遙控車門開關(guān)的安全系統(tǒng)解決方案

? 遙控車門開關(guān)PKE(Remote Keyless Entry)方案對(duì)于汽車的配置來說，已經(jīng)作為一種標(biāo)準(zhǔn)配置，成為汽車不可或缺的部分。RKE系統(tǒng)對(duì)于提高汽車的防盜性、控制性有重要意義。大多數(shù)RKE系統(tǒng)具有汽車防盜、報(bào)警功能以及用于汽車、行李箱的門禁控制，其中一些系統(tǒng)還包括遙控啟動(dòng)汽車和汽車尋找的功能。新一代RKE有望采用雙向通信，安裝在汽車內(nèi)的接收裝置會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，為司機(jī)提供油量和輪胎壓力等信息。

??? RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最大挑戰(zhàn)是在RKE發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)低功耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信與高可靠性；特別作為一種開關(guān)門禁系統(tǒng)，有關(guān)安全性方面的問題也是至關(guān)重要的。本設(shè)計(jì)提出一種高安全性RKE系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件原理電路、軟件流程設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)編碼解碼的原理。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 RKE系統(tǒng)的工作原理
??? RKE系統(tǒng)由類似鑰匙扣的發(fā)射機(jī)和安裝在車內(nèi)的接收機(jī)構(gòu)成。通常工作在315～450 MHz的IsM頻段。在歐洲開放了868 MHz頻段，以滿足遙控車門開關(guān)系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求。
??? 圖l為RKE系統(tǒng)的簡(jiǎn)單框圖。由框圖可以看出，用戶按下鑰匙扣上的按鈕開關(guān)即可觸發(fā)系統(tǒng)工作，喚醒RKE鑰匙扣內(nèi)部的CPU，CPU則發(fā)送數(shù)據(jù)流到射頻(RF)發(fā)射機(jī)。數(shù)據(jù)流通常是64～128位長(zhǎng)，包括1個(gè)前置位、1個(gè)命令碼和1個(gè)滾動(dòng)碼，采用2～20 kHz的發(fā)送速率。在車內(nèi)的RKE射頻接收機(jī)捕捉射頻信號(hào)并解調(diào)，傳送數(shù)據(jù)流給cPu，由cPu對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼并發(fā)送指令到指令模塊。調(diào)制方式為幅度鍵控(AsK)，主要目的是延長(zhǎng)鑰匙扣的電池壽命。

1．2 RKE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
??? RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在低電流消耗下實(shí)現(xiàn)具有穩(wěn)定性、可靠性和保密性的低成本系統(tǒng)。因此系統(tǒng)對(duì)功耗、收發(fā)距離、可靠性和保密性的設(shè)計(jì)要求是至關(guān)重要的。
(1）功耗管理
??? 對(duì)于發(fā)射機(jī)，電池需要3～5年的壽命；對(duì)于接收機(jī)，電池壽命同樣重要。因?yàn)榻邮諜C(jī)必須始終保持工作狀態(tài)，監(jiān)聽用戶數(shù)據(jù)的傳輸。典型指標(biāo)要求，平均電流不超過1 mA。解決這個(gè)問題的方法之一就是，讓接收機(jī)在一段重要時(shí)間內(nèi)保持工作狀態(tài)，保證這段時(shí)問足夠長(zhǎng)以判定是否存在合法的傳輸；而接收機(jī)在剩余的時(shí)間里休眠，同時(shí)接收機(jī)必須具有快速喚醒的能力，以最大化利用已存儲(chǔ)的能量。
(2)收發(fā)距離與可靠性
??? RKE應(yīng)用需要好的收發(fā)距離和可靠的傳輸。提高接收機(jī)的靈敏度和發(fā)射機(jī)的功率(電流消耗沒有顯著增加)直接影響到收發(fā)距離與可靠性。顯而易見，低成本是一個(gè)要求，因?yàn)樾枰惭b百萬個(gè)這樣的系統(tǒng)。
(3）安全性
??? RKE系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)應(yīng)該具有保密性，不易被他人竊取。早期使用固定密碼方式，容易被破解；近來的RKE系統(tǒng)逐漸采用具有跳變編碼功能的集成電路實(shí)現(xiàn)，大大提高了安全性。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)
??? RKE系統(tǒng)是由鑰匙扣發(fā)射模塊和車內(nèi)接收模塊組成的。
2．1鑰匙扣發(fā)射模塊
??? 鑰匙扣發(fā)射模塊由按鈕開關(guān)、CPU、射頻發(fā)射器和鈕扣電池組成，電路原理如圖2所示。模塊采用3 V的鈕扣電池供電。表1為50 Ω輸出時(shí)，不同頻率下元件參數(shù)值，其數(shù)值受PCB布局的影響。

（1）按鈕掃描
??? 發(fā)射模塊接入3個(gè)按鈕，分別作為上鎖、解鎖、尋車功能，分別與微控制器DS80C323的3個(gè)外部中斷INTO、INTl和INT3相接。按下任一按鈕是將DS80C323喚醒，并進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序中。處理完畢后，重新進(jìn)入待機(jī)模式。3個(gè)LED分別顯示3個(gè)按鈕的狀態(tài)。有按鈕按下時(shí)，相應(yīng)的LED會(huì)被點(diǎn)亮。
(2)微控制器DSSOC323
??? DS80C323是Maxim公司出品的一款低功耗快速單片機(jī)，其在外部電路的接法以及操作指令方面完全兼容80C51系列。DS80C323具有6個(gè)外部中斷，并具有電源故障管理功能，工作電壓范圍為2．7～5．5 V。
??? DS80C323的功能是利用其外部中斷對(duì)按鈕進(jìn)行掃描，并將掃描的結(jié)果加密編碼，通過P1．O送給發(fā)射器的數(shù)據(jù)端DATA。DS80C323的P1．1控制發(fā)射器的喚醒。
(3)射頻發(fā)射器MAX1472
??? MAXl472是VHF／UHF基于鎖相環(huán)的ASK／00K發(fā)射器，工作在300～450 MHz頻段，支持高達(dá)100 kbps的數(shù)據(jù)速率。當(dāng)工作電壓降至2．1 V時(shí)脫離單節(jié)鋰電池工作，在待機(jī)模式僅消耗100 nA的電流；匹配于50Ω系統(tǒng)時(shí)，MAXl472的功率放大器能夠提供+10 dBm的輸出電平，并保持高于43％的效率。MAXl472發(fā)射機(jī)特別適合于低成本、高容量、體積是關(guān)鍵因素的應(yīng)用。
??? 一旦MAXl472的使能引腳電平有效，MAXl472僅需250μs便可使PLL和晶振穩(wěn)定工作并發(fā)射數(shù)據(jù)。MAX1472使用基于晶體的PLL，避免了許多基于LC濾波或者SAW發(fā)送器的常見問題。內(nèi)部固有的晶體頻率精度需要更窄的接收機(jī)中頻帶寬，以改善系統(tǒng)靈敏度。使用MAXl473，可將中頻帶寬從600kHz減至50 kHz，獲得9 dB的靈敏度改善。靈敏度的改善意味著RKE系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離傳輸和更高的傳輸可靠性。
2.2車內(nèi)接收模塊
??? 車內(nèi)接收模塊由射頻接收器、微控制器和汽車指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。射頻接收器將接收到的00K調(diào)制數(shù)據(jù)解調(diào)為原始數(shù)據(jù)；微控制器將原始數(shù)據(jù)解碼去密得到有效的指令信息，并送給指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作。
??? 考慮到車內(nèi)接收模塊要始終處于工作狀態(tài)，微控制器仍使用快速低功耗的DS80C323，并由DS80C323控制接收器處于工作／休眠交替的間歇休眠狀態(tài)。

??? 對(duì)于射頻接收器，使用與發(fā)射器MAXl472配對(duì)的MAXl473。MAXl473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差A(yù)SK接收器，
工作在300～450 MHz頻段，具有一114 dBm的高靈敏度、高于50 dB的鏡像載波抑制。這款芯片在關(guān)斷模式下電流消耗低于1．5μA，在接收模式電流消耗為5．2 mA。MAXl473可接收最高達(dá)100 kbps的數(shù)據(jù)速率，從關(guān)斷模式到有效數(shù)據(jù)輸出的過渡時(shí)間小于250 μs。MAXl473包含一個(gè)一級(jí)自動(dòng)增益控制(AGC)電路，在射頻輸入信號(hào)電平大于一57dBrm時(shí)，可降低低噪聲放大器(LNA)35dB的增益。接收器使用帶有接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSD的10．7 MHz中頻濾波器，帶有集成壓控振蕩器VCD的片上鎖相環(huán)(PLL)以及基帶數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。MAXl473僅需很少的外圍元件即可構(gòu)成RKE系統(tǒng)接收模塊的射頻前端，如圖3所示。

3? 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)
??? 發(fā)射端軟件流程如圖4所示，接收端軟件流程如圖5所示。

??? 按所處理任務(wù)的不同，接收模塊分為三種工作狀態(tài)：?jiǎn)拘雅c休眠交替的監(jiān)聽狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)和處理接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。接收系統(tǒng)應(yīng)始終處在間歇休眠的狀態(tài)，以監(jiān)聽外來的信息。當(dāng)收到有效的通信命令后，觸發(fā)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收完畢后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理，并有執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的操作，而接收系統(tǒng)則重新進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。

4? 系統(tǒng)編碼解碼設(shè)計(jì)
??? 總體上講，一個(gè)單向RKE系統(tǒng)由一個(gè)控制端(鑰匙扣發(fā)射模塊)與一個(gè)執(zhí)行端(車內(nèi)接收模塊)組成。其中控制端將控制信息經(jīng)過編碼、調(diào)制后發(fā)射，執(zhí)行端則接收、解調(diào)、解碼并根據(jù)控制信息執(zhí)行相應(yīng)的操作。單向RKE系統(tǒng)的安全關(guān)鍵在于編碼。早期使用固定密碼方式容易受到“無線偵聽”，易被破解。這里使用跳變密碼技術(shù)，可有效地避免“無線偵聽”，提高安全性。以下介紹系統(tǒng)編解碼設(shè)計(jì)原理。
??? 系統(tǒng)通過微控制器DSC80C323軟件編程實(shí)現(xiàn)編解碼過程。
??? 編碼過程如圖6(a)所示。編碼器檢測(cè)到按鍵輸入，把系統(tǒng)從省電狀態(tài)中喚醒，同步計(jì)數(shù)加l，與序列號(hào)一起經(jīng)密匙加密后形成密文數(shù)據(jù)，并同鍵值等數(shù)據(jù)發(fā)送出去。由于同步計(jì)數(shù)值每次發(fā)送都不同，即使是同一按鍵多次按下也不例外。同步計(jì)數(shù)自動(dòng)向前滾動(dòng)，發(fā)送的碼字不會(huì)再發(fā)生。滾動(dòng)范圍為216個(gè)記數(shù)值。傳送過程中有新的鍵按下，則終止當(dāng)前發(fā)送并開始新的傳送；否則，不管是不是按鍵已經(jīng)松開，完成發(fā)送并進(jìn)入休眠狀態(tài)。
??? 解碼過程如圖6(b)所示。解碼電路接收到數(shù)據(jù)包后，將鍵值與密文分開，并將密文用密匙解密后還原為序列號(hào)和同步計(jì)數(shù)值，并在核對(duì)序列號(hào)及同步計(jì)數(shù)值后依照鍵值驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

結(jié)語
??? 汽車防盜、報(bào)警功能以及門禁控制將成為汽車安全控制系統(tǒng)必備的功能之一。通過對(duì)Maxim公司的發(fā)射器MAXl472、接收器MAXl473以及微控制器芯片DS80C323等器件的應(yīng)用，得出一套較為完整的遙控車門開關(guān)系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在低功耗、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可使RKE系統(tǒng)有效控制范圍擴(kuò)大一倍。目前，我們正在這方面繼續(xù)努力，爭(zhēng)取開拓更加廣闊的應(yīng)用空間。