被動(dòng)無(wú)鑰匙門禁(PKE)演示方案

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

資源介紹

μPD78F0503和μPD78F0881是NEC電子ALL FLASH的78K0系列的汽車級(jí)產(chǎn)品，采用NEC電子第三代Flash技術(shù)，降低功耗的同時(shí)，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(shí)器、CSI接口、多路10位A/D等通用模塊，同時(shí)集成了8MHz內(nèi)部高速時(shí)鐘和240kHz內(nèi)部低速時(shí)鐘。當(dāng)時(shí)鐘達(dá)到20MHz時(shí)，指令最短執(zhí)行時(shí)間僅為0.1μs。提供POC（上電清零電路）和LVI（低電壓檢測(cè)電路），這使得整個(gè)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(gè)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(shí)器、按鍵中斷、乘法器/除法器、時(shí)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(shí)器，包括4路16位定時(shí)器和6路8位定時(shí)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(cè)到觸發(fā)輸入時(shí)，將發(fā)送一條編碼的低頻報(bào)文。該信號(hào)范圍內(nèi)的任何應(yīng)答器均會(huì)接收這條報(bào)文，并對(duì)編碼的數(shù)據(jù)字段進(jìn)行驗(yàn)證。如果發(fā)射器被識(shí)別，將發(fā)送一條RF加密編碼報(bào)文。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RKE接收器對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，如果被識(shí)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(shí)，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(shí)別“鑰匙”就會(huì)接收到基站發(fā)送的低頻信號(hào)，如果這個(gè)信號(hào)與“鑰匙”中保存的身份識(shí)別信息一致，“鑰匙”將被喚醒。這個(gè)過(guò)程能夠防止隨機(jī)噪聲或其他干擾信號(hào)喚醒“鑰匙”，延長(zhǎng)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(cè)到汽車發(fā)出的喚醒信號(hào)。如圖1所示。

“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(hào)，為了提高安全性，這些信號(hào)都經(jīng)過(guò)加密處理。汽車將接收到的信號(hào)和內(nèi)部保存的信息相比較，如果驗(yàn)證通過(guò)，則打開車門鎖。駕駛員進(jìn)入車內(nèi)，只需按一下啟動(dòng)鍵，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)啟動(dòng)。當(dāng)然，駕駛員在按鍵的時(shí)候，PKE系統(tǒng)首先需要檢測(cè)“鑰匙”設(shè)備是否在車內(nèi)，然后完成同樣的認(rèn)證過(guò)程后才會(huì)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)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(huì)上鎖，汽車在真正鎖定之前，同樣要檢測(cè)駕駛員的位置，并需經(jīng)過(guò)同樣的驗(yàn)證過(guò)程。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)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(jì)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(jì)的鑰匙端和基站端的框圖如圖2和圖3所示。

                                   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(lái)完成用戶按鍵的數(shù)據(jù)編碼、加密組幀，再通過(guò)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(hào)時(shí)，利用三個(gè)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(bào)文。

在低頻天線的設(shè)計(jì)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(shí)，因此天線指向具有隨機(jī)性，即應(yīng)答器天線正對(duì)基站天線方向的機(jī)會(huì)最高只有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(cè)輸入信號(hào)，這會(huì)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(hào)的同時(shí)，數(shù)字MCU部分可以處于待機(jī)模式。只有當(dāng)AS3931檢測(cè)到有效輸入信號(hào)并輸出有效喚醒信號(hào)（WAKE低有效）時(shí)，數(shù)字MCU部分才被喚醒。MCU可以設(shè)置喚醒信號(hào)的格式，只有在輸入信號(hào)達(dá)到要求時(shí)，器件才將檢測(cè)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(hào)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(cè)到觸發(fā)輸入（觸摸按鍵）時(shí)，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(bào)文。由于19kHz信號(hào)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(dòng)電路、LC振蕩電路和反饋電路組成。驅(qū)動(dòng)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(shí)，天線能達(dá)到的最大峰峰值電壓大于300V，所以本設(shè)計(jì)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。

觸摸按鍵

觸摸按鍵電路圖如圖5，當(dāng)有手指觸摸時(shí)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(shí)，A/D端口的電壓為Vo1。由于人體等效成一個(gè)小電容C1，所以觸摸點(diǎn)的電壓被電容C1分壓，最終右端處輸入電壓將會(huì)降低，變?yōu)閂o2。Vo1和Vo2的關(guān)系為：Vo1 > Vo2。

經(jīng)過(guò)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(gè)值時(shí)，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。

16bit同步計(jì)數(shù)器：每當(dāng)一個(gè)按鍵被按下時(shí)，同步計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)加1并存儲(chǔ)在內(nèi)部EEPROM中，接收方有16bit同步計(jì)數(shù)器與之相匹配，密文傳送；

64bit密鑰：64bit密鑰會(huì)被燒錄在內(nèi)部的EEPROM，用來(lái)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(lái)識(shí)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(shí)別碼：是身份碼的低12bit，用于校驗(yàn)傳輸中可能出現(xiàn)的錯(cuò)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(jì)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(shí)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(jì)數(shù)器的判斷：

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

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

3、(解密后的16bit同步計(jì)數(shù)器)-(接收方保存的16bit同步計(jì)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(duì)；

2、初始狀態(tài)下接收方只有64bit密鑰，通過(guò)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(chǔ)16bit的同步計(jì)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(duì)于1KB Flash來(lái)說(shuō)，如果按照最少可擦除次數(shù)100次來(lái)計(jì)算的話，可實(shí)現(xiàn)51200次的16bit同步計(jì)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。其中媒體E為≥8的偶數(shù)。數(shù)據(jù)的編碼方式為Manchester編碼。

由于PKE系統(tǒng)是是自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)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(zhǎng)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(huì)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(jì)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。