用于汽車防盜器的低功耗無匙進入加密收發(fā)器技術(shù)

本文分析了不斷變化的汽車盜竊手段，以及相應(yīng)的汽車防盜技術(shù)的發(fā)展，重點介紹了TI最新的汽車防盜解決方案—DST+收發(fā)器的加密技術(shù)及系統(tǒng)組成，并闡述了與之兼容的新一代射頻識別(RFID)技術(shù)方案—三維天線模擬前端芯片實現(xiàn)無匙進入的工作原理。

由于消費者追求更高的安全度，基于收發(fā)技術(shù)的電子防盜器已成為歐洲機動車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置。緊隨歐洲，加拿大也頒布了一項關(guān)于防盜系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。盡管在美國，安裝防盜器目前還屬自愿行為，但也正成為汽車制造商的一種促銷手段。另外，有關(guān)日本的團伙犯罪和盜車情況的報告近期公布后，日本汽車制造商也面臨著本地產(chǎn)品加緊安裝防盜系統(tǒng)的問題。

即將面世的新一代收發(fā)器具有特殊的診斷功能，即已獲授權(quán)者在讀取鑰匙中的保密信息時，能夠得到該防盜系統(tǒng)的歷史信息。系統(tǒng)中經(jīng)授權(quán)的備用鑰匙數(shù)目、學(xué)習(xí)過程的時間印記以及其它背景信息，將成為收發(fā)器安全特性的組成部分。

特殊的集成電路還提供其它便利功能，如“無匙進入”。此項功能已在汽車業(yè)中討論了一段時間。經(jīng)過多年的汽車安全和RFID(射頻識別)方面的技術(shù)開發(fā)，終于可將多路天線結(jié)構(gòu)做在只消耗一節(jié)電池的識別裝置內(nèi)(例如鑰匙鏈、信用卡)。針對低頻應(yīng)用的模擬前端處理機與這些天線結(jié)構(gòu)相連，所支持的功能基本上與器件的方向無關(guān)，而且天線體積極小，功耗也大為降低。

收發(fā)器的更新?lián)Q代

加密收發(fā)器是用于防盜器上的第二代收發(fā)器，幾乎完全取代了第一代只讀收發(fā)器。TI公司的數(shù)字簽名收發(fā)器(DST)就是一個例子，其查詢/響應(yīng)技術(shù)可確保最高安全度。第三代收發(fā)器正致力于將遙控?zé)o匙進入功能與防盜器收發(fā)功能相合，以降低相關(guān)成本。

到目前為止，從車輛被盜情況的分析中可以判斷，收發(fā)器并無被解密的跡象，這證實目前的汽車市場達到了很高的安全標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在的焦點是如何防止與盜竊車輛相關(guān)的欺詐行為。

通過細致研究，可簡單歸結(jié)出以下幾種與收發(fā)器有關(guān)的偷盜手段：

復(fù)制備用鑰匙。一個不誠實的司機可以謊稱丟了鑰匙而向汽車商索要新鑰匙。假設(shè)在最初買車時，司機得到3把鑰匙，他可以通過兩次假裝報失而得到總共5把鑰匙。它們外表一模一樣且都包含一個有效收發(fā)器。與買車時一樣，系統(tǒng)仍只接受3把鑰匙。這樣一來司機可以把其中有效的2把鑰匙交給犯罪同伙，而向保險公司出示另外3把，使別人認(rèn)為防盜系統(tǒng)被破解了。
有些汽車制造商用中央數(shù)據(jù)庫來跟蹤備用鑰匙。其優(yōu)點之一在于，即使汽車被盜，仍可獲取備用鑰匙和鑰匙總數(shù)的相關(guān)信息。通過這些信息可以了解原裝和備用鑰匙的總數(shù)目。然而，要維護這樣一個中央數(shù)據(jù)庫需要高額費用和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，因此大多數(shù)汽車制造商望而卻步。DST+是TI公司的第四代收發(fā)器，它將歷史和診斷數(shù)據(jù)都分散儲存在每一把鑰匙中，使得汽車制造商避免了建立及維護中央數(shù)據(jù)庫的投資。

租車時做手腳。租到汽車后，復(fù)制幾把機械鑰匙，取出原裝車匙中的收發(fā)器，粘在電子鎖天線附近(如儀表板下面)。這樣，電子鎖總可以探測到“有效的”收發(fā)器信號，由于汽車僅需機械鑰匙即可打開，因此日后極易失竊。
這使鑰匙生產(chǎn)商面臨挑戰(zhàn)，他們必須開發(fā)出把車鑰匙和收發(fā)器裝配在一起的新方法，以致不破壞鑰匙或其功能就無法取出收發(fā)器。

一種更先進的盜車手段還與查表有關(guān)。假設(shè)可以在幾天或幾小時內(nèi)擁有鑰匙，就可以用先進的專業(yè)工程設(shè)備向收發(fā)器發(fā)送查詢信號并讀取其響應(yīng)，建立一個數(shù)據(jù)庫用以儲存對不同查詢的響應(yīng)。然后，竊賊就可能通過這個數(shù)據(jù)庫在車內(nèi)獲取電子防盜器對查詢信號發(fā)出的正確響應(yīng)，然后可至少發(fā)射出一次能獲得正確響應(yīng)的查詢信號，打開汽車。不過，這種手段的成功率較低。

DST+提供一個相互認(rèn)證的過程，相關(guān)的協(xié)議保證收發(fā)器不響應(yīng)任何查詢信號。收發(fā)器會驗證請求信號是否來自經(jīng)過授權(quán)的有效基站，因此，查表盜車手段將毫無作用。

第四代收發(fā)器

新一代收發(fā)器著眼于汽車歷史追蹤、盜后診斷、防止“查表”盜車，并具有更大的數(shù)據(jù)或汽車資料的存儲空間。

收發(fā)器中專用的以特殊密碼進行保護的存儲區(qū)，可使銷售商(如汽車制造商)得到有關(guān)汽車鑰匙和安全系統(tǒng)的背景資料。其特性有以下幾點：

顯示學(xué)習(xí)過程的日期和時間印記；
 
不可復(fù)位的步進計數(shù)器，可追蹤該系統(tǒng)學(xué)習(xí)過的汽車鑰匙總數(shù)；
 
汽車的識別碼。

對新車鑰匙的特殊學(xué)習(xí)過程，使汽車生產(chǎn)商光從汽車鑰匙處便可得到安全系統(tǒng)的相關(guān)資料，而不必進入汽車安全系統(tǒng)或使用中央數(shù)據(jù)庫。這樣就有可能實現(xiàn)兩種功能：1.檢測汽車鑰匙對安全系統(tǒng)是否仍然有效，防止將無效的鑰匙用于欺詐行為；2.查明已被安全系統(tǒng)禁用的鑰匙再次插入鎖孔并試圖啟動引擎。這一信息將被編碼并存儲在專用的“防盜字節(jié)”中。

以上功能由收發(fā)器的相互認(rèn)證協(xié)議支持。如前所述，這種安全機制拒絕接入未經(jīng)授權(quán)的基站。這一技術(shù)與復(fù)雜的、專用于汽車安全的鑰匙等級體系相結(jié)合，可保證只有經(jīng)授權(quán)的部門才能讀取機密數(shù)據(jù)。

新一代無匙進入系統(tǒng)

要開發(fā)出無機械鑰匙的汽車，首先要開發(fā)無匙進入系統(tǒng)。新一代無匙進入系統(tǒng)不同于以往的遙控?zé)o匙進入系統(tǒng)，它可在用戶接近或觸摸門把手時即可自動識別駕駛者并打開車鎖。射頻識別(RFID)技術(shù)可以實現(xiàn)這種便利，并保證系統(tǒng)在任何情況下都能正確識別駕駛者。駕駛者隨身攜帶的識別器(通常是鑰匙鏈或信用卡形狀的裝置)，內(nèi)含一個或多個與RFID器件相連的天線?；咎炀€與這些天線耦合，為附近(比如50cm區(qū)域)的識別裝置提供磁場能量，可實現(xiàn)無電池備用功能。在遠距離范圍(如200cm)，識別裝置中的天線接收經(jīng)基站放大和處理過的數(shù)據(jù)。圖1為采用TI的三維天線模擬前端(3D AFE)的無匙進入系統(tǒng)框圖。

磁環(huán)天線產(chǎn)生的磁場會引起眾所周知的場分布，并在基站天線和識別裝置天線間形成耦合良好和完全無耦合的區(qū)域。無耦合的區(qū)域內(nèi)當(dāng)然沒有任何數(shù)據(jù)和能量傳遞，由于無匙進入系統(tǒng)的識別裝置在磁場中的位置是隨機的，因此，必須采取相應(yīng)措施，盡量減小這種區(qū)域的范圍。

由基站產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場是一種解決方案，旋轉(zhuǎn)磁場可由正交天線產(chǎn)生。但此方法較為復(fù)雜，還常常受到汽車內(nèi)天線空間小的限制。另一種替代方案較為簡便，即采用三維天線模擬前端芯片，如TMS37122。此芯片對來自多達三個天線的信號進行解調(diào)，如果天線正交放置，就可解調(diào)來自x、y和z三個座標(biāo)的數(shù)據(jù)信息。這樣，即使汽車內(nèi)的基站天線是簡單、經(jīng)濟型的環(huán)形天線，也可使無耦合的區(qū)域最小。不管磁場中的識別裝置朝什么方向，總有一個天線能接收到足夠強的信號，覆蓋所需的工作范圍。另外，一個外部微控制器處理有關(guān)的協(xié)議，并響應(yīng)三個天線接收的超高頻(UHF)身份查詢信號。

圖2即為三維天線模擬前端芯片—TMS37122的框圖。如圖所示，TMS37122最多可與三個低品質(zhì)因數(shù)的天線電路相連。這三個天線均可接收125kHz到135kHz的低頻信號，其中一個天線信道(RF1)提供調(diào)制功能。這個天線可利用頻移鍵控(FSK)技術(shù)傳送低頻數(shù)據(jù)，因此與現(xiàn)有的收發(fā)器調(diào)制技術(shù)兼容。該調(diào)制功能常用于無電池的后備模式，當(dāng)鑰匙電池電力不足時，基站通過磁場為識別裝置提供能量。

高于某一閾值的低頻載波信號觸發(fā)內(nèi)部控制單元，以便檢測三個輸入信道RX1、RX2和RX3。一項特殊的協(xié)議可實現(xiàn)信道RXi的組合/選擇，并在很寬的工作范圍，確保性能得到提高。

內(nèi)部觸發(fā)之后，控制單元一直監(jiān)視代表喚醒模式的射頻信號，僅在接收到存儲于該器件EEPROM中的喚醒模式信號時，才會對外部微控制器發(fā)出喚醒信號，隨后將解調(diào)數(shù)據(jù)傳送給微控制器。另外，將載波時鐘信號恢復(fù)就可以用作微控制器測量的時間基準(zhǔn)，此技術(shù)能將備用電源的功耗降到最低。

無匙進入系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一是探測收發(fā)器的位置，尤其是區(qū)分它在車內(nèi)還是車外。TMS37122器件提供了解決該問題的復(fù)雜內(nèi)置功能。

本文總結(jié)

電子鎖自1993年問世以來，汽車射頻識別收發(fā)器市場迅速壯大。如今，安全和便利兩大需求的增長推動了這一市場的新發(fā)展，不斷向射頻識別供應(yīng)商提出新的挑戰(zhàn)。隨著密碼技術(shù)的引入，以及與遙控?zé)o匙進入功能的融合，第四代收發(fā)器已經(jīng)誕生。

隨著無匙進入系統(tǒng)在市場上取得成功，并大量應(yīng)用于低檔汽車中，出現(xiàn)了可連接多達三個天線的多功能IC方案，它可處理所有協(xié)議并與第四代收發(fā)器技術(shù)完全兼容，而且在提高安全度的同時降低了成本。