遠(yuǎn)程防盜汽車PKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)目前汽車PKE系統(tǒng)無遠(yuǎn)程防盜功能的問題，提出了一種基于STC單片機(jī)的具有遠(yuǎn)程防盜功能的汽車PKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)了鑰匙模塊的高頻發(fā)射與低頻喚醒接收電路，車載模塊的高頻接收與低頻發(fā)射電路，以及車載模塊與GSM模塊的通信連接。分析了滾動(dòng)碼加解密過程以及鑰匙模塊與車載模塊之間的通信協(xié)議。此設(shè)計(jì)方案完善了PKE防盜功能，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中的防盜和通信要求。
關(guān)鍵詞 遠(yuǎn)程防盜；滾動(dòng)碼；GSM模塊；低頻喚醒

    20世紀(jì)90年代以來，電子信息技術(shù)普遍應(yīng)用于汽車防盜系統(tǒng)，促進(jìn)了汽車防盜技術(shù)的智能化和功能多樣化。免開啟門禁系統(tǒng)(Passive Keyless Entry，PKE)正迅速成為汽車門禁系統(tǒng)應(yīng)用的主流，并成為新型汽車的普遍選擇。
    文中提出的遠(yuǎn)程防盜汽車PKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案融合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高低頻雙向通信等相關(guān)技術(shù)。攜帶鑰匙的車主只需靠近車門，車門將自動(dòng)打開。另外，在傳統(tǒng)的PKE功能基礎(chǔ)上，應(yīng)用了全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(G1obal System for Mobile Communications，GSM)模塊，彌補(bǔ)了現(xiàn)有汽車PKE系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程防盜功能的缺陷。在國外，PKE系統(tǒng)已成為高檔車型的主流配置，同時(shí)應(yīng)用于中、低檔車型上。目前該系統(tǒng)仍被國外的企業(yè)壟斷，然而國內(nèi)在此方面的研究才剛起步。隨著國內(nèi)汽車市場的迅速擴(kuò)大，研究設(shè)計(jì)具有網(wǎng)絡(luò)防盜功能的汽車PKE系統(tǒng)具有較大的實(shí)用價(jià)值。

1 PKE系統(tǒng)框架
    整個(gè)系統(tǒng)由鑰匙模塊和車載模塊兩部分組成。車載模塊MCU(Micro Control Unit)每間隔一定時(shí)間通過編程自動(dòng)發(fā)射125 kHz低頻信號(hào)，當(dāng)鑰匙模塊的低頻喚醒芯片探測到該有效低頻信號(hào)時(shí)，就喚醒鑰匙模塊MCU去控制高頻發(fā)射模塊將加密信號(hào)以315 MHz高頻發(fā)送出去；車載模塊接收到該315 MHz高頻信息后，將其傳輸給車載MCU，由其負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解碼、判別和相應(yīng)處理，完成相應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)車主離開車后，只要車身的振動(dòng)傳感器檢測到振動(dòng)，就發(fā)出報(bào)警，同時(shí)車載MCU控制GSM模塊發(fā)送短信到車主手機(jī)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 鑰匙模塊硬件設(shè)計(jì)
    鑰匙模塊MCU選用STC12C5201AD低功耗單片機(jī)，配合低頻喚醒接收電路和高頻發(fā)射電路構(gòu)成鑰匙模塊。該單片機(jī)一般處于超低功耗接收模式，采用中斷方式工作。只有當(dāng)檢測到有效的低頻信號(hào)輸入或有鍵按下時(shí)，鑰匙模塊MCU才被喚醒，以降低系統(tǒng)功耗。
2．1 低頻喚醒模塊
    低頻接收芯片采用ATA5283芯片，其具有喚醒功能的125 kHz超低功耗接收器。其輸入端將從天線接收到的信號(hào)包放大及處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)輸出給單片機(jī)。當(dāng)接收到125 kHz信號(hào)時(shí)，ATA5283便激活其N_WAKEUP(喚醒輸出腳)和N_DATA(數(shù)據(jù)輸出腳)。空閑時(shí)ATA5283和單片機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)諧振電路收到125 kHz有效信號(hào)時(shí)，N_WAKEUP喚醒單片機(jī)開始工作，然后單片機(jī)給ATA5283的RESET腳一個(gè)高電平使其復(fù)位再進(jìn)入待機(jī)模式。ATA5283與單片機(jī)連接如圖2所示。

2．2 高頻發(fā)射模塊
    高頻發(fā)射模塊南315 MHz的聲表面波振蕩電路和調(diào)制電路組成，振蕩電路的振蕩或停振受單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)的控制。由于STC單片機(jī)無信號(hào)加密功能，所以在鑰匙模塊加裝Keeloq編碼加密芯片以實(shí)現(xiàn)信號(hào)加密。

3 車載模塊硬件設(shè)計(jì)
    車載模塊MCU采用STC12C15204AD單片機(jī)，其具有4 kB的Flash用戶應(yīng)用程序空間，可以用來解碼加密信號(hào)。該單片機(jī)與高頻接收模塊、低頻發(fā)射電路、振動(dòng)報(bào)警模塊以及CSM通信模塊構(gòu)成了系統(tǒng)的車載模塊。
3．1 低頻發(fā)射電路
    低頻發(fā)射模塊采用專用芯片TC4422，其輸出阻抗僅為1．6 Ω，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)9 A。單片機(jī)將信號(hào)送給TC4422的IN引腳，再由其驅(qū)動(dòng)天線線圈發(fā)送出125 kHz的低頻信號(hào)。
3．2 高頻接收電路
    高頻接收采用無線接收芯片RX3400，其具有較好的抗干擾特性，適合單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸。車載模塊在接收到鑰匙模塊發(fā)射的高頻幅移鍵控(Amplitude ShiftKeying，ASK)信號(hào)后，傳送至RX3400模塊進(jìn)行處理，得到數(shù)據(jù)信號(hào)，再經(jīng)解碼后將其送入車載模塊MCU，觸發(fā)中斷產(chǎn)生，使微處理器執(zhí)行相應(yīng)的處理程序?？紤]到成本等因素，系統(tǒng)采用軟件方法解碼。
3．3 振動(dòng)報(bào)警電路
    振動(dòng)檢測用于在檢測到車身遭受碰撞時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)做出報(bào)警處理。該功能模塊采用市面上常見的汽車振動(dòng)傳感器，傳感器的輸出線與車載模塊MCU的IO口相連，同時(shí)上拉一個(gè)10～20 kΩ的電阻，使平時(shí)保持高電平，當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)候就被拉到低電平，從而單片機(jī)控制報(bào)警電路報(bào)警。
3．4 GSM通信模塊
    GSM模塊采用西門子公司的TC35i模塊，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號(hào)，通過接口連線器和天線連接器分別連接SIM(Subseriber Identity Modu le)卡讀卡器和天線，其數(shù)據(jù)接口通過AT指令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，支持text和pdu格式，可通過AT指令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和恢復(fù)故障。電路連接簡單，采用異步串行通信。報(bào)警短信息通過TC35i模塊發(fā)送到車主手機(jī)，收到報(bào)警后，車主可以向TC35i模塊發(fā)送短消息，TC35i提取短消息并譯碼后進(jìn)行相應(yīng)的操作啟動(dòng)執(zhí)行模塊。GSM模塊與單片機(jī)的連接如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括滾動(dòng)碼技術(shù)、系統(tǒng)的通信協(xié)議及車載模塊流程設(shè)計(jì)。
4．1 滾動(dòng)碼技術(shù)
    滾動(dòng)碼(Keeloq)技術(shù)是一種非線性加密算法，其核心組成要素是：制造商代碼、序號(hào)、編碼密碼。其中，制造商代碼是由制造商決定的原始密碼，用來辨別不同制造商；序號(hào)用來區(qū)別不同的鑰匙，每個(gè)鑰匙都有自己的序號(hào)；編碼密碼用來產(chǎn)生滾動(dòng)碼，儲(chǔ)存于加密芯片片內(nèi)EEPROM中。由于Keeloq算法的復(fù)雜性和16位同步碼每次傳輸時(shí)都要更新，故每次傳輸代碼都和上次的代碼不同。只有在傳輸216次后才可能重復(fù)，因此在短時(shí)間內(nèi)較難被破譯，保證了安全性。
    車載模塊接收到該高頻加密信號(hào)后，先解調(diào)，再采用軟件方法解碼。解碼步驟為：
    (1)車載模塊接收到66 bit加密資料后，首先檢查固定碼中的序號(hào)與存儲(chǔ)在EEPROM中的序號(hào)是否一致。
    (2)運(yùn)行解密算法，得到識(shí)別碼、同步計(jì)數(shù)值、功能鍵、溢位。
    (3)單片機(jī)將解碼后的識(shí)別碼與固定碼中序號(hào)的低10位進(jìn)行比較，其是否相等。
    (4)比較解碼后的功能鍵數(shù)值與固定碼中的功能鍵數(shù)值。
    (5)判斷解碼后的同步計(jì)數(shù)值與EEPROM中的舊的同步計(jì)數(shù)值是否合理增加。
    如果以上步驟有一個(gè)出現(xiàn)錯(cuò)誤，車載MCU則不執(zhí)行下一步動(dòng)作，解碼過程如圖4所示。

4．2 通信協(xié)議
    車載模塊的低頻發(fā)送器與ATA5283芯片之間采用低頻通信。在檢測到有效低頻信號(hào)之前，ATA5283處于待機(jī)模式。為防止嘈雜環(huán)境中電路誤操作，報(bào)頭檢測電路會(huì)檢查輸入信號(hào)。有效的輸入信號(hào)在192個(gè)無間斷載波周期后被計(jì)數(shù)器檢測到。在發(fā)現(xiàn)有效載波信號(hào)后，電路開啟自動(dòng)增益控制，完整的報(bào)頭應(yīng)該有至少704個(gè)載波周期。此后報(bào)頭結(jié)束，開始數(shù)據(jù)傳輸過程。
    車載模塊與鑰匙模塊之間的高頻通信采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)編碼方式進(jìn)行半雙工通信。1個(gè)邏輯數(shù)據(jù)由3個(gè)位元組成，位元周期Te的取值通常介于100～400μs之間。在接收PWM之前，車載模塊MCU通過前導(dǎo)資料的指引做接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。同步導(dǎo)引之后，微控制器檢測到第一個(gè)上升沿時(shí)，等待1／2Te時(shí)間后立即取樣并檢測是否為高電平1，如果為0則接收資料失敗，然后延時(shí)一個(gè)Te時(shí)間后立即取樣作為資料位元，再延時(shí)一個(gè)Te時(shí)間取樣并判斷，如果為高電平1則接收資料失敗，最后等待下一個(gè)上升沿的到來，若等待時(shí)間超過一個(gè)Te則接收資料失敗。依此循環(huán)，直到全部資料接收完畢。

    高頻碼元信息由3個(gè)部分組成：每次發(fā)碼的碼字以引導(dǎo)碼和頭標(biāo)開始，然后是66位數(shù)據(jù)，即滾動(dòng)碼和固定碼，最后是每次發(fā)送的保護(hù)時(shí)間。滾動(dòng)碼為32 bit的加密數(shù)據(jù)；固定碼為34 bit。高頻數(shù)據(jù)發(fā)送格式如圖5所示。
4．3 車載模塊流程
    車載模塊的功能是與鑰匙模塊的高、低頻雙向通信，控制GSM模塊收發(fā)短消息，控制報(bào)警、讀取SIM卡內(nèi)短消息等。單片機(jī)要完成正確接收串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)，且能夠自動(dòng)分析TC35i發(fā)送來的數(shù)據(jù)格式，判斷發(fā)送來的命令是否需要處理。另外，如果系統(tǒng)檢測到車身傳感器的振動(dòng)信息，則系統(tǒng)不斷發(fā)送短消息到車主手機(jī)，直到車主手機(jī)回復(fù)“停止”命令為止。

5 結(jié)束語
    系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一主控芯片采用中斷方式工作，降低了系統(tǒng)功耗；二結(jié)合滾動(dòng)碼加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)加密，防止信號(hào)被截獲破解，提高了安全性；三增加GSM通信模塊，通過短消息控制防盜系統(tǒng)各項(xiàng)功能，解決汽車防盜裝置遠(yuǎn)程遙控問題，有效提高了汽車防盜性能。