前言

汽車市場主要的防盜方式包括發(fā)動機(jī)防盜鎖止系統(tǒng)(IMMO)、遙控門鎖(RKE)、無鑰匙門禁(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，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。車內(nèi)區(qū)域檢測精度和系統(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)動芯片ATA5279發(fā)射低頻信號，采用三維全向天線接收的方法實現(xiàn)車內(nèi)區(qū)域精確定位。

PKE系統(tǒng)工作原理

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

低頻信號喚醒：用戶攜帶電子鑰匙處在低頻天線信號覆蓋范圍內(nèi)并給予一個觸發(fā)信號如拉動門把手時，車身主機(jī)通過低頻天線發(fā)送一條編碼的低頻報文。電子鑰匙通過三維天線接收低頻報文，并對該數(shù)據(jù)信息進(jìn)行驗證。如果與鑰匙內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)匹配，鑰匙則會被喚醒。

射頻信號驗證：鑰匙被識別喚醒后，將會分析車身主機(jī)發(fā)送的認(rèn)證口令，使用HITAG2算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并通過射頻信號發(fā)送回主機(jī)。主機(jī)把收到的數(shù)據(jù)與內(nèi)部計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果驗證匹配通過，就會打開車門鎖。認(rèn)證過程幾十毫秒即可完成，車主并不會感到有遲滯。

用戶進(jìn)入車內(nèi)后，只需要按一下啟動鍵，汽車發(fā)動機(jī)便會啟動。啟動時驗證過程和開門過程大致相同，但啟動發(fā)動機(jī)時系統(tǒng)需要驗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

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6路單獨的低頻線圈，發(fā)送125KHz低頻信號，用來實現(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電源對系統(tǒng)供電。電子鑰匙端采用PCF7952通過三維天線接收來自車身的低頻信號，經(jīng)接收器控制邏輯分析是否喚醒系統(tǒng)，通過射頻發(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

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

1. CAN總線電路

在CAN節(jié)點設(shè)計中采用的是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。

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。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。

3. 低頻發(fā)送電路

低頻發(fā)送電路采用Atmel公司的ATA5279驅(qū)動車身低頻天線，它具有優(yōu)異的EMC性能，對負(fù)載具有熱和電保護(hù)，具有非常低的關(guān)斷模式電流。ATA5279能同時驅(qū)動六路天線線圈，通過SPI接口與控制器連接，主控芯片MC9S08DZ60通過模擬SPI接口與其通訊。在實現(xiàn)區(qū)域判斷時，ATA5279可以提供20段電源管理以供信號強(qiáng)度檢測。電路如圖2所示，六個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)射模塊實現(xiàn)發(fā)射遠(yuǎn)程開閉鎖命令和信號強(qiáng)度信息。通過低頻接收和射頻發(fā)送的方式實現(xiàn)汽車無鑰匙進(jìn)入與無鑰匙啟動發(fā)動機(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)證計算單元中實現(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，無論如何放置，所處位置的場強(qiáng)值是不變的。

2. 射頻發(fā)送電路

當(dāng)?shù)皖l驗證通過后，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)通過對電子鑰匙的定位，給用戶帶來了舒適與便利。車主只需隨身攜帶電子鑰匙，有觸發(fā)動作，PKE系統(tǒng)就會自動檢測鑰匙并進(jìn)行身份識別。對于PKE系統(tǒng)來說，位置檢測是PKE系統(tǒng)最關(guān)鍵的一步。位置檢測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)做出及時正確的動作。

如圖4所示，PKE系統(tǒng)需要檢測判斷三種區(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會觸動微動開關(guān)，從而觸發(fā)雙向認(rèn)證和場強(qiáng)檢測過程；車內(nèi)區(qū)域識別是整個PKE系統(tǒng)設(shè)計的難點，需要精確地判斷鑰匙所處的位置，由此決定門的狀態(tài)；如果檢測到鑰匙在主駕駛位置，才可以正常啟動引擎。

區(qū)域檢測有兩種方式，其一是通過調(diào)節(jié)低頻信號靈敏度強(qiáng)弱進(jìn)而根據(jù)通訊是否穩(wěn)定進(jìn)行模糊判斷，精度有限但實現(xiàn)方便；其二是基于接收低頻信號的強(qiáng)度檢測來判斷，根據(jù)低頻信號的大小來計算鑰匙與車內(nèi)低頻天線的相對距離。如圖4所示共放置了六個低頻天線用于區(qū)域檢測，通過多根低頻天線的交叉覆蓋范圍，來精確定位鑰匙的具體位置。電子鑰匙在識別區(qū)域內(nèi)，如果被低頻信號喚醒并認(rèn)證通過后，會測量其所在位置的場強(qiáng)，通過射頻發(fā)射相應(yīng)信息至車身基站，基站將接收到的場強(qiáng)與原來設(shè)定好的門閥值相比較，判定此時電子鑰匙的位置。


圖4 區(qū)域檢測與天線位置

系統(tǒng)低頻電路軟件設(shè)計及測試分析

系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要工作是進(jìn)入控制。引擎啟動控制與進(jìn)入控制類似。當(dāng)有微動開關(guān)等觸發(fā)信號時，車身基站會主動發(fā)送包含ID的低頻喚醒信號，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)信號給車身基站；車身基站收到確認(rèn)信號后發(fā)送一條包含隨機(jī)數(shù)的加密低頻信號，電子鑰匙再響應(yīng)相應(yīng)的射頻加密信號，以完成身份認(rèn)證。身份認(rèn)證完成后，低頻天線會發(fā)送場強(qiáng)查詢命令，電子鑰匙通過射頻信號把相應(yīng)的場強(qiáng)信息發(fā)送給車身基站，車身基站通過分析判斷電子鑰匙位置，在有效區(qū)域內(nèi)才會執(zhí)行相應(yīng)動作。開門時有效區(qū)域指電子鑰匙與車子的安全距離，不需要太高精度，引擎啟動時有效區(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

測試分析

通過在車身內(nèi)部放置六根低頻天線，并使用ATA5279對其進(jìn)行驅(qū)動管理的方式，可以有效提高區(qū)域檢測精度，實驗結(jié)果表明在車內(nèi)主駕駛位置檢測時其有效精度可以達(dá)到5cm。通過加強(qiáng)無線通信過程中的加密、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，以實現(xiàn)通信雙方的保密性、身份驗證和信息完整性。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，延長了電子鑰匙的使用壽命。

結(jié)束語

本文提出了一種基于ATA5279的汽車無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)。系統(tǒng)采用雙向交互認(rèn)證，任何錯誤都會導(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。

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