一種新穎的汽車(chē)無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金鑫，朱金濤

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)，441053）

0 引言

隨著電子信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是RFID等技術(shù)的成熟，汽車(chē)無(wú)鑰匙進(jìn)入（PKE）系統(tǒng)逐漸成為了汽車(chē)門(mén)禁應(yīng)用的主流。PKE系統(tǒng)具有應(yīng)用便捷、安全性高等特點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)方式主要是圍繞各類(lèi)PKE主芯片搭建外圍電路來(lái)構(gòu)成。目前，PKE系統(tǒng)鑰匙主芯片核心技術(shù)主要掌握在國(guó)外廠商手中，開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PKE核心技術(shù)就顯得尤為重要[1]。

基于此，本文討論了一種基于雙低頻RFID技術(shù)的、低成本的、可靠的汽車(chē)無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 標(biāo)準(zhǔn)PKE系統(tǒng)分析

一般來(lái)說(shuō)，PKE系統(tǒng)由汽車(chē)端和鑰匙端兩部分構(gòu)成。其中，汽車(chē)端有MCU模塊、觸發(fā)模塊、低頻發(fā)射模塊、特高頻接收模塊、執(zhí)行模塊、通信模塊等模塊；鑰匙端有MCU模塊、低頻接收模塊、特高頻發(fā)射模塊等模塊[2-3]。為了兼容傳統(tǒng)遙控鑰匙（RKE）系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，PKE系統(tǒng)多采用433.92MHz頻段進(jìn)行特高頻通信；為了兼容引擎防盜的相關(guān)技術(shù)，并方便對(duì)鑰匙進(jìn)行定位，系統(tǒng)多采用125kHz頻段進(jìn)行低頻通信[4]。

當(dāng)汽車(chē)上的觸發(fā)模塊感受到特定的觸發(fā)后，它將觸發(fā)信號(hào)傳遞給汽車(chē)門(mén)禁MCU模塊，該MCU模塊驅(qū)使低頻發(fā)射模塊發(fā)送編碼后的低頻指令。當(dāng)汽車(chē)旁鑰匙上的低頻模塊接收到一定強(qiáng)度的低頻信號(hào)，并檢測(cè)到有效輸入信號(hào)后，喚醒鑰匙MCU，對(duì)接收到的低頻指令進(jìn)行解碼并驗(yàn)證識(shí)別；當(dāng)識(shí)別成功后，再通過(guò)一定的方法生成相應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)特高頻發(fā)射模塊發(fā)射出去。當(dāng)汽車(chē)上的特高頻接收模塊接收到這串?dāng)?shù)據(jù)后，進(jìn)行解碼并驗(yàn)證識(shí)別，如果識(shí)別成功，一次雙向通信完成，將進(jìn)行相應(yīng)的操作，如打開(kāi)相應(yīng)車(chē)門(mén)，等等。

PKE系統(tǒng)的使用，使得人們可以在不主動(dòng)使用鑰匙的情況下，通過(guò)觸碰開(kāi)啟一側(cè)的車(chē)門(mén)或者后備箱；使得駕駛員可以在坐在駕駛位上時(shí)，通過(guò)按下一鍵啟動(dòng)按鈕發(fā)動(dòng)汽車(chē)；等等。當(dāng)需要進(jìn)行鑰匙定位操作時(shí)，可以利用分布在車(chē)身不同部位的低頻發(fā)射模塊依次對(duì)鑰匙進(jìn)行雙向通訊，利用特高頻段通信返回鑰匙低頻信號(hào)的接收強(qiáng)度值，車(chē)載基站再利用這些返回的強(qiáng)度值進(jìn)行鑰匙位置判定。

2 基于雙低頻RFID技術(shù)的PKE系統(tǒng)

■2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)在的PKE系統(tǒng)多采用125kHz低頻段與433.92MMHz特高頻段相配合，完成雙向通信，開(kāi)啟車(chē)門(mén)。本文設(shè)計(jì)了一種新穎的采用雙低頻RFID技術(shù)的PKE系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該系統(tǒng)從汽車(chē)端到鑰匙端方向的通信采用125kHz低頻段，從鑰匙端到汽車(chē)端方向的通信采用300kHz低頻段；也就是說(shuō)在汽車(chē)端與鑰匙端的雙向通信中不使用高頻段或者特高頻段。本設(shè)計(jì)可以作為一種獨(dú)立的PKE系統(tǒng)使用，也可以作為傳統(tǒng)PKE系統(tǒng)中的低頻端使用。為了準(zhǔn)確定位鑰匙的位置，一套無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)含有多個(gè)這樣的雙低頻模塊，分布在各車(chē)門(mén)窗口、后備箱窗口、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)鍵等車(chē)身位置處。

圖1 基于雙低頻RFID技術(shù)的PKE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作過(guò)程如下：

（1）當(dāng)觸發(fā)模塊將觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給汽車(chē)端MCU后，該MCU按照一定的方法產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，同與汽車(chē)端識(shí)別碼一起，經(jīng)過(guò)加密運(yùn)算，形成一串編碼指令。其中，隨機(jī)數(shù)主要是用來(lái)增加偵聽(tīng)破解難度、提升系統(tǒng)的安全性，其產(chǎn)生的方法可以根據(jù)應(yīng)用需要采用不同的方式；加密運(yùn)算也可以采用不同的方式，或者采用特定類(lèi)型的加密芯片。

（2）汽車(chē)端MCU將加密后的編碼指令發(fā)送給125kHz發(fā)送模塊，該模塊利用PWM方式將指令通過(guò)線圈發(fā)射出去。

（3）當(dāng)距離足夠近時(shí)，鑰匙端125kHz接收模塊通過(guò)三維繞線天線，感應(yīng)接收到足夠強(qiáng)度的有效信號(hào)后，將激活鑰匙端MCU，并接收該編碼指令信息。

（4）鑰匙端MCU接收到編碼指令信息后，采用同樣的加密算法對(duì)其進(jìn)行解密、并驗(yàn)證識(shí)別；如果發(fā)射器被成功識(shí)別，就取出汽車(chē)端產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，并同鑰匙端識(shí)別碼一起，經(jīng)過(guò)加密運(yùn)算，形成一串編碼應(yīng)答信息，并由鑰匙端300kHz發(fā)射模塊通過(guò)天線發(fā)射出去。

（5）汽車(chē)端300kHz接收模塊通過(guò)線圈，耦合接收鑰匙端300kHz發(fā)射模塊發(fā)射的編碼應(yīng)答信息，并對(duì)其進(jìn)行解密、并驗(yàn)證識(shí)別，如果鑰匙被成功識(shí)別，那么本次雙向通信完成，汽車(chē)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

（6）如果需要對(duì)鑰匙進(jìn)行定位，那么在上一步中，分布在車(chē)身不同位置的300kHz接收模塊均會(huì)通過(guò)各自的線圈，耦合接收鑰匙端300kHz發(fā)射模塊發(fā)射的編碼應(yīng)答信息，測(cè)量該信號(hào)的強(qiáng)度值，并將這些強(qiáng)度值傳回汽車(chē)端MCU，以供其根據(jù)多個(gè)返回的強(qiáng)度值對(duì)鑰匙所在位置進(jìn)行判斷，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

■2.2 電路設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化電路、降低成本，汽車(chē)端與鑰匙端的雙低頻RFID電路原理圖如圖2所示，為了保證耦合效率，汽車(chē)端電路采用線圈，鑰匙端電路采用三維繞線天線。

圖2 雙低頻RFID實(shí)現(xiàn)電路圖

當(dāng)圖2中的電路作為汽車(chē)端實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要是125kHz的發(fā)射部分與300kHz的接收部分，圖2中的300k控制端Q4將被短接。發(fā)射125kHz信號(hào)時(shí)，MCU產(chǎn)生的125kHz方波經(jīng)Q1、Q2推挽放大，在Q3的控制下，作為載波調(diào)制待發(fā)送的加密編碼指令，通過(guò)L、C1電路選頻共振、產(chǎn)生幅值60V以上的信號(hào)由線圈L發(fā)射出去。接收300kHz信號(hào)時(shí)，通過(guò)L、C2振蕩電路、由線圈L耦合信號(hào)，經(jīng)信號(hào)提取端完成接收。

當(dāng)圖2中的電路作為鑰匙端實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要是125kHz的接收部分與300kHz的發(fā)射部分，圖2中的300k控制端Q3將被短接。接收125kHz信號(hào)時(shí)，通過(guò)L、C1振蕩電路、由三維繞線天線L耦合信號(hào)，經(jīng)信號(hào)提取端完成接收。發(fā)射300kHz信號(hào)時(shí)，MCU產(chǎn)生的300kHz方波經(jīng)Q1、Q2推挽放大，在Q4的控制下，作為載波調(diào)制待發(fā)送的編碼應(yīng)答信息，通過(guò)L、C2電路選頻共振、產(chǎn)生幅值60V以上的信號(hào)由天線L發(fā)射出去。為保證發(fā)射效率，300kHz載波也可以用更高頻率的低頻載波替代。

■2.3 性能分析

這種PKE系統(tǒng)，因其采用雙低頻RFID實(shí)現(xiàn)，并無(wú)高頻信號(hào)，其固有的低頻特性使得通信范圍較短，此時(shí)鑰匙與汽車(chē)處于近距離，可有效防止被偵聽(tīng)掃描；系統(tǒng)采用雙向認(rèn)證，較為可靠，安全性較高。系統(tǒng)還可以采用合適的加密技術(shù)、或者采用合適的加密芯片，可以進(jìn)一步有效提升安全性。

由系統(tǒng)工作原理可知，該系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的PKE系統(tǒng)在無(wú)鑰匙進(jìn)入方面并無(wú)響應(yīng)時(shí)間上的顯著差別。而在鑰匙定位上，標(biāo)準(zhǔn)的PKE系統(tǒng)在第一次雙向通訊認(rèn)證鑰匙的合法性之后，還需要通過(guò)分布在車(chē)身上的各個(gè)低頻發(fā)射模塊依次對(duì)鑰匙進(jìn)行雙向通訊，并獲取鑰匙發(fā)回的各低頻信號(hào)的接收強(qiáng)度值，從而對(duì)鑰匙所在位置進(jìn)行判斷，較為費(fèi)時(shí)。而本系統(tǒng)在第一次雙向通訊認(rèn)證鑰匙合法性的時(shí)候，就由分布在車(chē)身上的各個(gè)低頻發(fā)射模塊同時(shí)接收鑰匙發(fā)送的編碼應(yīng)答信息所在信號(hào)的強(qiáng)度值，進(jìn)而對(duì)鑰匙所在位置進(jìn)行判斷，不需要額外的雙向通信，這就大大節(jié)省了響應(yīng)時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款新穎的、低成本的汽車(chē)無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙低頻RFID技術(shù)，通過(guò)125kHz頻段和300kHz頻段的雙向加密通信來(lái)驗(yàn)證鑰匙的合法性，并可以在一次雙向通信過(guò)程中完成對(duì)鑰匙的定位。系統(tǒng)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具備穩(wěn)定性較好、安全性較高、響應(yīng)時(shí)間較短等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。