例文1

山东交通学院大学生学术科技项目

结题报告

项目名称：新型汽车智能安全锁设计

申报者：赵锋 张西龙 岳彩宾

指导老师：司文慧

所在院系：工程机械系

申报日期：2009年12月2日

1. 概述

随着科学技术的进步，为对付不断升级的盗车手段，人们一代一代地研制

出各种方式、不同结构的防盗器，目前防盗器按其结构可分三大类：机械式、电子式和网络式。钩锁、方向盘锁和变速挡锁等基本属于机械式防盗器，它主要是靠锁定离合、制动、油门或方向盘、变速挡来达到防盗的目的，但只防盗不报警。 插片式、按键式和遥控式等都属于电子式防盗器，它主要是靠锁定点火或起动来 达到防盗的目的，同时具有防盗和声音报警功能。GPS卫星定位汽车防盗系统属于网络式防盗器，它主要是靠锁定点火或起动来达到防盗的目的，而同时还可通过GPS卫星定位系统（或其他网络系统），将报警信息和报警车辆所在位置无声地传送到报警中心。

传统的汽车防盗技术存在着以下缺点：

（1）机械式防盗器采用的机械开关使用寿命短，易接触不良，从而导致障率比较高，安全性能差。

（2）按键式电子防盗器密码相对简单，容易被他人通过相应的电子工具破解。遥控式电子防盗器的手持无线发射器发出的密码易被隐蔽的无限破译装置接收，从而被他人盗用；或者，由于手持式无限发射器需要电池供电，电量不足式无法正常工作，影响正常使用。防水防碰性能差。

（3）GPS网络防盗可划分为局域网和广域网两种。局域网一般有不少死角；广域网的覆盖范围广，防盗效果明显，但须警方配合，而且使用成本比较高。 另外，对于遥控式电子防盗器来讲，其阅读器内部采用的是国外的专用芯片（如U220B、RS500、RC531、EM4095等），硬件成本较高，核心技术容易受制于人。

通过对汽车防盗产品的研究，笔者认为现有的防盗技术存在着相对不完善的地方。因此，笔者利用TI公司推出的超低功耗16位单片机MSP430F149以及无线射频识别技术，着重研究了汽车防盗技术的进一步发展方向。以期取得更好的汽车防盗效果。

2. 射频识别（RFID）技术

RFID是radio frequency identification 的缩写，即无线射频技术。众所周知，RFID是一种自动获取关于人，物品，时间，地点，交易的信息或数据的方式。

几毫秒内完成识别操作，无可视要求，非接触，苛刻环境下工作，无人为错误；ID“标签”可以保存唯一的ID号，向标签读写数据，执行加密和认证，同时读大量标签。 新型RFID系统一般由单芯片RFID标签和一个RFID读卡器组成，标签上集成了射频前端、存储器和控制器。RFID读卡器可对标签上的数据进行解码，然后进行适当的操作(比如打开门锁)。RFID标签类似于条形码，但它们是以电子方式存储产品信息。最新的RFID标签除了具有安全特性外，还具有随着产品在供应链上传输自动更新相关信息的能力。而RFID标签可用于跟踪物流运输到高端电子产品的所有物品。它们可以自动征收过桥费和道路费，可以限制接近敏感区域。如今，RFID标签开始进入安全性更高的领域，例如遏制假冒伪劣药品有效措施、无接触支付、货运安全以及电子护照等。

2.1 RFID系统组成

RFID系统主要由电子标签、天线(包括发射天线、接收天线)、阅读器、控制主机组成，如图2.1所示。电子标签（射频卡）是一种可读写设备，阅读器既可以从电标签读取信息，也可以将自身的信息写进电子标签中。阅读器由射频功能块和控制模块组成。用户可以在主机上编写程序，通过RS232或RS422串通信电缆传输到控制模块，实现对射频设备的控制。

图1 RFID系统组成

RFID系统主要分为有源RFID系统和无源RFID系统两种。

2.2有源RFID基本理念

（1） 有源RFID系统由三部分组成

有源RFID与无源RFID不同的技术是：有更长的有效作用距离(~100m)与高灵敏度，能对高速移动物体监测；用电池对MCU+低功耗RF芯片供电，而电池使用寿命应大于2年；具有各种长作用距离的应用(如不停车收费/人员定位追踪

/贵重物品定位追等)和具有ISM RF频段。有源RFID系统由三部分组成，如图2所示。

图2 有源RFID系统组成示意图

（2）标签（Target） 由无线收发模块(可用CCl100多通道射频收发机或CC2500射频收发机作为无线通讯模块)，天线，控制模块(可用微控制器MSP430F2012)组成，通过电磁波与读卡器进行数据交换。 （3）读卡器(Reader)

由无线收发模块(可用CCl100作为无线通讯模块)，天线，控制模块(可用微控制器MSP430F2012)和接口电路组成。 （4）数据交换与管理糸统(Center Processor) 通过RS232或RS485接口与读卡器进行数据交换。

实际有源RFID平台除了有一个读卡器、3个标签(无线通讯模块是CCl100，微控制器是MSP430F2012)之外，还必须由1个RS232转换板，1根串口线，门及上位机软件；读卡器通过RS232转换板和串口线与上位机相连，用来接收标签发送的的数据；每个标签有自己的ID号，并定时发送自己的ID号给读卡器。

2.3无源RFID基本理念

无源RFID接收读写器发射的信号并对其进行调制后反射给读写器，如图3所示，本射频卡通信模块(可用TRF7960)是基于13.56MHz频率的非接触卡读写模块，可支持TI公司的Tag全系列卡片，符合S014443标准的高频非接触卡片。

集MSP430超低功耗级微控制器(用MSP430F2232)和TRF7960超小体积、超低功耗、多协议于一身，能简单、快速的将当今最流行的非接触射频卡技术应用到安控监测系统之中。本系统采用此设计方案，具有读卡功耗低、感应距离远、性能稳定、体积小、性价比高等特点，是新一代家用和商用智能锁的最佳选择方案。

图3 实现无源RFID技术的组成框图

3.系统的硬件结构

方案采用超低功耗单片机MSP430F2232为核心结合TRF7960(射频卡通信模块)智能卡读头和13.56MHZ高频卡片实现门锁的感应式智能控制。该方案采用干电池供电，片内1 2位AD定时采集内部电压状况，一端口控制LED进行电压状态指示和认证指示，静态功耗小于3μA，最大限度的延长了电池的使用寿命，无需经常更换电池；片内定时器Timer_A定时启动TRF7960无源卡片读头感应外部卡片和读取信息，TRF7960读取的卡片信息通过SPI接口传输绐MCU进行数据处理和身份验证：卡片识别验证通过后，MCU控制电机驱动器BA6289；驱动电机打开门锁，同时蜂鸣器和LED灯闪烁指示；在门处于敞开状态时，MCU实时检测门锁状态，报警提醒关闭门锁，避免不必要的财物损失：卡片的验证信息等存贮于外部EEPROM(CAT24C128型)，随时调用该方案13．56MHZ的无源卡片基于IS01 5693协议，识别距离可达10GM左右，具有读卡功耗低、感应距离远、性能稳定、体积小、性价比高等特点。

系统的硬件设计如图4所示。

MSP430F2232 AS1360 电池 Vcc ADIN P2 TRF7960 Antenna AT24C01 RTC PT7L4369 I2C I2C P1.0 P1.3 P1.1 P1.2 BA6289 电动机 扬声器 指示灯 图4射频识别系统硬件框图

3.1 MSP430单片机

MSP430系列单片机是由TI(Texas Instruments，美国德州仪器公司)开发的16位微处理器。该系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其突出特点强调低功耗，非常适用于各种低功率要求的应用。这些微控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长使用时间的应用。由于其高的性价比，在智能家庭仪表，医疗设备，保安系统等领域已经逐渐取得广泛的应用。

它们具有16位RISC（精简指令集)结构，中央处理器(CPU)中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率;灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗;数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6us的时间内激活到活跃的工作方式。

MSP43O系列单片机具有丰富的片内外设，有极其广阔的应用范围。以下 MSP430的一些共同特点：

①超低功耗。MSP430F2232的电源电压采用1．8～3．6 V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅为0．1 μA，活动模式下耗电为250μA／MIPS，I／O输入端口的漏电流最大仅为50 nA。独特的时钟系统设计，MSP430F2232包括两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁相环时钟系统(或DCO数字振荡器时钟系统)。这些时钟可在指令的控制下打开或关闭，实现对总体功耗的控制。另外，MSP430F2232采用矢量中断，2个8位端口有中断能力，支持十多个中断源，并

可任意嵌套。用中断请求将CPU唤醒只需6μs。通过合理编程，既可降低系统功耗，又可对外部事件请求作出快速响应。

②超强处理能力。MSP430F2232采用了精简指令集(RISC)结构，1个时钟周期可以执行1条指令，使MSP430F2232在8MHz工作时，指令速度可达8MIPS。另外。MSP430F2232采用了16位多功能硬件乘法器和硬件乘一加(积之和)等先进的体系结构，大大增强了其数据处理和运算能力。

③系统工作稳定。上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，且晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU主系统时钟MCLK时发生故障，则DCO会自动启动，以保证系统正常工作。另外，MSP430F2232的内部看门狗定时器(WDT)可在程序失控时迅速复位。

MSP430F2232特性与MSP430F2012相比其不同之处：具有16位定时器A与定时器B并带捕获/比较寄存器；10位200ksps的A/D转换器；2个配置运算放大器与通用串行通讯接口。

3.2 TRF7960 RFID读卡器

TRF7960是高度集成13.56MHz RFID读卡器系统；是高度集成、多标准模拟前端及数据成帧系统，用于13.56MHz RFID读卡器。其内置的编程选项使其成为各种应用的理想选择．包括近距离或近程的RFID系统。

TRF7960/1特点：集成低电平转换编码(4位转1位、256位转1位)。与采用12字节FIFO的MCU相连8位并行或4引脚串行SPI(接口)；工作电压范围：2.7V至55V；集成电源稳压器。用于射频输出级并增强了电源的噪声抑制能力；集成电源稳压器(20mA)，可用于MCU及其他外置电路；5V电源的大输出功率(100mW或200mW)；使用单个外部13.56MHz石英晶振产生芯片及外部微控制器所需的时钟；同步时钟输出可选择为HF频率、RF/2或RF/4频率双接收机输入，集成了读卡器至读卡器间的抗干扰节电{power down)，待机及工作模式，小型化32引脚QFN封装。

3.3 AS1360

方案中AS1360为稳压芯片，其指标为：低静态电流1.5μA，宽电压输入最高到20V；低压差可分别为250mV/100mA与400mV/200mA；精确的输出电压

为1.8V、2.5V、3.0V、3.3V、5.OV；高输出电流为250mA；高精度输出电压为±1.5%；异常线形调节为0.1%/V；低温飘±100ppm/℃；集成短路及过流保护。

4.系统的软件设计

射频识别系统的软件设计核心是对射频卡发出的信号进行读取和校验。其中身份识别子程序流程图如图5所示。本系统中所用到的射频卡是只读卡，所以只需将其唯一的64位ID读出，然后经校验无误后与E2PROM中已存的ID进行对比，即可确定车主身份。

图5 身份识别子系统流程图

4.1 射频信号的读取

图5给出了信号每个字节的格式，它由10位组成。第一位是起始位，固定为1，最后一位是停止位，固定为0，第2～9位是实际发送的数据(最先收到的位为LSB)，由于是负逻辑，故数据需反相处理。 图6所示是阅读器读取数据的时序。射频卡发出的数据采用FSK调制。操作

时可将TXCT置为0，延时50ms，然后再将TXCT恢复成1。此后约经过3ms，SCUO开始输出数据。该数据的第一个字节即为起始字节，总共输出14字节数据。

图6 射频信号读取控制

4.2 CRC数据校验方法

CRC校验是为了检查信息字段是否传送正确而设置的，它是信息字段的函数。本文采用16位循环冗余校验码（CRC－CCITT），其生成的多项式为：

CRC校验码由于其实现简单、准确率高而在通讯中广泛采用。本文采用的CRC－CCITT能检测出所有的双错、奇数位错、突发长度不大于16的突发错、99.997％的突发长度为17的突发错和99.998％的突发长度大于或等于18的突发错。CRC校验码的运算可以用移位寄存器和半加器来实现。具体的校验原理如图7所示。发送端的校验过程如下：

图7 CRC校验实现原理

（1） 先将CRC校验码(2个字节)的初始值设定为00H，00H(图6中0～15

表示CRC的位0～15)。

（2）CRC校验码全部右移一位，并在A处与要进行CRC校验的数据的第1位作XOR运算。

（3）经步骤2运算后，A处的结果如为1，则反相MSC(位15)，然后检查MSB是否为1，如MSB为1则反相位13和位10，否则转到步骤4。而如果A处的结果为0，则检查MSB是否为1，若MSB为1则反相位3和位10，不是则转到步骤4。

（4）检查A是否已运算64次，若不是，则重复步骤2到4。

（5）重复2～4步，做CRC运算，所得最后数值就是CRC校验码。接收端校验的过程实际是所有信息码加上CRC校验码，然后将其作为一个整体再求一次CRC校验的过程，如果最后结果是全零，则表示CRC校验正确，否则表示错误。 应答器信息的读取必须严格按照其时序进行，否则将得不到所需的正确信息。限于篇幅，本文未列出具体程序。

5.结束语

本系统以MSP430F2232单片机为核心。该系统由射频识别装置、外部存储器、语音电路、时钟电路、电源管理电路、看门狗和检测控制电路组成。此系统的兼容性很高，可与其它防盗器配套使用，是一种性价比较高的汽车防盗装置

该防盗报警系统的主要功能特点如下：

（1）普通汽车防盗器主要是采用键盘输入方式对司机身份进行识别的，这种方式给驾驶带来诸多不便，而且由于其密码组合有限，较容易被窃取和破译。而采用射频识别技术来识别身份，则可有效解决这一问题。车主只须携带应答器（32mm）靠近阅读器的感应线圈（进入7cm左右的感应范围），即可在瞬间完成身份识别，并且其密码不宜破译，因而大大提高了防盗效果。如果原有的应答器丢失，那么，使用者只须按下“学习”键，然后将备用的应答器靠近感应天线即可完成ID的学习，原有的ID会自动清除，同时使丢失的应答器失效，备用应答器失效。

（2）它的外部存储器采用ATMEL的AT24C01串型E2PROM。AT24C01是具有I2C总线的1K位电可擦除存储器，可用来存储车主的ID和突然掉电前单片机的标志信息。由于它是非易失性存储器，所以，掉电后其存储的信息不会丢失。重新上电后，系统又会回到掉电前的状态，这样可以有效地防止人为对汽车

电源的破坏，提高安全性。

（3）语音电路以ISD1420集成语音芯片为核心，结合调理和功放电路便可实现多段语音的录放，而且其音质良好。利用该电路可以方便地实现防盗系统的安全提示和报警功能。

（4）电源管理电路和看门狗电路采用MAX705来完成。该芯片兼有电源管理与看门狗的功能。其中电源管理与单片机软件结合主要可用来对突然掉电进行数据保护，使单片机将掉电前瞬间的状态信息保存到E2PROM中，以备重新上电时读取。而看门狗电路则可有效地进行单片机监控，防止汽车上的各种干扰使单片机陷入死循环，从而提高整机的稳定性和可靠性。

（5）检测控制电路用来检测汽车的各种状态信息，以供单片机决策判断之用。其中包括对车门的检测、对电源的检测、对刹车信号的检测和对按键的检测。控制电路则包括方向灯的控制、电源的控制、中控锁的控制和轮毂锁的控制。

需要指出的是，安全性对新型RFID系统而言也是一个很重要问题。如今新型RFID系统己能支持带64位密钥的高级加密算法的标签和读卡器。RFID标签的安全性最多只能跟读取它的标签读卡器的安全性一样高。安全性更高的新型读卡器将支持高级的军用级128位AES加密算法，同时也支持更简单的加密算法。它们还允许采用密码保护，并允许在RFID标签上的多个加密区中采用可选的加密算法。加密算法在不断更新和改进，密钥也越来越长和强大。运用射频识别技术研制的新型汽车防盗器，经过数次调试和试用，其性能不仅稳定，而且安全可靠。在实际应用中也取得了良好的效果。实践表明，该防盗器具有技术先进、实用、方便、兼容性好、体积小和功能全等优点，是一种比较理想的汽车防盗系统。

电源的破坏，提高安全性。

（3）语音电路以ISD1420集成语音芯片为核心，结合调理和功放电路便可实现多段语音的录放，而且其音质良好。利用该电路可以方便地实现防盗系统的安全提示和报警功能。

（4）电源管理电路和看门狗电路采用MAX705来完成。该芯片兼有电源管理与看门狗的功能。其中电源管理与单片机软件结合主要可用来对突然掉电进行数据保护，使单片机将掉电前瞬间的状态信息保存到E2PROM中，以备重新上电时读取。而看门狗电路则可有效地进行单片机监控，防止汽车上的各种干扰使单片机陷入死循环，从而提高整机的稳定性和可靠性。

（5）检测控制电路用来检测汽车的各种状态信息，以供单片机决策判断之用。其中包括对车门的检测、对电源的检测、对刹车信号的检测和对按键的检测。控制电路则包括方向灯的控制、电源的控制、中控锁的控制和轮毂锁的控制。

需要指出的是，安全性对新型RFID系统而言也是一个很重要问题。如今新型RFID系统己能支持带64位密钥的高级加密算法的标签和读卡器。RFID标签的安全性最多只能跟读取它的标签读卡器的安全性一样高。安全性更高的新型读卡器将支持高级的军用级128位AES加密算法，同时也支持更简单的加密算法。它们还允许采用密码保护，并允许在RFID标签上的多个加密区中采用可选的加密算法。加密算法在不断更新和改进，密钥也越来越长和强大。运用射频识别技术研制的新型汽车防盗器，经过数次调试和试用，其性能不仅稳定，而且安全可靠。在实际应用中也取得了良好的效果。实践表明，该防盗器具有技术先进、实用、方便、兼容性好、体积小和功能全等优点，是一种比较理想的汽车防盗系统。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9hv8.html