一種新穎的汽車無鑰匙進(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，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，汽車無鑰匙進(jìn)入（PKE）系統(tǒng)逐漸成為了汽車門禁應(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PKE主芯片搭建外圍電路來構(gòu)成。目前，PKE系統(tǒng)鑰匙主芯片核心技術(shù)主要掌握在國外廠商手中，開發(fā)擁有自主知識產(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、可靠的汽車無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 標(biāo)準(zhǔn)PKE系統(tǒng)分析

一般來說，PKE系統(tǒng)由汽車端和鑰匙端兩部分構(gòu)成。其中，汽車端有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)汽車上的觸發(fā)模塊感受到特定的觸發(fā)后，它將觸發(fā)信號傳遞給汽車門禁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)汽車旁鑰匙上的低頻模塊接收到一定強(qiáng)度的低頻信號，并檢測到有效輸入信號后，喚醒鑰匙MCU，對接收到的低頻指令進(jìn)行解碼并驗(yàn)證識別；當(dāng)識別成功后，再通過一定的方法生成相應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)，并通過特高頻發(fā)射模塊發(fā)射出去。當(dāng)汽車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)證識別，如果識別成功，一次雙向通信完成，將進(jìn)行相應(yīng)的操作，如打開相應(yīng)車門，等等。

PKE系統(tǒng)的使用，使得人們可以在不主動使用鑰匙的情況下，通過觸碰開啟一側(cè)的車門或者后備箱；使得駕駛員可以在坐在駕駛位上時，通過按下一鍵啟動按鈕發(fā)動汽車；等等。當(dāng)需要進(jìn)行鑰匙定位操作時，可以利用分布在車身不同部位的低頻發(fā)射模塊依次對鑰匙進(jìn)行雙向通訊，利用特高頻段通信返回鑰匙低頻信號的接收強(qiáng)度值，車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，開啟車門。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)從汽車端到鑰匙端方向的通信采用125kHz低頻段，從鑰匙端到汽車端方向的通信采用300kHz低頻段；也就是說在汽車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，一套無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)含有多個這樣的雙低頻模塊，分布在各車門窗口、后備箱窗口、發(fā)動機(jī)啟動鍵等車身位置處。

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

系統(tǒng)工作過程如下：

（1）當(dāng)觸發(fā)模塊將觸發(fā)信號發(fā)送給汽車端MCU后，該MCU按照一定的方法產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)，同與汽車端識別碼一起，經(jīng)過加密運(yùn)算，形成一串編碼指令。其中，隨機(jī)數(shù)主要是用來增加偵聽破解難度、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，或者采用特定類型的加密芯片。

（2）汽車端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方式將指令通過線圈發(fā)射出去。

（3）當(dāng)距離足夠近時，鑰匙端125kHz接收模塊通過三維繞線天線，感應(yīng)接收到足夠強(qiáng)度的有效信號后，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其進(jìn)行解密、并驗(yàn)證識別；如果發(fā)射器被成功識別，就取出汽車端產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，并同鑰匙端識別碼一起，經(jīng)過加密運(yùn)算，形成一串編碼應(yīng)答信息，并由鑰匙端300kHz發(fā)射模塊通過天線發(fā)射出去。

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

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

■2.2 電路設(shè)計(jì)

為簡化電路、降低成本，汽車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中的電路作為汽車端實(shí)現(xiàn)時，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信號時，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L、C1電路選頻共振、產(chǎn)生幅值60V以上的信號由線圈L發(fā)射出去。接收300kHz信號時，通過L、C2振蕩電路、由線圈L耦合信號，經(jīng)信號提取端完成接收。

當(dāng)圖2中的電路作為鑰匙端實(shí)現(xiàn)時，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信號時，通過L、C1振蕩電路、由三維繞線天線L耦合信號，經(jīng)信號提取端完成接收。發(fā)射300kHz信號時，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L、C2電路選頻共振、產(chǎn)生幅值60V以上的信號由天線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)，并無高頻信號，其固有的低頻特性使得通信范圍較短，此時鑰匙與汽車處于近距離，可有效防止被偵聽掃描；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)在無鑰匙進(jìn)入方面并無響應(yīng)時間上的顯著差別。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，還需要通過分布在車身上的各個低頻發(fā)射模塊依次對鑰匙進(jìn)行雙向通訊，并獲取鑰匙發(fā)回的各低頻信號的接收強(qiáng)度值，從而對鑰匙所在位置進(jìn)行判斷，較為費(fèi)時。而本系統(tǒng)在第一次雙向通訊認(rèn)證鑰匙合法性的時候，就由分布在車身上的各個低頻發(fā)射模塊同時接收鑰匙發(fā)送的編碼應(yīng)答信息所在信號的強(qiáng)度值，進(jìn)而對鑰匙所在位置進(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)時間。

3 結(jié)束語

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