【修机】解读挖掘机柴油机的数字签名安全控制方案

1.传统安全控制方案及存在问题
(1)传统安全控制方案
目前，挖掘机广泛采用传统的GPS终端锁车安全控制方案。点火开关发出的柴油机启动信号，需经过GPS终端内部继电器常闭触点，才能到达柴油机启动继电器，以使启动继电器控制启动机是否能启动柴油机。GPS终端还通过CAN总线向中央控制器发送是否锁车数据帧，中央控制器综合挖掘机安全实时状态，调节柴油机转速。
普通喷油泵柴油机挖掘机配置普通喷油泵柴油机时，其安全控制结构框图如图1所示。挖掘机主机厂拥有管理挖掘机车载GPS终端的GPS智能信息平台，用来接收每台挖掘机的车载GPS终端数据或向该车载GPS终端下发控制指令。当GPS智能信息平台通过网络向某GPS终端发出锁车指令后，该GPS终端内部继电器吸合，常闭触点断开，切断启动信号回路，此时该挖掘机无法启动;GPS终端通过CAN总线发出锁车数据帧，中央控制器综合挖掘机实时状态，控制油门执行器调节柴油机转速至二级怠速状态。

当GPS智能信息平台通过网络发出解锁指令后，GPS内部继电器释放，常闭触点接通，启动信号回路接通，车辆启动回路恢复正常状态;GPS终端通过CAN总线发出锁车数据帧，中央控制器综合车辆实时状态，由油门执行器控制柴油机转速至二级怠速状态。

电喷柴油机挖掘机配置电喷柴油机时，其安全控制结构框图如图2所示。对比图1与图2可知，对于普通喷油泵柴油机，启动信号控制的是启动继电器;对于电喷柴油机，启动信号直接进入柴油机控制器(ECU)。这二者不同之处在于，普通喷油泵柴油机GPS终端发出锁车数据帧并经中央控制器处理后，由油门控制器调节柴油机转速;电喷柴油机GPS终端发出锁车数据帧并经中央控制器处理后，经CAN总线和柴油机控制器控制柴油机转速。

(2)存在问题
上述2种柴油机安全控制方案存在以下3个问题:一是在GPS终端执行锁车操作后，虽然启动回路被切断，但是可直接短接GPS终端S1两端的端子，重新构成启动回路;二是当油门执行器将普通喷油泵柴油机转速降至二级怠速时，可继续使用手动油门控制柴油机转速的升降;三是利用一些通用CAN模块，很容易控制电喷柴油机转速。
由于这2种柴油机安全控制方案存在以上问题，其安全控制性能已经不可靠，而挖掘机安全问题又切实关系到主机厂和用户利益，因此挖掘机柴油机数字签名安全控制方案的应用势在必行。
2.数字签名安全控制方案
(1)方案结构
数字签名挖掘机柴油机安全控制方案主要用于电喷柴油机，其结构如图3所示。为保障数据的安全性并节省生产成本，我们将GPS终端与中央控制器集成在一起，构成挖掘机智能信息终端(ITCU)。智能信息终端内部也集成了1个常闭开关S1，用于锁车时切断启动回路。柴油机转速调节仍采用经CAN总线方式。不同之处是，智能信息终端给柴油机控制器上电时，需先进行身份校验，身份校验信息通过后，转速调节数据帧方可生效。

(2)信息校验过程
智能信息终端与柴油机控制器需经CAN总线进行连接，必须按照下述步骤拟定通信协议，并严格依照通信协议编制软件程序。在数据通讯中使用数字签名一般是为了鉴权与保障数据完整性，下面对数字签名信息校验过程进行详细描述。
整合数据首次上电或执行锁车/解锁指令时，智能信息终端向柴油机控制器发送本机设备号(4字节)、挖掘机锁车状态(4字节)、双方制定的协调码(8字节)等数据。柴油机控制器接收到上述信息后，将其整合为16字节数据，由协调码决定首次加密算法的运算法则。
生成加密数据柴油机控制器随机产生16字节数据，与整合数据时保存的16字节数据融合为32字节数据，通过CAN总线发送给智能信息终端。与此同时，柴油机控制器利用协调码决定的首次加密算法对第1次32字节数据进行首次加密，生成第2次32字节加密数据A。
产生数字签名智能信息终端接收到柴油机控制器发送的32字节加密数据A后，经过与柴油机控制器相同的加密算法进行2次加密运算，产生32字节数字签名B(加密密钥)，并通过CAN总线将数字签名B发送给柴油机控制器。
辨识数字签名柴油机控制器将自身生成的加密数据A与智能信息终端发送过来的数字签名B进行对比辨识，若加密数据A与数字签名B一致，且挖掘机未处于锁车状态，则退出信息校验步骤，进入正常转速控制环节，否则强制执行柴油机转速限制。
锁车/解锁和保密上述4个校验过程必须在1s之内完成，否则认定为校验失败。智能信息终端接收到GPS智能信息平台的锁车/解锁指令后，必须在通过上述4个步骤后才能进行锁车/解锁。
智能信息终端生产厂家与柴油机控制器生产厂家需签订保密协议，对整个信息校验过程特别是协调码对应的运算法则进行严格保密。为防止出现协调码泄露，可由GPS智能信息平台通过网络对协调码进行远程不定期更新。
挖掘机柴油机的数字签名安全控制方案，在国内某款挖掘机上成功进行了装机验证。该方案能够起到鉴权与保障数据完整的作用，可最大限度保护挖掘机整机和数据安全，是维护用户和主机厂最大利益的金钥匙。
本文选自《工程机械与维修》2016年第8期