Đồ án: Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống mã khóa động cơ trên ô tô

Đồ án chi tiết về chế tạo mô hình hệ thống mã khóa động cơ ô tô, bao gồm sơ đồ mạch điện, nguyên lý hoạt động và phương pháp đăng ký mã chìa khóa.

• Tác giả: Đoàn Văn Quân
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Xuân Thành
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống mã khóa động cơ trên ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm và Tổng Quan về Hệ Thống Mã Khóa Động Cơ

Hệ thống mã khóa động cơ là một công nghệ bảo mật hiện đại được trang bị trên các phương tiện ô tô hiện nay. Hệ thống này sử dụng công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) để xác định và xác thực chìa khóa hợp lệ, ngăn chặn hoạt động của động cơ khi chìa khóa không được phép. Mục đích chính của hệ thống mã khóa là cải thiện an toàn và bảo vệ phương tiện khỏi trộm cắp. Trên những chiếc xe như Lexus RX300 sử dụng động cơ 1MZ-FE, hệ thống này đã được tích hợp một cách hiệu quả. Mã khóa động cơ hoạt động dựa trên nguyên lý giao tiếp giữa chìa khóa thông minh và bộ điều khiển ECU (Electronic Control Unit). Khi tài xế sử dụng chìa khóa có chip mã khóa, tín hiệu sẽ được truyền đến ECU để xác minh. Nếu mã khóa khớp, động cơ sẽ khởi động bình thường; ngược lại, hệ thống sẽ chặn quá trình khởi động.

1.1. Định Nghĩa và Chức Năng Cơ Bản

Hệ thống mã khóa là một giải pháp bảo mật tích hợp sử dụng công nghệ mã hóa và xác thực để kiểm soát quyền truy cập vào động cơ xe. Chức năng chính bao gồm xác định tính hợp lệ của chìa khóa, ngăn chặn khởi động trái phép, và ghi nhận các nỗ cố truy cập không hợp pháp. Mã khóa động cơ giúp giảm tỷ lệ mất trộm ô tô và nâng cao mức độ an toàn cho chủ sở hữu phương tiện.

1.2. Lịch Sử Phát Triển và Ứng Dụng Trên Ô Tô

Hệ thống mã khóa được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1990 bởi các hãng xe hạng sang như BMW. Công nghệ này sau đó được triển khai rộng rãi trên các dòng xe khác như Lexus, Mercedes-Benz. Hiện nay, hệ thống mã khóa động cơ đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trên hầu hết các xe ô tô hiện đại, đóng vai trò quan trọng trong chiến lược bảo mật toàn cầu.

II. Cấu Trúc và Nguyên Lý Hoạt Động Chi Tiết

Hệ thống mã khóa động cơ bao gồm ba thành phần chính: ECU khóa động cơ, bộ khuếch đại chìa thu phát, và chìa khóa thông minh. ECU là bộ điều khiển điện tử chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, nhận tín hiệu từ các cảm biến và ra quyết định cho phép hoặc cấm khởi động. Bộ khuếch đại chìa thực hiện chức năng truyền nhận tín hiệu giữa chìa khóa và xe. Chìa khóa thông minh chứa chip mã khóa với mã nhị phân độc nhất. Nguyên lý hoạt động bắt đầu khi tài xế sử dụng chìa khóa để khởi động xe. Tín hiệu mã khóa từ chip sẽ được bộ khuếch đại truyền đến ECU. ECU so sánh mã này với mã được lưu trữ trong bộ nhớ. Nếu khớp, hệ thống sẽ kích hoạt relay cho phép cấp điện đến bộ phun nhiên liệu và hệ thống đánh lửa, từ đó cho phép động cơ khởi động.

2.1. Cấu Tạo ECU và Bộ Khuếch Đại

ECU khóa động cơ 1MZ-FE được trang bị các vi xử lý hiện đại, bộ nhớ lưu trữ mã khóa, và các mạch xử lý tín hiệu phức tạp. Bộ khuếch đại chìa hoạt động dựa trên công nghệ RF (Radio Frequency) để giao tiếp không dây. Nó nhận tín hiệu từ chìa khóa thông minh và chuyển đổi thành dạng mà ECU có thể hiểu được, đảm bảo quá trình xác thực an toàn.

2.2. Quy Trình Xác Lập và Hủy Bỏ Chế Độ Mã Khóa

Quá trình xác lập mã khóa diễn ra khi mã từ chìa khóa được ECU nhận dạng và xác minh. Chế độ mã khóa động cơ sẽ được kích hoạt nếu xác thực thành công. Ngược lại, nếu mã khóa không khớp, hệ thống tự động hủy bỏ chế độ và chặn khởi động. Một số hệ thống còn có tính năng ghi nhận và báo cáo các nỗ cố đột nhập trái phép.

III. Phương Pháp Đăng Ký và Quản Lý Mã Chìa Khóa

Đăng ký mã chìa khóa là quá trình lưu trữ mã từ chìa khóa vào bộ nhớ của ECU. Có hai phương pháp chính: đăng ký lần đầu và đăng ký bổ sung. Đăng ký mã chìa lần đầu được thực hiện tại nhà máy sản xuất hoặc ở các trung tâm dịch vụ chính hãng. Tài xế cần thực hiện một chuỗi thao tác cụ thể như bật khoá điều khiển, chuyển từ chế độ Off sang On vài lần, sau đó nhấn nút trên chìa khóa để xác nhận. Đăng ký mã chìa bổ sung cho phép thêm các chìa khóa phụ mới vào hệ thống. Điều này rất hữu ích khi mất chìa khóa hoặc cần trao đổi quyền sử dụng xe. Người dùng cần tuân thủ các bước hướng dẫn cụ thể từ nhà sản xuất. Sự khác biệt giữa chìa chính và chìa phụ nằm ở quyền hạn: chìa chính có thể đăng ký chìa khóa mới, trong khi chìa phụ chỉ có thể khởi động xe.

3.1. Quy Trình Đăng Ký Mã Chìa Lần Đầu

Quá trình đăng ký bắt đầu bằng việc đặt chìa khóa chính vào ổ khóa và xoay vào vị trí On. Sau đó, bật hệ thống và chờ đèn chỉ thị phản ứng. Nhấn và giữ nút trên chìa khóa thông minh cho đến khi nghe tiếng bíp xác nhận. Mã khóa sẽ được ghi lưu vào bộ nhớ ECU, hoàn thành quá trình đăng ký.

3.2. Các Bước Đăng Ký Mã Chìa Bổ Sung

Đăng ký chìa bổ sung yêu cầu chìa chính phải có mặt. Đầu tiên, bật hệ thống bằng chìa chính. Sau đó, sử dụng chìa khóa mới để thực hiện các bước xác nhận tương tự. Hệ thống mã khóa sẽ ghi nhận và lưu trữ mã từ chìa khóa mới, cho phép chìa này hoạt động với xe từ thời điểm đó trở đi.

IV. Thử Nghiệm Kiểm Tra và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kiểm tra hệ thống mã khóa động cơ là một bước quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn. Quy trình kiểm tra bao gồm việc sử dụng các thiết bị chẩn đoán chuyên dụng để đọc mã lỗi (DTC) từ ECU, kiểm tra tín hiệu từ bộ khuếch đại, và xác minh các chìa khóa được đăng ký. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo một mô hình hệ thống mã khóa để mô phỏng các hoạt động cơ bản. Mô hình này bao gồm ECU, bộ khuếch đại, chìa khóa thông minh và các cảm biến cần thiết, được lắp đặt trên một khung giá đỡ tiêu chuẩn. Quá trình vận hành và thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, có khả năng nhận dạng chính xác các chìa khóa hợp lệ và từ chối các chìa khóa không được phép. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này là cung cấp một công cụ giáo dục và huấn luyện cho các kỹ sư, kỹ thuật viên sửa chữa ô tô.

4.1. Các Phương Pháp Kiểm Tra và Chẩn Đoán

Kiểm tra hệ thống sử dụng thiết bị quét (scanner) để kết nối với ECU và đọc các mã lỗi liên quan đến mã khóa động cơ. Kiểm tra điện áp các tín hiệu giữa ECU và bộ khuếch đại giúp xác định các sự cố phần cứng. Ngoài ra, thử nghiệm chức năng thực tế bằng các chìa khóa khác nhau để đảm bảo hệ thống hoạt động đúng theo thiết kế.

4.2. Mô Hình Thực Tế và Ứng Dụng Giáo Dục

Mô hình hệ thống mã khóa được phát triển giúp sinh viên và kỹ sư hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động. Mô phỏng này cho phép người dùng thực hành các bước đăng ký mã chìa, khắc phục sự cố, và tìm hiểu cơ chế bảo mật. Ứng dụng trong đào tạo chuyên nghiệp nâng cao chất lượng dịch vụ sửa chữa ô tô tại các trung tâm dịch vụ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay chúng ta đang chứng kiến những sự phát triển vƣợt bậc của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật nói chung và trong ngành công nghệ ô tô nói riêng. Có thể nói đây là thời bùng nổ các tiến bộ khoa học kỹ thuật. Việc ứng dụng các lĩnh vực khoa học công nghệ vào ngành công nghiệp ô tô rất đa dạng và phong phú nhƣ lĩnh vực công nghệ thông tin, thuỷ lực, khí nén, vi xử lý, vi điều khiển… giúp cho những chiếc xe khi sản xuất ra trở nên tiện nghi hơn, an toàn và dễ dàng kiểm soát hơn. Một trong các ứng dụng trên đó là ứng dụng công nghệ kỹ thuật điện tử, vi xử lý, vi điều khiển để phát triển ra hệ thống mã khoá động cơ (Engine Immobilizer System).

Trên ô tô hàng loạt những hệ thống mới ra đời làm tăng tính năng sử dụng cho những chiếc ô tô và làm tăng tính tiện nghi, tính an toàn cho ngƣời sử dụng. Những chiếc ô tô dần đƣợc lắp đặt nhiều hệ thống hơn có mức độ an toàn cho ngƣời sử dụng cao hơn. Một trong những lĩnh vực an toàn cho ngƣời sử dụng là đảm an toàn cho chiếc xe không bị mất trƣớc những vụ trộm. Các nhà nghiên cứu, chế tạo ô tô phát minh ra hệ thống mã khoá động cơ (Engine Immobilizer System) đáp ứng rất tốt yêu cầu đảm bảo an ninh cho chiếc xe.

Ở Việt Nam hệ thống này cũng đã xuất hiện trên các chiếc xe nhập về từ nƣớc ngoài của các hãng nhƣ TOYOYA, HONDA, HYUNDAI, BMW…, để đáp ứng cho công tác bảo dƣỡng, sửa chữa những dòng xe hiện đại với nhiều hệ thống mới nói chung và hệ thống mã khoá động cơ nói riêng đòi hỏi việc đào tạo đội ngũ kỹ sƣ có kiến thức chuyên môn vững chắc và trình độ cao. Từ nhu cầu thực tiễn nhƣ vậy nên nhóm đã chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo hệ thống mã khoá động cơ (Engine Immobilizer System)” nhằm giúp các các bạn sinh viên có cái nhìn khách quan và thực tế hơn về hệ thống. Tạo điều kiện cho các bạn sinh viên đƣợc ứng dụng những cơ sở lý thuyết vào thực hành một cách trực quan nhất trên mô hình gần giống với thực tế. 1 Khi thực hiện đề tài đã giúp ích rất nhiều về sự hiểu biết và kinh nghiệm thực tiễn về hệ thống mã khoá động cơ trên ô tô từ đó củng cố thêm kiến thức đã học và phát triển mở rộng qua các hệ thống điện, điện điện tử ô tô khác.

Hiểu đƣợc nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống, kiểm tra đƣợc hƣ hỏng cũng nhƣ hoạt động của hệ thống, có thể tự sửa chữa những hƣ hỏng thƣờng gặp trên hệ thống. Mục tiêu của đề tài 1.1 Về mặt nhận thức - Đề tài khi nghiên cứu xong sẽ giúp cho chúng em nâng cao năng lực trình độ của mình trong việc hiểu biết về lĩnh vực ứng dụng công nghệ vi điều khiển và vi xử lý vào lĩnh vực điều khiển ô tô cũng nhƣ tự động hoá trên ô tô. - Khi thực hiện đề tài này nhóm phải thiết kế phần cứng lựa chọn thiết bị linh kiện phù hợp từ đó tích luỹ thêm kiến thức lý thuyết về điện, điện tử và có cơ hội kiểm chứng các lý thuyết đó thông qua giai đoạn thực tế trong quá trình triển khai thực hiện đề tài. - Từ những kiến thức có đƣợc khi nghiên cứu đề tài này có thể phát huy sáng tạo nghiên cứu và ứng dụng để tạo ra các hệ thống mới có tính ứng dụng cao trong cuộc sống ở tất cả các lĩnh vực khác nhƣ y tế, giáo dục, kinh doanh thƣơng mại…vv 1.2 Về mặt thực tiễn - Tìm hiểu về tính năng an toàn của hệ thống mã khoá động cơ hiện tại đƣợc lắp đặt trên ô tô của các hãng xe trên thị trƣờng.

- Chế tạo mô hình hệ thống mã hoá động cơ (Engine Immobilizer System) có cơ hội tiếp cận với các hệ thống mới, hệ thống hiện đại đƣợc lắp đặt trên ô tô hiện nay.3 Nhiệm vụ của đề tài - Tìm hiểu lý thuyết về thông tin, các vấn đề liên quan đến bảo mật thông tin. - Tìm hiểu lý thuyết về tín hiệu và các vấn đề liên quan đến xử lý tín hiệu. - Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các vấn đề liên quan đến truyền phát, thu sóng RFID và nhận dạng sóng RFID 2 - Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các vấn đề liên quan đến việc thiết kế mạch khuếch đại tín hiệu sóng RFID, mạch chống nhiễu tín hiệu sóng RFID. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các vấn đề liên quan thiết kế mạch xử lý tín hiệu chìa khoá (key) và cuộn dây (transponder) cấu trúc vi điều khiển chức năng của vi điều khiển, các tín hiệu input và output, các thuật toán xử lý tín hiệu của vi điều khiển.

- Lý thuyết cơ bản về nguyên lý hoạt động của hệ thống mã hoá động cơ. - Các hệ thống mã hoá thực tế đang đƣợc sử dụng trên một số xe ở Việt Nam - Từ kiến thức cơ bản có đƣợc trong quá trình nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiến thức thực tiễn có đƣợc khi tìm hiểu một số hệ thống mã hóa động cơ gắn trên xe ở Việt Nam thiết kế và chế tạo ra 1 mô hình hoàn chỉnh hệ thống mã hóa động cơ có các tính năng nhƣ sau: - Cho phép động cơ đánh lửa hoặc phun xăng khi 2 tín hiệu chip chìa khoá và cuộn dây trùng khớp với nhau và ngƣợc lại. - Đƣa ra tín hiệu cảnh báo nếu 2 tín hiệu chìa khoá và cuộn dây không trùng khớp với nhau. - Tối ƣu hoá các thiết kế và thi công mạch thu phát tín hiệu, khuếch đại tín hiệu và xử lý tín hiệu.

- Hoàn thiện công trình nghiên cứu với khả năng ứng dụng cao, hệ thống hoạt động ổn định và chính xác.3 Giới hạn đề tài Hiện nay, dù hệ thống mã khoá động cơ đã đƣợc ứng dụng rất phổ biến trên các hãng xe trên thị trƣờng nhƣng trình độ công nghệ chƣa đủ và giá thành các thiết bị liên quan đến hệ thống mã khoá động cơ khá cao. Hơn nữa, thời gian thực hiện đề tài và quá trình nghiên cứu của chúng em có hạn. Do đó chúng em thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống mã khoá động cơ (Engine Immobilizer System)”, chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu và chế tạo một mô dựa trên những linh kiện có sẵn trên thị trƣờng dùng để so sánh 2 tín hiệu chìa khoá và cuộn dây có trùng khớp hay không, xuất kết quả so sánh đó ra bên ngoài thông qua tín hiệu điện áp đƣợc phát ra từ mạch so sánh tín hiệu, cảnh báo trong trƣờng hợp 2 tín hiệu không trùng khớp.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài sẽ kết hợp nhiều phƣơng pháp nghiên cứu để hoàn thành đề tài trong đó phƣơng pháp đƣợc sử dụng chủ yếu là: Tìm kiếm tài liệu tham khảo đề cập đến nguyên lý hoạt động của hệ thống mã hoá động cơ. Tham khảo một số xe của các hãng để tìm hiểu về thực tế về hệ thống mã hoá động cơ.

Phân tích và tổng hợp lý thuyết cơ bản để vận dụng thực hiện thi công thiết kế chế tạo mô hình thực tế hệ thống mã hoá động cơ với các tính năng.Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.1 Tổng quan nghiên cứu trong nƣớc. - Nghiên cứu hệ thống chống trộm và hệ thống mã hoá động cơ. - Giáo trình giảng dạy điện-điện tử ô tô trong đó có đề cập hệ thống mã khoá động cơ - Hệ thống điều khiển động cơ trong đó có đề cập đến hệ thống mã khoá động cơ.2 Tổng quan nghiên cứu ngoài nƣớc. Kerstim Lemke, Rena Sadeghi, Christian Stuble, An Open Approach for Designing Secure Electronic Immobilizers, Host Gortz Institute, Rurh-Universitat Bochum, Germany.

[3] 4 Tóm tắt nội dung: Đề tài bàn luận về các vấn đề liên quan đến phƣơng pháp tiếp cận mở trong thiết kế hệ thống Immobilizer, nêu ra các mẫu, vấn đề an toàn, yêu cầu về tính năng cũng nhƣ ý tƣởng, giải pháp để đảm bảo xây dựng hệ thống Immobilizer. Đề tài chỉ ra một số vấn đề thực tiễn chính và các giới hạn khi triển khai hệ thống này nhƣ vấn đề liên quan đến bảo hiểm cho chủ sở hữu xe khi bị mất trộm, việc thông đồng giữa chủ xe và kẻ trộm hay việc xác định vị trí xe bị mất…hay những đề nghị khi triển khai hệ thống này. Chủ yếu xem xét các khía cạnh giữa hộp điều khiển và cuộn thu gắn trên ổ khoá. Một khi kẻ xấu hoàn tất các thay đổi các bộ phận vật lý của xe thì việc ngăn ngừa lấy cắp sẽ không thực hiện đƣợc.

Đƣa ra đƣợc mô hình hệ thống có liên quan đến các đối tƣợng để đánh giá chính xác về mức độ an toàn khi hệ thống Immobilizer đƣợc triển khai nhƣ: nhà chế tạo, ngƣời sở hữu, các xƣởng bảo dƣỡng, cơ quan kiểm soát vả công ty bảo hiểm. - Đƣa ra cấu trúc và nguyên lý hoạt động của một hệ thống Immobilizer gồm: Transponder, Motor Control Unit, Ignition key. - Phân tích các tình huống có thệ dẫn đến mất xe cho dù trên xe có lắp hệ thống Immobilizer nhƣ: Kéo xe bằng phƣơng tiện khác, thay thế bộ phận của hệ thống Immobilizer Nhƣợc điểm: cần khắc phục và cải tiến: - Việc kéo xe đi không thể ngăn ngừa các vụ mất xe. - Thay thế các bộ phận trong hệ thống sẽ làm vô hiệu hoá tính năng an toàn - Vì thế trên xe nên trang bị thêm hệ thống GPS kết hợp với chức năng kết nối với điện thoại để nhanh chóng phát hiện ra các vụ trộm.

Roel Vedult, Baris Ege, Flavio D. Garcia, Dismantling Megamos Crypto: Wirelessly Lockpicking a Vehicle Immobilizer.[4] Thực tế ở các hãng xe nƣớc ngoài do họ có ngành công nghiêp ô tô phát triển từ rất sớm đạt đƣợc nhiều thành tựu mặt khác do nhu cầu sử dụng rộng rãi nên hệ thống mã hoá động cơ đã đƣợc trang bị phần lớn số lƣợng xe của họ. Hàng loạt những hãng xe lớn nhƣ đều đã trang bị hệ thống này cho những chiếc xe của mình để đảm bảo an toàn cho những 5 chiếc xe và tạo cảm giác yên tâm cho chính ngƣời sở hữu chúng. 6 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về bảo mật thông tin và các ứng dụng.1 Các khái niệm cơ bản.

Khái niệm thông tin.