汽車市場主要的防盜方式包括發(fā)動機(jī)防盜鎖止系統(tǒng)(IMMO)、遙控門鎖(RKE)、無鑰匙門禁(PKE)、雙向智能鑰匙、紅外線偵測、氣流偵測和GPS衛(wèi)星定位等，其中以IMMO和RKE的應(yīng)用*為廣泛。無鑰匙門禁系統(tǒng)(PKE)在RKE基礎(chǔ)之上發(fā)展起來，作為新一代防盜技術(shù)正在逐步發(fā)展壯大，目前已經(jīng)從**車市場逐步進(jìn)入中檔車市場。

　　資源介紹

　　μPD78F0503和μPD78F0881是NEC電子ALL FLASH的78K0系列的汽車級產(chǎn)品，采用NEC電子第三代Flash技術(shù)，降低功耗的同時，也降低了Flash的工作電壓，僅為2V。

　　這兩款單片機(jī)不僅包括UART接口、8/16位定時器、CSI接口、多路10位A/D等通用模塊，同時集成了8MHz內(nèi)部高速時鐘和240kHz內(nèi)部低速時鐘。當(dāng)時鐘達(dá)到20MHz時，指令*短執(zhí)行時間僅為0.1μs。提供POC（上電清零電路）和LVI（低電壓檢測電路），這使得整個系統(tǒng)不需外加復(fù)位電路就能保證正常復(fù)位，LVI提供16個壓差為0.15V的電壓供選擇。內(nèi)部Flash具有自編程功能，可作為模擬EEPROM。內(nèi)置看門狗定時器、按鍵中斷、乘法器/除法器、時鐘輸出/蜂鳴器輸出電路等。

　　μPD78F0881是78K0/Fx2系列的產(chǎn)品，它是專用的車身控制器，內(nèi)部集成10路定時器，包括4路16位定時器和6路8位定時器，此外還集成了CAN和LIN的模塊，支持1通道CAN和1通道的LIN接口，用做車身接點(diǎn)的控制。

　　PKE工作原理

　　PKE工作原理為：當(dāng)?shù)皖l（LF）發(fā)射器檢測到觸發(fā)輸入時，將發(fā)送一條編碼的低頻報文。該信號范圍內(nèi)的任何應(yīng)答器均會接收這條報文，并對編碼的數(shù)據(jù)字段進(jìn)行驗(yàn)證。如果發(fā)射器被識別，將發(fā)送一條RF加密編碼報文。一個標(biāo)準(zhǔn)的RKE接收器對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，如果被識別，將進(jìn)行相應(yīng)的操作。

　　PKE應(yīng)用要求基站和應(yīng)答器（鑰匙）單元之間進(jìn)行雙向通訊。當(dāng)駕駛員靠近PKE系統(tǒng)的感應(yīng)區(qū)域時，只要觸及車門把手或者按下把手上的某一按鍵，駕駛員攜帶的PKE系統(tǒng)的身份識別“鑰匙”就會接收到基站發(fā)送的低頻信號，如果這個信號與“鑰匙”中保存的身份識別信息一致，“鑰匙”將被喚醒。這個過程能夠防止隨機(jī)噪聲或其他干擾信號喚醒“鑰匙”，延長電池壽命。“鑰匙”上的三維全向天線輸入電路能夠保證“鑰匙”在任何方位都能檢測到汽車發(fā)出的喚醒信號。如圖1所示。

　　圖1 被動無鑰匙門禁(PKE)框圖

　　“鑰匙”被喚醒后將分析汽車發(fā)出的認(rèn)證口令，并發(fā)送相應(yīng)高頻信號，為了提高安全性，這些信號都經(jīng)過加密處理。汽車將接收到的信號和內(nèi)部保存的信息相比較，如果驗(yàn)證通過，則打開車門鎖。駕駛員進(jìn)入車內(nèi)，只需按一下啟動鍵，汽車發(fā)動機(jī)就會啟動。當(dāng)然，駕駛員在按鍵的時候，PKE系統(tǒng)首先需要檢測“鑰匙”設(shè)備是否在車內(nèi)，然后完成同樣的認(rèn)證過程后才會啟動發(fā)動機(jī)。當(dāng)駕駛員離開汽車，只需按一下車把手或者車把手上的某一按鍵，車門就會上鎖，汽車在真正鎖定之前，同樣要檢測駕駛員的位置，并需經(jīng)過同樣的驗(yàn)證過程。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　對應(yīng)基站和鑰匙的雙向通信，PKE在RKE基礎(chǔ)上增加了短距離的LF通信。

　　在目前的設(shè)計中，RF發(fā)射頻率采用433.92MHz，LF的發(fā)射頻率采用19kHz。本設(shè)計的鑰匙端和基站端的框圖如圖2和圖3所示。

　　圖2 PKE Demo鑰匙端框圖　

　　圖3 PKE Demo基站端框圖

　　鑰匙端使用NEC電子78k0系列8位單片機(jī)μPD78F0503微控制器，來完成用戶按鍵的數(shù)據(jù)編碼、加密組幀，再通過SAW聲表諧振器電路發(fā)射至UHF頻段；當(dāng)它接收到19kHz的LF信號時，利用三個正交放置的線圈作為低頻接收天線，由低功耗低頻喚醒芯片AS3931解調(diào)后，再將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，如果數(shù)據(jù)正確，則發(fā)送一條RF加密報文。

　　在低頻天線的設(shè)計中，由于應(yīng)答器(鑰匙)體積較小，且放置在用戶的口袋或手提包中時，因此天線指向具有隨機(jī)性，即應(yīng)答器天線正對****方向的機(jī)會**只有33%，因此，應(yīng)答器中的低頻天線必須采用小尺寸的全向天線。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)答器（鑰匙）連續(xù)等待并檢測輸入信號，這會減少電池使用壽命。因此，為減小工作電流，在AS3931搜尋有效輸入信號的同時，數(shù)字MCU部分可以處于待機(jī)模式。只有當(dāng)AS3931檢測到有效輸入信號并輸出有效喚醒信號（WAKE低有效）時，數(shù)字MCU部分才被喚醒。MCU可以設(shè)置喚醒信號的格式，只有在輸入信號達(dá)到要求時，器件才將檢測到的輸出有效沿傳送到MCU。

　　基站端RF使用UHF射頻接收芯片RX3400完成信號解調(diào)，再將數(shù)據(jù)傳送到車身主控芯片μPD78F0881進(jìn)行數(shù)據(jù)解密和指令執(zhí)行；當(dāng)?shù)皖l（LF）發(fā)射器檢測到觸發(fā)輸入（觸摸按鍵）時，將由串聯(lián)的LC形成低頻發(fā)射端，發(fā)送一條編碼的低頻報文。由于19kHz信號的傳播能力不強(qiáng)，因此雙向通信的距離通常在2m以內(nèi)。

　　加密算法采用DES算法，也可以使用用戶提供的算法。

　　部分模塊介紹

　　LF發(fā)射電路

　　LF發(fā)射電路原理圖如圖4所示，主要由驅(qū)動電路、LC振蕩電路和反饋電路組成。驅(qū)動電路提供發(fā)射所需的功率，LC振蕩電路由L和C串聯(lián)組成，LC諧振電路的諧振頻率由如下公式?jīng)Q定：

　　f=1/2πLC

　　其中L為環(huán)路電感，C為環(huán)路電容，當(dāng)工作于9V到12V直流電源時，天線能達(dá)到的**峰峰值電壓大于300V，所以本設(shè)計中選用電容的耐壓值為630V。反饋電路為了同步電壓和電流的相位，增加發(fā)射功率。

　　圖4 LF發(fā)射電路原理

　　觸摸按鍵

　　觸摸按鍵電路圖如圖5，當(dāng)有手指觸摸時其電路圖如圖6。如果手指沒有觸摸到焊盤，當(dāng)有固定頻率和占空比PWM輸入時，A/D端口的電壓為Vo1。由于人體等效成一個小電容C1，所以觸摸點(diǎn)的電壓被電容C1分壓，**右端處輸入電壓將會降低，變?yōu)閂o2。Vo1和Vo2的關(guān)系為：Vo1 > Vo2。

　　經(jīng)過調(diào)整一些參數(shù)，比如與右端輸出端口相連的電阻，可調(diào)整端口輸出電壓Vo的大小，所以當(dāng)（Vo1 - Vo2）的結(jié)果大于某個值時，認(rèn)為有按鍵按下。

　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　RF加密數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示。

　　圖5 觸摸按鍵電路圖

　　圖6 手指觸摸時觸摸按鍵電路圖

　　圖7 RF加密數(shù)據(jù)幀格式

　　16bit同步計數(shù)器：每當(dāng)一個按鍵被按下時，同步計數(shù)器會自動加1并存儲在內(nèi)部EEPROM中，接收方有16bit同步計數(shù)器與之相匹配，密文傳送；

　　64bit密鑰：64bit密鑰會被燒錄在內(nèi)部的EEPROM，用來產(chǎn)生跳碼，遙控器的密鑰必須與接收解碼器相同，不同的制造商擁有不同的密鑰；

　　身份碼：用來識別遙控器與接收器之間的關(guān)系，每一編碼IC或控制器其身份碼均不相同；

　　識別碼：是身份碼的低12bit，用于校驗(yàn)傳輸中可能出現(xiàn)的錯誤；

　　密文傳送功能碼：遙控器按鍵狀態(tài)或遙控器指令數(shù)據(jù)發(fā)射。

　　參數(shù)(身份碼，同步計數(shù)器，密鑰)安全保存

　　a)接收方數(shù)據(jù)有效性判斷：

　　1、解密后的2bit功能碼應(yīng)與固定碼中2bit功能碼相等；

　　2、解密后的12bit識別碼應(yīng)為固定碼中30bit身份碼的低12位；

　　3、接收的身份碼應(yīng)與接收方保存的身份碼一致。

　　b)接收方16bit同步計數(shù)器的判斷：

　　1、(解密后的16bit同步計數(shù)器)-(接收方保存的16bit同步計數(shù)器)≤16，更新接收方16bit同步計數(shù)器，執(zhí)行相應(yīng)操作；

　　2、16<(解密后的16bit同步計數(shù)器)-(接收方保存的16bit同步計數(shù)器)<32K，暫存收到的16bit同步計數(shù)器，不執(zhí)行操作；

　　3、(解密后的16bit同步計數(shù)器)-(接收方保存的16bit同步計數(shù)器)≥32K，不操作。

　　c)接收方學(xué)習(xí)功能

　　1、方便生產(chǎn)配對；

　　2、初始狀態(tài)下接收方只有64bit密鑰，通過學(xué)習(xí)獲得遙控器身份碼；

　　3、接收方進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)有

　　效后保存得到的身份碼。

　　可用Flash模擬EEPROM

　　因?yàn)槊看伟l(fā)完碼之后，都要存儲16bit的同步計數(shù)器的值，所以在器件本身沒有EEPROM的情況下，用Flash模擬EEPROM。對于1KB Flash來說，如果按照*少可擦除次數(shù)100次來計算的話，可實(shí)現(xiàn)51200次的16bit同步計數(shù)值的重寫，可以滿足要求。

　　LF單、雙數(shù)據(jù)喚醒格式分別見圖8和圖9。其中NPRE為≥8的偶數(shù)。數(shù)據(jù)的編碼方式為Manchester編碼。

　　圖8 LF單數(shù)據(jù)喚醒格式

　　圖9 LF雙數(shù)據(jù)喚醒格式

　　由于PKE系統(tǒng)是是自動識別、自動應(yīng)答，因此應(yīng)答器必須處于常收狀態(tài)，這樣應(yīng)答器的整體功耗就成為其能否長久穩(wěn)定工作的根本。在應(yīng)答器電路中，只有接受到正確地引導(dǎo)碼之后，鑰匙端的數(shù)字部分電路才會被喚醒，這樣可以減少電池消耗。

　　總結(jié)

　　本方案采用的加密算法是64bit DES算法，用戶也可以根據(jù)其需要選擇其他算法，如AES或者自定義的算法。本設(shè)計中低頻所采用的頻率是19kHz，用戶也可以選擇125kHz、134kHz，只需要配置相應(yīng)的低頻收發(fā)電感和電容即可。