交互式無線汽車智能鑰匙研究

楊洋

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，為提高生活水平居民對物質(zhì)需求提出了更高的要求，在交通出行方面，汽車則逐漸成為不少家庭的必需品。隨著汽車的數(shù)量和使用人數(shù)的增加，其安全問題逐漸為人們所關(guān)注，因此汽車安全設(shè)備也成為專業(yè)人員的研究重點(diǎn)。交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)就是其中一類安全設(shè)備，它具有無線通訊功能，對滾動代碼的編碼和解碼的加密和傳輸功能等多種功能，最重要的是，它可以有效提高汽車整體的安全性能。此外，該系統(tǒng)還具有許多優(yōu)勢，主要包括低耗能，較長的接收和發(fā)信有效距離和極高的安全性。將無線通訊技術(shù)和滾動碼技術(shù)融合應(yīng)用于汽車防盜預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計，即交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)是當(dāng)前汽車智能安全領(lǐng)域的研究方向。

關(guān)鍵詞：交互式;無線通訊;滾動碼技術(shù);汽車智能鑰匙

隨著居民生活水平的不斷提高，在交通出行方面，越來越多的家庭將汽車列作出行必需品。隨著社會汽車數(shù)量和使用人數(shù)的逐年增加，汽車安全逐漸成為社會關(guān)注的重點(diǎn)問題，研發(fā)并普及安全可靠的汽車安全系統(tǒng)的具有一定的現(xiàn)實意義。電子汽車鑰匙則是實現(xiàn)汽車防盜保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，本文主要介紹了一種結(jié)合了滾動代碼技術(shù)和無線通訊技術(shù)的新型汽車智能鑰匙系統(tǒng)，即交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需用戶干預(yù)，用戶只需要呆在車門附近，門鎖就可以自動打開。該系統(tǒng)安全便捷且能耗低，具有良好的經(jīng)濟(jì)價值，并且能夠自動準(zhǔn)確識別用戶，具有極高的安全性，可應(yīng)用于汽車安全系統(tǒng)，值得大力推廣。本文介紹了上述系統(tǒng)的工作原理，整體結(jié)構(gòu)及其硬件設(shè)計，以及與滾動代碼加密相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容。

1 系統(tǒng)工作原理和整體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的汽車無線門禁系統(tǒng)功能存在許多局限，新型的交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)則是在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善的成果。該系統(tǒng)是滾動代碼技術(shù)和無線通信技術(shù)的結(jié)合，作為汽車的門禁系統(tǒng)使用單芯片和無線接收器模塊來開發(fā)用于無源無鑰匙進(jìn)入汽車的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使用高頻和低頻雙向進(jìn)行通訊。

上述的交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)具有一個車載模塊和一個智能鑰匙模塊，這兩個模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)都包括微型處理器，無線的接收和發(fā)射器以及控制按鈕等。使用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)的最主要的功能便是，當(dāng)持有智能鑰匙的駕駛員距離車輛兩米范圍內(nèi)時，車門可以自動解鎖并開放。隨后，車門會在駕駛員坐上汽車并啟動汽車后自動進(jìn)入鎖定狀態(tài)。如果駕駛員在距車輛的一米距離以外使用智能鑰匙，則車門將自動鎖定并立即回到防盜狀態(tài)。

通常，如果沒有特殊情況發(fā)生，兩個模塊始終處于運(yùn)作的狀態(tài)，保證低頻編碼信息的傳輸。其中，車載模塊作為發(fā)送的一方，其運(yùn)行間隔是固定的，一般為幾百毫秒，而智能鑰匙模塊則是接收信息的一方。若兩者相距不遠(yuǎn)，則信息傳輸?shù)臅r間幾乎可以忽略不計，智能鑰匙模塊在接收信息后隨之迅速完成對接收到的數(shù)據(jù)信息的檢查工作。經(jīng)檢查，若為有效編碼信息，則智能鑰匙模塊會使用微型處理器中的滾動碼加密模塊完成驅(qū)動程序設(shè)置或命令的加密，以形成相應(yīng)的編碼命令，然后重新加密要發(fā)送的命令。如果車輛模塊的高頻接收器成功檢測到此信號，它將進(jìn)行適當(dāng)切換，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到車輛模塊的微型處理器。集成微型處理器首先解碼數(shù)據(jù)的連續(xù)代碼并接受確切的命令，然后將它們發(fā)送到適當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)以完成下一個處理步驟。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

合理選擇適用于智能鑰匙模塊和車載模塊的單片機(jī)是該交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)硬件設(shè)計成功的關(guān)鍵。只有做出科學(xué)合理的選擇，該系統(tǒng)才能具備下列完善的功能：高低頻交互式通訊功能，滾動碼編碼和解碼功能，輸入并執(zhí)行用戶的特定命令功能。此外，還可以使該系統(tǒng)實現(xiàn)體積小，能耗低等優(yōu)勢。

在交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)中，作為控制信息傳輸?shù)膬纱竽K，智能鑰匙模塊和車載模塊的硬件設(shè)計至關(guān)重要。其中，智能鑰匙模塊的小體積和低能耗是其硬件設(shè)計的關(guān)鍵。至于車載模塊的硬件設(shè)計，完善滾動碼解碼器部分的功能是其關(guān)鍵，其硬件部分由微處理器單片機(jī)，接收器模塊，低頻率發(fā)送模塊，控制電路和檢測單元由五個模塊組成。

2.1 智能鑰匙模塊的硬件設(shè)計

智能鑰匙模塊的主要構(gòu)成包括單片機(jī)，低頻高頻傳輸電路和按鈕開關(guān)等部分。成功的硬件設(shè)計能使智能鑰匙模塊成功完成其一系列操作，包括接收并處理低頻信息，對用戶輸入的滾動碼加密，并且傳輸該高頻加密信息。為此，其硬件設(shè)計需要使用集成滾動碼加密功能和三相低頻輸入電路的微控制器芯片，并且由于該微控制器芯片具備體積小，能耗低，適用于硬件電路設(shè)計，因此可以將該微控制器芯片用作智能鑰匙模塊硬件電路設(shè)計的核心單片機(jī)。

上述電路下面的三個電感器是標(biāo)準(zhǔn)的125 kHz低頻接收電路。三個電感器分別正交布置在三維空間的三個不同方向上，以便車載模塊可以隨時捕獲沿任何方向入射的低頻信號。為保證車載模塊可以對低頻諧振頻率做出正確選擇，這些線圈需要與電容器維持并聯(lián)狀態(tài)。接收線圈感應(yīng)的電壓沿三個不同的方向直接發(fā)送到芯片的三相低頻模擬輸入端，然后其內(nèi)部電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。高頻傳輸電路主要功能是對頻率為315 MHz的高頻信息進(jìn)行傳輸。高頻振動傳輸電路的主要組成部分包括埋弧焊諧振器，三極管，電容器和發(fā)射天線，并且電路的振蕩或停止由該芯片輸出的脈沖寬度調(diào)制信號控制。使用此幅度鍵調(diào)制方法傳輸加密和編碼的命令。該微控制器芯片為維持其功耗極低的特性，通常僅在電路中斷模式下進(jìn)行工作，防止能源的浪費(fèi)。每當(dāng)輸入標(biāo)準(zhǔn)的低頻率信號或按下了開關(guān)按鈕時，則意味著控制器將被激活以處理相應(yīng)的指令。對于輸入的命令信息，單片機(jī)使用獨(dú)特的滾動碼加密模塊自動執(zhí)行復(fù)雜的操作。對于接收天線輸入的標(biāo)準(zhǔn)低頻模擬信號，它使用內(nèi)部專用模擬電路將輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對其進(jìn)行處理。

2.2 車載模塊的硬件設(shè)計

車載模塊使用如上所述的相同的微控制器芯片作為核心單片機(jī)，其具有足夠數(shù)量的輸入和輸出連接口，并且速度快和體積小是其突出優(yōu)勢。車載模塊中的低頻傳輸電路根據(jù)磁感應(yīng)原理進(jìn)行發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)的低頻。提高低頻發(fā)射器的驅(qū)動功率和低頻輸出電路的Q值，可以保證能夠獲得至少兩米的通信距離。為此，低頻發(fā)射器的發(fā)射天線最好采用鐵氧材料的線圈，而使用的芯片則要求具有低輸出的電阻和高驅(qū)動的電流兩種特性。單片機(jī)將信號發(fā)送至該芯片，然后經(jīng)由發(fā)射天線整合處理成為具有標(biāo)準(zhǔn)頻率的低頻信號并發(fā)送出去。至于高頻接收電路則采用內(nèi)部集成了各種電路的集成芯片。智能鑰匙模塊發(fā)送的高頻信號由車載模塊接收并通過該集成芯片處理相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理的數(shù)據(jù)信號發(fā)送至微控制器芯片，引起電路中斷使微控制器芯片進(jìn)入工作狀態(tài)對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 滾動代碼關(guān)鍵技術(shù)

隨著現(xiàn)代信息社會的發(fā)展，加密是作為實現(xiàn)安全和保密功能的主要途徑，在人們的生活中起著越來越重要的作用。交互式無線智能鑰匙系統(tǒng)設(shè)計采用滾動碼加密技術(shù)對信號進(jìn)行加密以實現(xiàn)該系統(tǒng)的安全性能。傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)的工作原理使單向傳輸，因此提高的安全和保密服務(wù)具有較大的局限性。傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)通過增加傳輸代碼的長度和不同的排列組合以實現(xiàn)其安全性，但由于代碼的長度有上限，因此其排列組合的種類也是有限的，最終導(dǎo)致其安全性能不高，并且該代碼通常被稱為固定代碼。固定代碼具有編譯次數(shù)少，代碼重復(fù)多，易于掃描和解密之類的缺點(diǎn)，并且容易在空中被攔截，因此難以滿足車輛安全要求。

KEELOQ技術(shù)是一種復(fù)雜的非線性加密算法，經(jīng)由該算法加密后的代碼稱為跳躍代碼或滾動代碼，由該技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)安全性能高。使用KEELOQ滾動代碼加密算法可以對原始代碼進(jìn)行加密，從而生成嚴(yán)格保密的滾動代碼，每次傳輸?shù)臐L動代碼都是唯一的。即使原始代碼相同，但在不同時間發(fā)送的代碼都是不會重復(fù)的，因此上述攔截和掃描都是徒勞的。該滾動碼安全系統(tǒng)由一個滾動碼接收器和一個滾動碼發(fā)送器組成，其主要組件分別是滾動碼編碼器和滾動碼解碼器。

4 結(jié)語

綜上，隨著中國汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車銷售量的猛增帶動了汽車安全系統(tǒng)市場的發(fā)展，因此研究汽車安全系統(tǒng)具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，該領(lǐng)域汽車安全技術(shù)的研究也在繼續(xù)取得進(jìn)展。另外，基于滾動碼的無線遠(yuǎn)程控制技術(shù)目前已經(jīng)成熟，將該技術(shù)集成到車輛安全系統(tǒng)中是未來車輛安全系統(tǒng)發(fā)展的新方向。智能鑰匙技術(shù)的發(fā)展與未來汽車智能安全的發(fā)展相吻合，因此交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)將成為具有良好市場前景和巨大潛力的汽車必備安全設(shè)備之一。

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