汽車(chē)安全與防盜——無(wú)鑰匙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

遙控鑰匙(RKE)的出現(xiàn)為人們帶來(lái)了很好的用戶(hù)體驗(yàn)，滿(mǎn)足了人們對(duì)便利性及舒適性的要求，但由于其射頻單向通訊的技術(shù)限制，在安全性上有其自身的不足。恩智浦半導(dǎo)體(以下簡(jiǎn)稱(chēng)NXP)適時(shí)推出的集成方案(Combi)把引擎防盜和遙控鑰匙合二為一，用一顆芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，既提高了系統(tǒng)的安全性，又降低了整個(gè)鑰匙的成本，逐漸替代獨(dú)立的遙控鑰匙成為歐美日市場(chǎng)上的主流方案。當(dāng)然，在射頻通訊上其依然保留單向通訊，安全性并沒(méi)有本質(zhì)的提高。

圖一

2003，NXP推出了無(wú)鑰匙系統(tǒng)(PKE或稱(chēng)PEPS)，徹底改變了汽車(chē)安防應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景，給用戶(hù)帶來(lái)了全新舒適與便利的體驗(yàn)：車(chē)主在整個(gè)駕車(chē)過(guò)程中都完全不需要使用鑰匙，只需要隨身攜帶。當(dāng)車(chē)主進(jìn)入車(chē)子附近的有效范圍時(shí)，車(chē)子會(huì)自動(dòng)檢測(cè)鑰匙并進(jìn)行身份識(shí)別，如成功會(huì)相應(yīng)的打開(kāi)車(chē)門(mén)或后備箱；當(dāng)車(chē)主進(jìn)入車(chē)內(nèi)，只需要按引擎啟動(dòng)按鈕，車(chē)子會(huì)自動(dòng)檢測(cè)鑰匙的位置，判斷鑰匙是否在車(chē)內(nèi)，是否在主駕位置，如成功則發(fā)動(dòng)引擎。千萬(wàn)不要小瞧這個(gè)看似不起眼的改變，它在簡(jiǎn)化你的生活方面發(fā)揮著重大作用。無(wú)鑰匙系統(tǒng)絕不僅僅是帶來(lái)了舒適與方便，其在安全性方面也有了本質(zhì)的提高，通過(guò)低頻和射頻的雙向通訊，汽車(chē)與鑰匙之間可以完成復(fù)雜的雙向身份認(rèn)證，在安全性方面與引擎防盜類(lèi)似，要遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的遙控鑰匙。從2003年少量高端車(chē)型成功量產(chǎn)無(wú)鑰匙系統(tǒng)開(kāi)始，全球市場(chǎng)用了兩到三年的時(shí)間推廣普及這一技術(shù)，目前，幾乎全球每一個(gè)主流車(chē)廠都有應(yīng)用NXP的無(wú)鑰匙產(chǎn)品，覆蓋中高端的車(chē)型，甚至是低端車(chē)型。

我們一起看一下這一技術(shù)到底是如何實(shí)現(xiàn)的。如圖二所示，無(wú)鑰匙系統(tǒng)共需要檢測(cè)判斷三種區(qū)域：灰色的車(chē)外區(qū)域，淡粉色的車(chē)內(nèi)區(qū)域以及灰白色的主駕位置。其中灰色的陰影區(qū)包括三部分，分別表示主駕，副駕，后備箱的車(chē)門(mén)控制的有效區(qū)域，當(dāng)車(chē)主帶著鑰匙進(jìn)入這一位置時(shí)，車(chē)子跟鑰匙間就可以建立起有效通訊，通過(guò)低頻信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)，車(chē)子可以判斷出鑰匙的相應(yīng)位置，由此決定打開(kāi)對(duì)應(yīng)的車(chē)門(mén)。淡粉色的車(chē)內(nèi)區(qū)域是整個(gè)PKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，要精確的判斷鑰匙是否在車(chē)內(nèi)，來(lái)決定車(chē)門(mén)狀態(tài)以及發(fā)動(dòng)機(jī)是否可以啟動(dòng)。在一些高端車(chē)型的設(shè)計(jì)中還會(huì)檢測(cè)灰白色的主駕區(qū)域，鑰匙是否有效，主駕位置是否有人，避免諸如兒童誤操作導(dǎo)致的引擎啟動(dòng)；另外還可能包括后備箱內(nèi)區(qū)域的檢測(cè)，為防止鑰匙被誤鎖入后備箱。綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)在無(wú)鑰匙系統(tǒng)中，區(qū)域檢測(cè)是一個(gè)非常重要且區(qū)別于以往各種汽車(chē)安防產(chǎn)品的技術(shù)，因而區(qū)域檢測(cè)的精度就成為衡量一個(gè)無(wú)鑰匙系統(tǒng)好壞的重要參數(shù)。目前市場(chǎng)上主要有兩種相應(yīng)技術(shù)，其一是通過(guò)調(diào)節(jié)低頻信號(hào)靈敏度強(qiáng)弱進(jìn)而根據(jù)通訊是否穩(wěn)定進(jìn)行模糊判斷，其精度有限但實(shí)現(xiàn)方便；其二是基于接收低頻信號(hào)的強(qiáng)度檢測(cè)來(lái)判斷，即RSSI(Received Signal Strength Indication)，根據(jù)低頻信號(hào)的大小來(lái)計(jì)算鑰匙與車(chē)內(nèi)低頻天線的相對(duì)距離，通過(guò)多根低頻天線交叉覆蓋范圍，精確定位鑰匙的具體位置。NXP的產(chǎn)品全部采用第二種技術(shù)。為達(dá)到理想的性能參數(shù)，NXP提供了最小2.5 mV的三維低頻接受前端的信號(hào)靈敏度，而典型的靈敏度值可以達(dá)到1mV。不同于其他解決方案的逐次逼近式(Successive Approximation) ADC，NXP采用12位的Sigma-Delta (Σ-Δ) ADC，通過(guò)多點(diǎn)采樣平均來(lái)消除噪聲干擾，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的最好的車(chē)內(nèi)車(chē)外檢測(cè)精度高達(dá)2cm。目前，車(chē)廠通常要求的車(chē)內(nèi)車(chē)外檢測(cè)精度為5～10cm。

圖二

無(wú)鑰匙系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖三所示，左側(cè)為汽車(chē)端，包括主控制器(Body Control Unit)，車(chē)門(mén)把手和后備箱把手觸發(fā)模塊，引擎一鍵啟動(dòng)模塊，引擎防盜基站模塊(IMMO Basestation)，低頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊。其中三個(gè)綠色的模塊主要是用來(lái)觸發(fā)整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)車(chē)主拉動(dòng)車(chē)門(mén)或按下一鍵啟動(dòng)按鈕，相應(yīng)的模塊會(huì)發(fā)送中斷信號(hào)來(lái)喚醒主控MCU，開(kāi)始整個(gè)通訊過(guò)程。常見(jiàn)的無(wú)鑰匙系統(tǒng)工作模式分兩大類(lèi)：觸發(fā)模式和掃描模式(polling)，其中觸發(fā)模式分為機(jī)械觸發(fā)和電子感應(yīng)觸發(fā)，這里需要綜合考慮系統(tǒng)成本和系統(tǒng)性能，例如整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。引擎防盜基站模塊是低頻通訊模塊(125KHz)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)跟鑰匙的近距離通訊，發(fā)動(dòng)引擎，這一功能是備用方案，又稱(chēng)“無(wú)電模式”，只有在鑰匙電池耗盡或者有意外干擾無(wú)鑰匙系統(tǒng)導(dǎo)致無(wú)法正常工作時(shí)才會(huì)采用。這種情況下，用戶(hù)只需要手持鑰匙放在固定位置(例如凹槽)，鑰匙就可以跟基站建立通訊，進(jìn)行身份認(rèn)證來(lái)啟動(dòng)引擎。NXP的無(wú)鑰匙系統(tǒng)PCF7952和 PCF7953的一大特色就是芯片本身集成了引擎防盜功能，完全兼容NXP的所有Transponder產(chǎn)品，包含PCF7936。這極大的提高了系統(tǒng)的可靠性而且不需要額外增加成本，具體細(xì)節(jié)后續(xù)還會(huì)提到。

圖3：無(wú)鑰匙系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

低頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊是無(wú)鑰匙系統(tǒng)的基本通訊鏈路，低頻發(fā)射采用125KHz，為上行鏈路，由車(chē)子端發(fā)送至鑰匙端；射頻接收采用315MHz或434MHz，為下行鏈路，由鑰匙端發(fā)送至車(chē)子端。之所以采用125KHz，一方面是為了兼容引擎防盜的相關(guān)技術(shù)，更為重要的是125KHz的信號(hào)對(duì)距離敏感，可以實(shí)現(xiàn)精確的距離檢測(cè)，起到關(guān)鍵的定位作用。射頻則采用傳統(tǒng)RKE的頻段，一方面兼容遙控鑰匙的基本功能，更利用了其通訊速度快的優(yōu)勢(shì)，這里需要著重聲明的是，所謂的通訊速度是指鑰匙跟車(chē)子間用于認(rèn)證加密的數(shù)據(jù)傳輸，為保證在較短時(shí)間內(nèi)完成無(wú)鑰匙開(kāi)門(mén)或點(diǎn)火的過(guò)程，需要采用較高的波特率(一般為8～20kbps)，通常不建議采用低端的SAW發(fā)射模塊(1kbps左右)，而采用基于鎖相環(huán)技術(shù)的發(fā)射芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如NXP的PCF7900，其在FSK的模式下最高波特率可達(dá)到20kbps。同樣是為了這個(gè)目的，射頻頻段也有采用更高頻的868MHz或915MHz的趨勢(shì)。如圖所示，低頻發(fā)射模塊包括多個(gè)低頻天線，安裝于車(chē)門(mén)把手內(nèi)用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)鑰匙進(jìn)入(Keyless Entry)，安裝于車(chē)身內(nèi)部的用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)鑰匙啟動(dòng)(一鍵啟動(dòng)Keyless Start)。

鑰匙端的具體框圖如圖四所示，主芯片是NXP的PCF7952或PCF7953，射頻發(fā)射芯片采用NXP的PCF7900，相應(yīng)的在車(chē)子端的射頻接收芯片是NXP的PQJ7910。PCF7952/53具有低頻模擬前端(LF Front End)，用來(lái)連接外圍3D天線。在無(wú)鑰匙系統(tǒng)中，鑰匙端需要外置3D低頻天線，可以接收檢測(cè)外部空間的3D能量場(chǎng)強(qiáng)，分別為X，Y，Z軸，通過(guò)疊加3個(gè)方向上的能量，可以保證鑰匙在任何角度都能檢測(cè)到同樣的場(chǎng)強(qiáng)。其中的一軸天線還被復(fù)用為IMMO的功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)電模式下的引擎啟動(dòng)。通過(guò)上行和下行鏈路，鑰匙跟汽車(chē)可以建立起雙向通訊，進(jìn)行復(fù)雜的身份認(rèn)證。最新的一代認(rèn)證技術(shù)稱(chēng)為交互認(rèn)證技術(shù)(Mutual-Authentication)，不僅僅需要汽車(chē)來(lái)認(rèn)證鑰匙，同時(shí)也需要鑰匙來(lái)判斷車(chē)子是否合法，任何錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通訊結(jié)束，以此來(lái)保證系統(tǒng)的安全性。通訊距離是由低頻上行鏈路125KHz決定，通常的PKE系統(tǒng)工作有效距離為2.5m左右，而實(shí)際有效開(kāi)關(guān)門(mén)距離為1.5m～2m。除了車(chē)內(nèi)外檢測(cè)精度以外，鑰匙端的功耗也是衡量一個(gè)無(wú)鑰匙系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)，PCF7952自帶的電源管理模塊可以最大程度的降低整個(gè)系統(tǒng)功耗，一套成熟的無(wú)鑰匙系統(tǒng)方案，鑰匙端在一顆2032的3V鋰電池供電的情況下，電池壽命可以長(zhǎng)達(dá)三年。

圖4：鑰匙端的模塊框圖。

在無(wú)鑰匙系統(tǒng)之后，汽車(chē)安全與防盜產(chǎn)品將會(huì)走向何方？NXP已經(jīng)給出了確切的答案：Keylink，即下一代的汽車(chē)鑰匙。它最大的突破在于，把車(chē)鑰匙跟外圍的智能終端聯(lián)系起來(lái)，使鑰匙可以跟諸如手機(jī)，PDA等設(shè)備實(shí)現(xiàn)近距離的無(wú)線連接，借助于手機(jī)等智能終端的顯示功能和強(qiáng)大的處理能力，一個(gè)無(wú)比廣闊的應(yīng)用空間擺在了我們面前：

- 隨時(shí)查詢(xún)車(chē)輛狀態(tài)，門(mén)窗狀態(tài)，油箱油量，車(chē)內(nèi)溫度…手機(jī)屏幕上的顯示應(yīng)有盡有

- 尋找汽車(chē)，通過(guò)鑰匙跟手機(jī)的配合，手機(jī)的GPS導(dǎo)航幫你輕松找到停車(chē)地點(diǎn)

- 輕松制定出行路線，在電腦前將選定的出行路線存入鑰匙。進(jìn)入汽車(chē)時(shí)，車(chē)載導(dǎo)航儀將自動(dòng)導(dǎo)入出行信息

- 車(chē)輛維護(hù)，車(chē)輛的出廠記錄，維修記錄，全部都存在鑰匙中，便于維護(hù)。

類(lèi)似以上的應(yīng)用還有很多很多，下面這則新聞則是Keylink的又一新應(yīng)用，可以讓我們更近距離地了解這一技術(shù)，也以此作為本文的結(jié)束：

2008年10月22日——寶馬(BMW)技術(shù)研發(fā)部與恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semiconductors，由飛利浦創(chuàng)建的獨(dú)立半導(dǎo)體公司)推出全球第一款多功能車(chē)鑰匙原型。這款產(chǎn)品原型具備非接觸支付功能，個(gè)人進(jìn)入控制以及先進(jìn)的公共交通電子車(chē)票功能，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的移動(dòng)性體驗(yàn)。配備了恩智浦的SmartMX安全芯片，這款產(chǎn)品原型首次實(shí)現(xiàn)了通過(guò)車(chē)鑰匙讓駕駛者進(jìn)行快速、安全和便捷的電子支付，為未來(lái)的消費(fèi)者開(kāi)創(chuàng)了激動(dòng)人心的全新應(yīng)用環(huán)境。