引言
汽車市場主要的防盜方式包括發(fā)動機防盜鎖止系統(tǒng)(IMMO)、遙控門鎖(RKE)、無鑰匙門禁(PKE)、雙向智能鑰匙、紅外線偵測、氣流偵測和GPS衛(wèi)星定位等，其中以IMMO和RKE的應用最為廣泛。無鑰匙門禁系統(tǒng)(PKE)在RKE基礎之上發(fā)展起來，作為新一代防盜技術正在逐步發(fā)展壯大，目前已經(jīng)從高檔車市場逐步進入中檔車市場。

資源介紹

μPD78F0503和μPD78F0881是NEC電子ALL FLASH的78K0系列的汽車級產品，采用NEC電子第三代Flash技術，降低功耗的同時，也降低了Flash的工作電壓，僅為2V。

這兩款單片機不僅包括UART接口、8/16位定時器、CSI接口、多路10位A/D等通用模塊，同時集成了8MHz內部高速時鐘和240kHz內部低速時鐘。當時鐘達到20MHz時，指令最短執(zhí)行時間僅為0.1μs。提供POC（上電清零電路）和LVI（低電壓檢測電路），這使得整個系統(tǒng)不需外加復位電路就能保證正常復位，LVI提供16個壓差為0.15V的電壓供選擇。內部Flash具有自編程功能，可作為模擬EEPROM。內置看門狗定時器、按鍵中斷、乘法器/除法器、時鐘輸出/蜂鳴器輸出電路等。

μPD78F0881是78K0/Fx2系列的產品，它是專用的車身控制器，內部集成10路定時器，包括4路16位定時器和6路8位定時器，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，用做車身接點的控制。

PKE工作原理

PKE工作原理為：當?shù)皖l（LF）發(fā)射器檢測到觸發(fā)輸入時，將發(fā)送一條編碼的低頻報文。該信號范圍內的任何應答器均會接收這條報文，并對編碼的數(shù)據(jù)字段進行驗證。如果發(fā)射器被識別，將發(fā)送一條RF加密編碼報文。一個標準的RKE接收器對該數(shù)據(jù)包進行解碼，如果被識別，將進行相應的操作。

PKE應用要求基站和應答器（鑰匙）單元之間進行雙向通訊。當駕駛員靠近PKE系統(tǒng)的感應區(qū)域時，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)的身份識別“鑰匙”就會接收到基站發(fā)送的低頻信號，如果這個信號與“鑰匙”中保存的身份識別信息一致，“鑰匙”將被喚醒。這個過程能夠防止隨機噪聲或其他干擾信號喚醒“鑰匙”，延長電池壽命。“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到汽車發(fā)出的喚醒信號。如圖1所示。

“鑰匙”被喚醒后將分析汽車發(fā)出的認證口令，并發(fā)送相應高頻信號，為了提高安全性，這些信號都經(jīng)過加密處理。汽車將接收到的信號和內部保存的信息相比較，如果驗證通過，則打開車門鎖。駕駛員進入車內，只需按一下啟動鍵，汽車發(fā)動機就會啟動。當然，駕駛員在按鍵的時候，PKE系統(tǒng)首先需要檢測“鑰匙”設備是否在車內，然后完成同樣的認證過程后才會啟動發(fā)動機。當駕駛員離開汽車，只需按一下車把手或者車把手上的某一按鍵，車門就會上鎖，汽車在真正鎖定之前，同樣要檢測駕駛員的位置，并需經(jīng)過同樣的驗證過程。

系統(tǒng)設計

對應基站和鑰匙的雙向通信，PKE在RKE基礎上增加了短距離的LF通信。

在目前的設計中，RF發(fā)射頻率采用433.92MHz，LF的發(fā)射頻率采用19kHz。本設計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μPD78F0503微控制器，來完成用戶按鍵的數(shù)據(jù)編碼、加密組幀，再通過SAW聲表諧振器電路發(fā)射至UHF頻段；當它接收到19kHz的LF信號時，利用三個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解調后，再將數(shù)據(jù)傳送給單片機進行數(shù)據(jù)判斷，如果數(shù)據(jù)正確，則發(fā)送一條RF加密報文。

在低頻天線的設計中，由于應答器(鑰匙)體積較小，且放置在用戶的口袋或手提包中時，因此天線指向具有隨機性，即應答器天線正對基站天線方向的機會最高只有33%，因此，應答器中的低頻天線必須采用小尺寸的全向天線。

在實際應用中，應答器（鑰匙）連續(xù)等待并檢測輸入信號，這會減少電池使用壽命。因此，為減小工作電流，在AS3931搜尋有效輸入信號的同時，數(shù)字MCU部分可以處于待機模式。只有當AS3931檢測到有效輸入信號并輸出有效喚醒信號（WAKE低有效）時，數(shù)字MCU部分才被喚醒。MCU可以設置喚醒信號的格式，只有在輸入信號達到要求時，器件才將檢測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完成信號解調，再將數(shù)據(jù)傳送到車身主控芯片μPD78F0881進行數(shù)據(jù)解密和指令執(zhí)行；當?shù)皖l（LF）發(fā)射器檢測到觸發(fā)輸入（觸摸按鍵）時，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文。由于19kHz信號的傳播能力不強，因此雙向通信的距離通常在2m以內。

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，主要由驅動電路、LC振蕩電路和反饋電路組成。驅動電路提供發(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，當工作于9V到12V直流電源時，天線能達到的最大峰峰值電壓大于300V，所以本設計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，當有手指觸摸時其電路圖如圖6。如果手指沒有觸摸到焊盤，當有固定頻率和占空比PWM輸入時，A/D端口的電壓為Vo1。由于人體等效成一個小電容C1，所以觸摸點的電壓被電容C1分壓，最終右端處輸入電壓將會降低，變?yōu)閂o2。Vo1和Vo2的關系為：Vo1 > Vo2。

經(jīng)過調整一些參數(shù)，比如與右端輸出端口相連的電阻，可調整端口輸出電壓Vo的大小，所以當（Vo1 - Vo2）的結果大于某個值時，認為有按鍵按下。

數(shù)據(jù)結構

RF加密數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示。

16bit同步計數(shù)器：每當一個按鍵被按下時，同步計數(shù)器會自動加1并存儲在內部EEPROM中，接收方有16bit同步計數(shù)器與之相匹配，密文傳送；

64bit密鑰：64bit密鑰會被燒錄在內部的EEPROM，用來產生跳碼，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：用來識別遙控器與接收器之間的關系，每一編碼IC或控制器其身份碼均不相同；

識別碼：是身份碼的低12bit，用于校驗傳輸中可能出現(xiàn)的錯誤；

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功能碼應與固定碼中2bit功能碼相等；

2、解密后的12bit識別碼應為固定碼中30bit身份碼的低12位；

3、接收的身份碼應與接收方保存的身份碼一致。

b)接收方16bit同步計數(shù)器的判斷：

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

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

3、(解密后的16bit同步計數(shù)器)-(接收方保存的16bit同步計數(shù)器)≥32K，不操作。

c)接收方學習功能

1、方便生產配對；

2、初始狀態(tài)下接收方只有64bit密鑰，通過學習獲得遙控器身份碼；

3、接收方進入學習狀態(tài)，驗證數(shù)據(jù)有

效后保存得到的身份碼。

可用Flash模擬EEPROM

因為每次發(fā)完碼之后，都要存儲16bit的同步計數(shù)器的值，所以在器件本身沒有EEPROM的情況下，用Flash模擬EEPROM。對于1KB Flash來說，如果按照最少可擦除次數(shù)100次來計算的話，可實現(xiàn)51200次的16bit同步計數(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)是是自動識別、自動應答，因此應答器必須處于常收狀態(tài)，這樣應答器的整體功耗就成為其能否長久穩(wěn)定工作的根本。在應答器電路中，只有接受到正確地引導碼之后，鑰匙端的數(shù)字部分電路才會被喚醒，這樣可以減少電池消耗。

總結

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。本設計中低頻所采用的頻率是19kHz，用戶也可以選擇125kHz、134kHz，只需要配置相應的低頻收發(fā)電感和電容即可。