PKE智能鑰匙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔慧芳，丘宇寧

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥230009）

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的無(wú)線門禁系統(tǒng)已無(wú)法滿足廣大用戶的需求。免持式被動(dòng)無(wú)鑰匙門禁系統(tǒng)PKE（Passive Keyless Entry）正迅速成為汽車遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙門禁應(yīng)用的主流，并成為新型汽車的普遍選擇。在汽車裝配有PKE智能鑰匙系統(tǒng)的情況下，車主只要靠近車輛或者碰一下車門，車門就能自動(dòng)打開(kāi)[1]。PKE智能鑰匙系統(tǒng)是汽車智能化、信息化、電子化的體現(xiàn)，提高了整車的安全性、可靠性、舒適性，具有極佳的市場(chǎng)前景和巨大的潛在效益。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 PKE系統(tǒng)的工作原理

PKE智能鑰匙系統(tǒng)分為基站（車身）和應(yīng)答器（鑰匙）兩部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。這兩部分之間采取雙向通信。該系統(tǒng)有兩種工作方式：第一種是車輛中的基站單元不停地發(fā)送一條編碼為125 kHz的低頻報(bào)文以搜尋并喚醒一定范圍內(nèi)的應(yīng)答器。該信號(hào)范圍內(nèi)的所有應(yīng)答器都能夠接收到該報(bào)文，并對(duì)編碼的數(shù)據(jù)字段進(jìn)行驗(yàn)證。一旦車主身上的應(yīng)答器識(shí)別成功，它就會(huì)自動(dòng)發(fā)送一條頻率為433.92 MHz的射頻Keeloq編碼報(bào)文，基站單元在收到該報(bào)文后對(duì)其進(jìn)行解碼，如果識(shí)別成功，將控制指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開(kāi)車門。第二種工作方式中基站單元為了降低電流消耗并不會(huì)輪詢應(yīng)答器?；締卧话闾幱谛菝郀顟B(tài)或掉電狀態(tài)，只有當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)才能將其喚醒，該觸發(fā)事件一般是汽車門把手上的紅外信號(hào)或者是由汽車門把手裝置激活的微動(dòng)開(kāi)關(guān)。在第二種工作方式下車主必須碰一下車門才能觸發(fā)系統(tǒng)，從而打開(kāi)車門。

1.2 應(yīng)答器（鑰匙）模塊設(shè)計(jì)

應(yīng)答器模塊由微控制器、高頻發(fā)射電路、低頻接收電路和開(kāi)關(guān)按鈕組成，其電路圖如圖2所示。由于應(yīng)答器模塊是車主隨身攜帶的，所以該模塊必須以體積小、功耗低為設(shè)計(jì)原則，同時(shí)必須具備一定的安全性。根據(jù)以上特性，微控制器選擇微芯公司的PIC16F639。該芯片采用SSOP封裝，體積小，內(nèi)置一個(gè)Keeloq加密模塊和一個(gè)3通道模擬前端，可用于多種低頻檢測(cè)和雙向智能通信。

應(yīng)答器模塊采用3 V紐扣電池供電，采用內(nèi)部4 MHz時(shí)鐘。在沒(méi)有低頻激勵(lì)的情況下，應(yīng)答器模塊以標(biāo)準(zhǔn)RKE（Remote Key Entry）模式工作，當(dāng)接收到有效的低頻激勵(lì)報(bào)文時(shí)，微控制器將如同按下一個(gè)虛擬按鍵一樣做出響應(yīng)。4個(gè)按鍵（S1～S4）分別接到微控制器的PORT A口，通過(guò)電平的變化喚醒休眠中的PIC16F639，并觸發(fā)中斷，完成相應(yīng)的上鎖、解鎖、報(bào)警等功能。當(dāng)中斷程序完成以后，PIC16F639將重新進(jìn)入休眠模式。二極管D1用來(lái)指示高頻信號(hào)的發(fā)射，高頻信號(hào)由引腳RC5發(fā)出的PWM經(jīng)過(guò)聲表面波諧振器產(chǎn)生[2]。

應(yīng)答器對(duì)基站發(fā)送過(guò)來(lái)的低頻喚醒信號(hào)通過(guò)PIC16F639的3通道模擬前端實(shí)現(xiàn)。PIC16F639具有高達(dá)3 mVpp的模擬輸入靈敏度的3個(gè)天線連接引腳(LCX、LCY、LCZ)。 通過(guò)連接 3個(gè)分別指向 x軸、y軸、z軸的天線，應(yīng)答器可以隨時(shí)接收來(lái)自任何方向的信號(hào)，從而降低由天線的方向性而造成信號(hào)丟失的可能性。在此系統(tǒng)中，3個(gè)方向天線采用PREMO公司專門為PIC16F639設(shè)計(jì)的集成天線模塊，該天線模塊體積小、精度高，電感值在出廠時(shí)已經(jīng)配置好，只需要配合對(duì)應(yīng)通道的電容便可使用。對(duì)于免持式操作，由于應(yīng)答器持續(xù)等待并檢測(cè)輸入信號(hào)，產(chǎn)生電池預(yù)期壽命的問(wèn)題。為了減小工作電流，可以對(duì)模擬前端內(nèi)置的輸出使能濾波器進(jìn)行配置，設(shè)定報(bào)頭匹配序列。當(dāng)模擬前端搜尋信號(hào)時(shí)，數(shù)字MCU部分可以進(jìn)入休眠模式，只有在低頻輸入信號(hào)的報(bào)頭序列波形與濾波器所設(shè)定的吻合時(shí)，才能喚醒數(shù)字MCU。即當(dāng)有效低頻信號(hào)通過(guò)內(nèi)部電路解調(diào)并在PORT C口RC3引腳上輸出LFDATA數(shù)字信號(hào)時(shí)，利用與RC3相連的PORT A口RA2引腳觸發(fā)中斷，才能喚醒休眠中的數(shù)字MCU。PIC16F639通過(guò)內(nèi)部SPI配置模擬前端。

應(yīng)答器模塊的高頻發(fā)射電路如圖3所示。聲表面波諧振器SAW與功率放大器Q1構(gòu)成了一個(gè)開(kāi)關(guān)鍵控高頻發(fā)射器。L1作為高頻發(fā)射器的天線，一般通過(guò)PCB上的金屬走線形成。系統(tǒng)需要發(fā)送的各種信息經(jīng)過(guò)Keeloq加密并PWM編碼后由RC5引腳輸出，當(dāng)輸出為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路工作；當(dāng)輸出為低電平時(shí)，發(fā)射電路截止。

1.3 基站（車身）模塊設(shè)計(jì)

基站模塊由微控制器、高頻接收電路、低頻發(fā)射電路、液晶顯示電路及總線傳輸電路組成。基站模塊的微控制器采用微芯公司的PIC18F4680，工作頻率為40 MHz。該芯片擁有64 KB的Flash存儲(chǔ)器，1 KB的EEPROM存儲(chǔ)器及3.3 KB的SRAM存儲(chǔ)器；還擁有1個(gè)SPI接口、1個(gè)I2C接口、1個(gè)LIN接口及1個(gè)ECAN接口，完全可以滿足與汽車控制器進(jìn)行信息交換的要求，同時(shí)該芯片具有豐富的I/O資源，為配置液晶屏提供了可能，讓車主能夠及時(shí)了解基站模塊的工作情況。本文著重介紹高頻接收電路和低頻發(fā)射電路的設(shè)計(jì)，其電路如圖4、圖5所示。

高頻接收電路采用安陽(yáng)市新世紀(jì)電子研究所的一款超再生接收模塊J04V。J04V是一款低功耗、小體積接收模塊，采用SMT工藝，性能穩(wěn)定，具有較好的靈敏度及性價(jià)比，可以廣泛應(yīng)用于需要長(zhǎng)期處于接收狀態(tài)的遙控報(bào)警及單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。J04V的接收頻率為433.92 MHz；工作電壓為 3 V，工作電流只有 0.2 mA，功率極低；外形尺寸為10 mm×23 mm，并且不需要外接天線，能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。超再生模塊J04V集成度高，接線簡(jiǎn)單，接收到的高頻數(shù)字信號(hào)通過(guò)OUT引腳直接傳送到PIC18F4680的RB4引腳,觸發(fā)中斷，中斷程序進(jìn)行解碼操作，將編碼信號(hào)還原成原始數(shù)據(jù)，從而通過(guò)總線控制相關(guān)指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

低頻發(fā)射電路由一個(gè)TC4422功率放大器和一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路組成。在PKE系統(tǒng)中，低頻信號(hào)的發(fā)射和接收通過(guò)電磁感應(yīng)進(jìn)行通信，當(dāng)?shù)皖l功放驅(qū)動(dòng)器的電流為500 mA左右時(shí)可以獲得較好的傳送距離，而為了提高輸出回路品質(zhì)因數(shù)Q，低頻功放驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗必須在10 Ω以下，因此選用TC4422功率放大器。該電路可以產(chǎn)生一個(gè)基于PWM輸出的載波信號(hào)。TC4422放大來(lái)自微控制器的125 kHz低頻信號(hào)的功率，通過(guò)由天線L1、電容 C2、C3、C4組成的 LC串聯(lián)諧振電路后，低頻方波脈沖將變成正弦波[3]。當(dāng)LC串聯(lián)諧振電路的諧振頻率與PWM信號(hào)的頻率一致時(shí)，通過(guò)L1的負(fù)載電流最大，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，此時(shí)發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度最大。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 Keeloq編碼的實(shí)現(xiàn)

Keeloq實(shí)際上是一個(gè)“ASIC”的特別設(shè)計(jì)，內(nèi)含加密及解密技術(shù)，適用于遙控或命令辨別的應(yīng)用場(chǎng)合，如安全鎖、車庫(kù)門遙控、秘密通信、軟件保護(hù)等。Keeloq加密算法其實(shí)是一種非線性的數(shù)學(xué)推算公式，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)該算法加密后，輸出數(shù)據(jù)對(duì)輸入數(shù)據(jù)而言就是唯一的。Keeloq核心組成元件分別為制造商代碼、序號(hào)、編碼密碼。制造商代碼為由制造商決定的不可泄露的原始密碼，用來(lái)辨別不同制造商之間的產(chǎn)品，并且應(yīng)答器與基站的制造商代碼必須相同才能互相識(shí)別。序號(hào)的作用是區(qū)別不同的應(yīng)答器，每個(gè)應(yīng)答器都有自己的一個(gè)序號(hào)。在標(biāo)準(zhǔn)加密模式下，編碼密碼是由制造商代碼與序號(hào)利用解碼算法共同產(chǎn)生的，用于產(chǎn)生跳碼，儲(chǔ)存于微控制器的EEPROM中。Keeloq編碼過(guò)程如圖6所示。

每當(dāng)應(yīng)答器的按鍵按下時(shí)，PIC16F639便將一組66 bit的加密資料以PWM編碼的方式通過(guò)高頻發(fā)射器傳送出去。這66 bit的加密資料包含34 bit的固定碼與32 bit的跳碼。其中34 bit的固定碼包括 28 bit的序號(hào)、4 bit的功能鍵以及2 bit的狀態(tài)位。4 bit功能鍵表明了應(yīng)答器中哪一個(gè)按鍵已被車主按下，而基站必須根據(jù)不同的功能鍵數(shù)值執(zhí)行相應(yīng)的命令。另外，Keeloq編碼加密算法利用 64 bit編碼密碼、16 bit同步計(jì)數(shù)值、10 bit識(shí)別碼、4 bit功能鍵、2 bit溢位指示通過(guò)非線性數(shù)學(xué)推算公式生成32 bit的跳碼[4]，而同步計(jì)數(shù)值在每一次按鍵按下以后將自動(dòng)加1并存入EEPROM中，這將使下次編碼加密時(shí)形成一組新的跳碼，大大提高了安全性。

基站接收到66 bit的加密資料后，首先檢查固定碼中的序號(hào)是否與存儲(chǔ)在EEROM中的序號(hào)是否一致，然后運(yùn)行解密算法，得到識(shí)別碼、同步計(jì)數(shù)值、功能鍵、溢位。PIC18F4680先將解碼后的識(shí)別碼與固定碼中序號(hào)的低10位進(jìn)行比較，看是否相等；然后比較解碼后的功能鍵數(shù)值與固定碼中的功能鍵數(shù)值；最后判斷解碼后的同步計(jì)數(shù)值與EEPROM中的舊的同步計(jì)數(shù)值是否合理增加。如果有一個(gè)步驟發(fā)生錯(cuò)誤，微控制器則判定接收到的是一組不合法的資料，不會(huì)進(jìn)行下一步動(dòng)作。

2.2 通信協(xié)議

基站與應(yīng)答器之間的通信采用PWM編碼方式進(jìn)行半雙工通信。1個(gè)數(shù)據(jù)由3個(gè)位元組成，位元周期Te一般取 100 μs～400 μs，其格式如圖 7 所示。 微控制器在接收PWM時(shí)通過(guò)前導(dǎo)資料的指引，做好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。當(dāng)同步導(dǎo)引過(guò)后，微控制器檢測(cè)到第一個(gè)上升沿時(shí)，等待1/2Te時(shí)間后立即取樣并檢測(cè)是否為高電平1，如果為0則接收資料失敗，然后延時(shí)一個(gè)Te時(shí)間后立即取樣作為資料位元，再延時(shí)一個(gè)Te時(shí)間取樣并判斷，如果為高電平1則接收資料失敗，最后等待下一個(gè)上升沿的到來(lái)，如等待時(shí)間超過(guò)一個(gè)Te則接收資料失敗。依此循環(huán)，直到資料全部接受完畢。高頻與低頻數(shù)據(jù)發(fā)送格式如圖8、圖9所示。

2.3 流程圖

應(yīng)答器工作流程圖如圖10所示。

本文介紹了PKE智能鑰匙系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，給出了詳盡的硬件電路及軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明該系統(tǒng)體積小、功耗低、通信良好、安全性強(qiáng)、應(yīng)用市場(chǎng)廣闊，有著很大的實(shí)用價(jià)值。

[1]MUHAMMAD A M，ROLIN D M，DANNY C.PIC技術(shù)寶典[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]Microchip Technology Inc.AN1024.PKE system design using the PIC16F639[Z].2006.

[3]Microchip Technology Inc.Passive keyless entry(PKE)reference design user’s manual[Z].2006.

[4]石云.基于KEELOQ技術(shù)的車庫(kù)門禁系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技 術(shù) ，2008(15)：144-145.