值无特别规 定，但通常由序列号的最低1 0 位组成。在编码器对码注册时，解码器会存贮此值。 特征码每次发送时都是加过密的，经过解码器接收解密后，会取出该值并与原先 存贮的特征码相比较，以判断本次数据传输是否有效。设置字节的第1 0 1 1 位是 扩充位，用于扩充同步值的位数，增大同步码的循环周期；第1 2 位是工作电压选 择位；第1 3 1 4 位为波特率选择位，以确定传输速率；第1 5 位是信封密钥使能位。 h c s 3 0 1 加密密匙的产生 在h c s 3 0 1 投入使用时，先产生一个唯一对应的6 4 位的加密钥匙，加密密匙 的产生示意图如图3 4 ： 图3 4h c s 3 0 1 加密密匙的产生示意图 f i g3 4h c s 3 0 1s e c r e tk e yc r e a t e ds k e t c hm a p 加密钥匙是由厂商代码和序列号经密钥生成算法产生，然后写入内部 e e p r o m 。编码芯片在投入使用前，可以利用相应的编程器来修改芯片的厂商代 码和序列号。由于生成的加密密钥为6 4 b i t ，因此重复概率为1 2 6 4 ( 1 8 4 1 0 1 9 ) 。几 乎不可能重复，这就是k e e l o q 加密的安全基础。 重庆大学硕士学位论文 h c s 3 0 1 的编码过程 h c s 3 0 1 的编码过程如图3 5 ： 序列号 图3 5h c s 3 0 1 滚动编码过程示意图 f i g3 5h c s 3 0 1r o l l i n g - c o d ep r o c e s s 序列号用来标识不同的编码器。加密密钥用来对数据进行加密，增加破译的 难度，双方在使用前约定加密密钥。同步计数值用来抗截获，每次按键，同步值 都会被更新( 滚动) 。加密密钥和同步值等信息经滚动加密算法产生3 2 b i t 的滚动 码，滚动码再与序列号以及按键信息等组成6 6 位的数据码。各部分的含义如图3 7 。 h c s 3 0 1 的传输码格式 h c s 3 0 1 的传输码格式如图3 6 。每个传输码都以引导码和头标开始，接着是 6 6 位的数据