PKE系統(tǒng)加入六路低頻驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)，大大提高了防盜與防搶性能

前言

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）、電子轉(zhuǎn)向柱鎖、雙向智能鑰匙和GPS衛(wèi)星定位等，其中以IMMO和RKE的應(yīng)用最為廣泛。無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)（PKE）技術(shù)是在相當(dāng)成熟的RKE基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，集成了IMMO和RKE功能。PKE作為新一代防盜技術(shù)正在逐步發(fā)展壯大，目前已經(jīng)從奔馳、寶馬等高端車市場(chǎng)逐步進(jìn)入如像福特蒙迪歐、日產(chǎn)的天籟的部分車型等中檔車市場(chǎng)。車內(nèi)區(qū)域檢測(cè)精度和系統(tǒng)安全是衡量PKE系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，本文采用Atmel公司的六路低頻驅(qū)動(dòng)芯片ATA5279發(fā)射低頻信號(hào)，采用三維全向天線接收的方法實(shí)現(xiàn)車內(nèi)區(qū)域精確定位。

PKE系統(tǒng)工作原理

PKE系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：車身基站、低頻天線和電子鑰匙。通過(guò)雙向交互認(rèn)證來(lái)驗(yàn)證電子鑰匙的身份。車身基站采用主動(dòng)式的工作方式，其行為不依賴于電子鑰匙的指令，結(jié)合車身微動(dòng)開關(guān)的觸發(fā)激活系統(tǒng)認(rèn)證和區(qū)域檢測(cè)，決定是否打開車鎖或其他動(dòng)作。

低頻信號(hào)喚醒：用戶攜帶電子鑰匙處在低頻天線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)并給予一個(gè)觸發(fā)信號(hào)如拉動(dòng)門把手時(shí)，車身主機(jī)通過(guò)低頻天線發(fā)送一條編碼的低頻報(bào)文。電子鑰匙通過(guò)三維天線接收低頻報(bào)文，并對(duì)該數(shù)據(jù)信息進(jìn)行驗(yàn)證。如果與鑰匙內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)匹配，鑰匙則會(huì)被喚醒。

射頻信號(hào)驗(yàn)證：鑰匙被識(shí)別喚醒后，將會(huì)分析車身主機(jī)發(fā)送的認(rèn)證口令，使用HITAG2算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并通過(guò)射頻信號(hào)發(fā)送回主機(jī)。主機(jī)把收到的數(shù)據(jù)與內(nèi)部計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果驗(yàn)證匹配通過(guò)，就會(huì)打開車門鎖。認(rèn)證過(guò)程幾十毫秒即可完成，車主并不會(huì)感到有遲滯。

用戶進(jìn)入車內(nèi)后，只需要按一下啟動(dòng)鍵，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)便會(huì)啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)驗(yàn)證過(guò)程和開門過(guò)程大致相同，但啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)系統(tǒng)需要驗(yàn)證攜帶鑰匙的人是否在主駕駛區(qū)域，以防止兒童誤觸發(fā)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

PKE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。車身基站控制單元采用LQFP64封裝的8位HCS08-MC9S08DZ60，該MCU內(nèi)嵌CAN控制器，具有2路SCI、1路SPI外設(shè)接口、外接TJA1040接口作為CAN Node；低頻通訊模塊采用Ateml ATA5279驅(qū)動(dòng)6路單獨(dú)的低頻線圈，發(fā)送125KHz低頻信號(hào)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)跟鑰匙的近距離通訊；射頻接收模塊采用MC33596，快速接收鑰匙跟車身之間用加密認(rèn)證的數(shù)據(jù)傳輸，點(diǎn)火鎖附近基站芯片采用PCF7991；車身基站單元采用12V電源和線性穩(wěn)壓器TLE4275取得5V電源對(duì)系統(tǒng)供電。電子鑰匙端采用PCF7952通過(guò)三維天線接收來(lái)自車身的低頻信號(hào)，經(jīng)接收器控制邏輯分析是否喚醒系統(tǒng)，通過(guò)射頻發(fā)射單元PCF7900把加密后的數(shù)據(jù)發(fā)送給車身基站。

車身基站電路設(shè)計(jì)

車身硬件電路主要由電源電路、主控MCU電路、CAN節(jié)點(diǎn)、射頻電路、低頻電路與發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖止電路等部分組成。

1. CAN總線電路

在CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中采用的是Philips公司的高速CAN轉(zhuǎn)換芯片TJA1040，MC9S08DZ60內(nèi)置CAN總線控制單元，CAN模塊的TXCAN和RXCAN分別與TJA1040的TXD和RXD連接，STB接I/O端口作為收發(fā)器控制信號(hào)。

2. 射頻接收電路

射頻電路接收部分采用的是Freescale公司的低功率射頻接收芯片MC33596。系統(tǒng)中MC33596采用FSK、曼徹斯特編碼方式接收電子鑰匙射頻信號(hào)。MC33596采用SPI方式與MC9S08DZ60通信，MC9S08DZ60內(nèi)置串行外圍設(shè)備接口模塊，連接方便。用于接收電子鑰匙發(fā)送的射頻信號(hào)。

3. 低頻發(fā)送電路

低頻發(fā)送電路采用Atmel公司的ATA5279驅(qū)動(dòng)車身低頻天線，它具有優(yōu)異的EMC性能，對(duì)負(fù)載具有熱和電保護(hù)，具有非常低的關(guān)斷模式電流。ATA5279能同時(shí)驅(qū)動(dòng)六路天線線圈，通過(guò)SPI接口與控制器連接，主控芯片MC9S08DZ60通過(guò)模擬SPI接口與其通訊。在實(shí)現(xiàn)區(qū)域判斷時(shí)，ATA5279可以提供20段電源管理以供信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)。電路如圖2所示，六個(gè)低頻天線放置于車身的不同位置。

圖1 PKE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 低頻信號(hào)發(fā)射電路圖

電子鑰匙電路

電子鑰匙電路由中央控制模塊、射頻發(fā)射模塊和三維低頻接收模塊組成。其中射頻發(fā)射模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)射遠(yuǎn)程開閉鎖命令和信號(hào)強(qiáng)度信息。通過(guò)低頻接收和射頻發(fā)送的方式實(shí)現(xiàn)汽車無(wú)鑰匙進(jìn)入與無(wú)鑰匙啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)功能。

1. 低頻接收電路

鑰匙所采用的主控芯片是由Philips公司生產(chǎn)的PCF7952。它包括安全認(rèn)證芯片，具有高靈敏度的三維低頻接口，支持接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）以判斷ID設(shè)備的位置。片內(nèi)遙控開鎖碼生成在硬件認(rèn)證計(jì)算單元中實(shí)現(xiàn)。支持FLASH編程。三維低頻全向天線保證只要鑰匙在同一位置，無(wú)論如何放置，所處位置的場(chǎng)強(qiáng)值是不變的。

2. 射頻發(fā)送電路

當(dāng)?shù)皖l驗(yàn)證通過(guò)后，鑰匙端射頻模塊應(yīng)該做出相應(yīng)響應(yīng)。為了保證系統(tǒng)能夠在較低電流消耗的情況下，有較高的發(fā)射功率和接收靈敏度，系統(tǒng)選用了NXP公司的高集成度、單芯片發(fā)射器PCF7900。數(shù)據(jù)速率可達(dá)40kbps。PCF7900通過(guò)三線制串口方式（SPI）與PCF7952相連接，SDIO，SCK，EN，CLOCKOUT分別接在PCF7952的P20、P23、P24、P15腳。電子鑰匙電路如圖3所示。

圖3 電子鑰匙電路圖

電子鑰匙的定位

PKE系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電子鑰匙的定位，給用戶帶來(lái)了舒適與便利。車主只需隨身攜帶電子鑰匙，有觸發(fā)動(dòng)作，PKE系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)檢測(cè)鑰匙并進(jìn)行身份識(shí)別。對(duì)于PKE系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，位置檢測(cè)是PKE系統(tǒng)最關(guān)鍵的一步。位置檢測(cè)直接影響到門禁系統(tǒng)和防盜鎖止系統(tǒng)的安全性。只有定位準(zhǔn)確，主控制器才能對(duì)發(fā)生的事件做出正確的判斷，并通知相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出及時(shí)正確的動(dòng)作。

如圖4所示，PKE系統(tǒng)需要檢測(cè)判斷三種區(qū)域：門、后備箱附近車外區(qū)域、車內(nèi)區(qū)域和主駕駛位置。當(dāng)車主在車外區(qū)域有拉門、打開后備箱等操作時(shí)會(huì)觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，從而觸發(fā)雙向認(rèn)證和場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)過(guò)程；車內(nèi)區(qū)域識(shí)別是整個(gè)PKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，需要精確地判斷鑰匙所處的位置，由此決定門的狀態(tài)；如果檢測(cè)到鑰匙在主駕駛位置，才可以正常啟動(dòng)引擎。

區(qū)域檢測(cè)有兩種方式，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，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，根據(jù)低頻信號(hào)的大小來(lái)計(jì)算鑰匙與車內(nèi)低頻天線的相對(duì)距離。如圖4所示共放置了六個(gè)低頻天線用于區(qū)域檢測(cè)，通過(guò)多根低頻天線的交叉覆蓋范圍，來(lái)精確定位鑰匙的具體位置。電子鑰匙在識(shí)別區(qū)域內(nèi)，如果被低頻信號(hào)喚醒并認(rèn)證通過(guò)后，會(huì)測(cè)量其所在位置的場(chǎng)強(qiáng)，通過(guò)射頻發(fā)射相應(yīng)信息至車身基站，基站將接收到的場(chǎng)強(qiáng)與原來(lái)設(shè)定好的門閥值相比較，判定此時(shí)電子鑰匙的位置。

圖4 區(qū)域檢測(cè)與天線位置

系統(tǒng)低頻電路軟件設(shè)計(jì)及測(cè)試分析

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要工作是進(jìn)入控制。引擎啟動(dòng)控制與進(jìn)入控制類似。當(dāng)有微動(dòng)開關(guān)等觸發(fā)信號(hào)時(shí)，車身基站會(huì)主動(dòng)發(fā)送包含ID的低頻喚醒信號(hào)，如果ID和鑰匙內(nèi)所存的ID相一致，電子鑰匙被成功喚醒，發(fā)送射頻確認(rèn)信號(hào)給車身基站；車身基站收到確認(rèn)信號(hào)后發(fā)送一條包含隨機(jī)數(shù)的加密低頻信號(hào)，電子鑰匙再響應(yīng)相應(yīng)的射頻加密信號(hào)，以完成身份認(rèn)證。身份認(rèn)證完成后，低頻天線會(huì)發(fā)送場(chǎng)強(qiáng)查詢命令，電子鑰匙通過(guò)射頻信號(hào)把相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)信息發(fā)送給車身基站，車身基站通過(guò)分析判斷電子鑰匙位置，在有效區(qū)域內(nèi)才會(huì)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。開門時(shí)有效區(qū)域指電子鑰匙與車子的安全距離，不需要太高精度，引擎啟動(dòng)時(shí)有效區(qū)域是指是否在主駕駛位置，需要較高精度。其工作流程如圖5所示。

圖5 PKE進(jìn)入功能程序流程圖

測(cè)試分析

通過(guò)在車身內(nèi)部放置六根低頻天線，并使用ATA5279對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)管理的方式，可以有效提高區(qū)域檢測(cè)精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在車內(nèi)主駕駛位置檢測(cè)時(shí)其有效精度可以達(dá)到5cm。通過(guò)加強(qiáng)無(wú)線通信過(guò)程中的加密、解密、隨機(jī)數(shù)生成、數(shù)字簽名、密鑰協(xié)商以及應(yīng)用協(xié)議的制訂等，以實(shí)現(xiàn)通信雙方的保密性、身份驗(yàn)證和信息完整性。低頻喚醒機(jī)制有效地把電子鑰匙的射頻發(fā)送操作降到最低，從而有效地節(jié)約了電池電量，延長(zhǎng)了電子鑰匙的使用壽命。

結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于ATA5279的汽車無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)。系統(tǒng)采用雙向交互認(rèn)證，任何錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致通訊結(jié)束，有效地防止了被其他接收機(jī)截獲的可能性，大大提高了防盜性能與防搶性能。

通過(guò)本文的研究表明，該系統(tǒng)在任何情況下都能正確識(shí)別車主，可以自動(dòng)打開或關(guān)閉車鎖。同時(shí)，系統(tǒng)采用ATA5279低頻驅(qū)動(dòng)芯片，配合三維低頻接收裝置，可以較好地解決車內(nèi)區(qū)域高精度檢測(cè)與電子鑰匙電池壽命問(wèn)題。因此具體較高的應(yīng)用價(jià)值與市場(chǎng)前景。