DSP在無(wú)鑰匙系統(tǒng)的應(yīng)用

張毅君 龍滬強(qiáng)

無(wú)鑰匙系統(tǒng)是采用最先進(jìn)的RFID（無(wú)線射頻識(shí)別）技術(shù)，通過(guò)車主隨身攜帶的智能卡里的芯片感應(yīng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)門鎖，也就是說(shuō)當(dāng)您走近車輛一定距離時(shí)，門鎖會(huì)自動(dòng)打開(kāi)并解除防盜；當(dāng)您離開(kāi)車輛時(shí)，門鎖會(huì)自動(dòng)鎖上并進(jìn)入防盜狀態(tài)。一般裝備有無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的車輛，其車門把手上有感應(yīng)按鈕，同時(shí)也有鑰匙孔，是以防智能卡損壞或沒(méi)電時(shí)，車主仍可用普通方式開(kāi)啟車門。當(dāng)車主進(jìn)入車內(nèi)時(shí)，車內(nèi)的檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)馬上識(shí)別您的智能卡，經(jīng)過(guò)確認(rèn)后車內(nèi)的電腦才會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)，這時(shí)您只需輕輕按動(dòng)車內(nèi)的啟動(dòng)按鈕（或者是旋鈕），就可以正常啟動(dòng)車輛了。也就是說(shuō)無(wú)論在車內(nèi)還是車外，都可以保證系統(tǒng)在任何情況下都能正確識(shí)別駕駛者。下圖為無(wú)鑰匙系統(tǒng)的功能示意。

該應(yīng)用要求基站和應(yīng)答器（鑰匙）單元之間進(jìn)行雙向通訊。當(dāng)駕駛員靠近PKE系統(tǒng)的感應(yīng)區(qū)域時(shí)，只要觸及車門把手或者按下把手上的某一按鍵，駕駛員攜帶的PKE系統(tǒng)的身份識(shí)別“鑰匙”就會(huì)接收到基站發(fā)送的低頻信號(hào)，如果這個(gè)信號(hào)與“鑰匙”中保存的身份識(shí)別信息一致，“鑰匙”將被喚醒。這個(gè)過(guò)程能夠防止隨機(jī)噪聲或其他干擾信號(hào)喚醒“鑰匙”，延長(zhǎng)電池壽命。“鑰匙”上的三維全向天線輸入電路能夠保證“鑰匙”在任何方位都能檢測(cè)到汽車發(fā)出的喚醒信號(hào)。

“鑰匙”被喚醒后將分析汽車發(fā)出的認(rèn)證口令，并發(fā)送相應(yīng)高頻信號(hào)，為了提高安全性，這些信號(hào)都經(jīng)過(guò)加密處理。汽車將接收到的信號(hào)和內(nèi)部保存的信息相比較， 如果驗(yàn)證通過(guò)，則打開(kāi)車門鎖。駕駛員進(jìn)入車內(nèi)，只需按一下啟動(dòng)鍵，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)啟動(dòng)。當(dāng)然，駕駛員在按鍵的時(shí)候，PKE系統(tǒng)首先需要檢測(cè)“鑰匙”設(shè)備是否在車內(nèi)，然后完成同樣的認(rèn)證過(guò)程后才會(huì)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)駕駛員離開(kāi)汽車，只需按一下車把手或者車把手上的某一按鍵，車門就會(huì)上鎖，汽車在真正鎖定之前，同樣要檢測(cè)駕駛員的位置，并需經(jīng)過(guò)同樣的驗(yàn)證過(guò)程。

基站由一個(gè)單片機(jī)和高頻的發(fā)送器和低頻發(fā)送器與接收器組成，基站發(fā)出125KHz的低頻命令，當(dāng)智能接收器收到信號(hào)時(shí)會(huì)處理信號(hào)，信號(hào)達(dá)到一定的要求使用高頻或低頻作為響應(yīng)。智能的接收器有3個(gè)接收方向XYZ，不管信號(hào)從哪個(gè)方向送來(lái)都可以接收到這個(gè)信號(hào)，而且使用者不需要任何的按鈕。這樣的智能接收器可以自動(dòng)的接收信號(hào)、發(fā)送信號(hào)和處理信號(hào)。

當(dāng)?shù)皖l（LF）發(fā)射器檢測(cè)到觸發(fā)輸入時(shí)，將發(fā)送一條編碼的低頻報(bào)文。該信號(hào)范圍內(nèi)的任何應(yīng)答器均會(huì)接收這條報(bào)文，并對(duì)編碼的數(shù)據(jù)字段進(jìn)行驗(yàn)證。如果發(fā)射器被識(shí)別，將發(fā)送一條RF加密編碼報(bào)文。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RKE接收器對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，如果被識(shí)別，將進(jìn)行相應(yīng)的操作。

常見(jiàn)的無(wú)鑰匙系統(tǒng)工作模式分兩大類：觸發(fā)模式和掃描模式（polling），其中觸發(fā)模式分為機(jī)械觸發(fā)和電子感應(yīng)觸發(fā)，這里需要綜合考慮系統(tǒng)成本和系統(tǒng)性能，例如整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。引擎防盜基站模塊是低頻通訊模塊（125KHz），用來(lái)實(shí)現(xiàn)跟鑰匙的近距離通訊，發(fā)動(dòng)引擎，這一功能是備用方案，又稱“無(wú)電模式”，只有在鑰匙電池耗盡或者有意外干擾無(wú)鑰匙系統(tǒng)導(dǎo)致無(wú)法正常工作時(shí)才會(huì)采用。這種情況下，用戶只需要手持鑰匙放在固定位置（例如凹槽），鑰匙就可以跟基站建立通訊，進(jìn)行身份認(rèn)證來(lái)啟動(dòng)引擎。NXP的無(wú)鑰匙系統(tǒng)PCF7952和PCF7953的一大特色就是芯片本身集成了引擎防盜功能。

低頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊是無(wú)鑰匙系統(tǒng)的基本通訊鏈路，低頻發(fā)射采用 125KHz，為上行鏈路，由車子端發(fā)送至鑰匙端；射頻接收采用315MHz或434MHz，為下行鏈路，由鑰匙端發(fā)送至車子端。之所以采用125KHz，一方面是為了兼容引擎防盜的相關(guān)技術(shù)，更為重要的是125KHz的信號(hào)對(duì)距離。主芯片是NXP的PCF7952，射頻發(fā)射芯片采用NXP的PCF7900，相應(yīng)的在車子端的射頻接收芯片是NXP的PQJ7910。PCF7952/ 53具有低頻模擬前端（LF FrontEnd），用來(lái)連接外圍3D天線。在無(wú)鑰匙系統(tǒng)中，鑰匙端需要外置3D低頻天線，可以接收檢測(cè)外部空間的3D能量場(chǎng)強(qiáng)，分別為X，Y，Z軸，通過(guò)疊加3個(gè)方向上的能量，可以保證鑰匙在任何角度都能檢測(cè)到同樣的場(chǎng)強(qiáng)。其中的一軸天線還被復(fù)用為IMMO的功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)電模式下的引擎啟動(dòng)。通過(guò)上行和下行鏈路，鑰匙跟汽車可以建立起雙向通訊，進(jìn)行復(fù)雜的身份認(rèn)證。最新的一代認(rèn)證技術(shù)稱為交互認(rèn)證技術(shù)（Mutual-Authentication），不僅僅需要汽車來(lái)認(rèn)證鑰匙，同時(shí)也需要鑰匙來(lái)判斷車子是否合法，任何錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通訊結(jié)束，以此來(lái)保證系統(tǒng)的安全性。通訊距離是由低頻上行鏈路125KHz決定，通常的PKE系統(tǒng)工作有效距離為2.5m左右，而實(shí)際有效開(kāi)關(guān)門距離為1.5m～2m。除了車內(nèi)外檢測(cè)精度以外，鑰匙端的功耗也是衡量一個(gè)無(wú)鑰匙系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)，PCF7952自帶的電源管理模塊可以最大程度的降低整個(gè)系統(tǒng)功耗，一套成熟的無(wú)鑰匙系統(tǒng)方案，鑰匙端在一顆2032的3V鋰電池供電的情況下，電池壽命可以長(zhǎng)達(dá)三年。

該數(shù)字信號(hào)處理芯片NXP PCF7952內(nèi)，包含了8K ROM，192K RAM， ADC， 512Byte的EEPROM，4K ERPOM。AD控制器的精度為12位，并且有24個(gè)I/O口， 內(nèi)置RC振蕩器，對(duì)于低頻信號(hào)處理部分，該芯片包含了3維天線的前端硬件接受以及預(yù)處理器，用有8位RISC的內(nèi)核處理器。

接下來(lái)是對(duì)無(wú)鑰匙啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)防盜模塊的軟件流程分析，該系統(tǒng)由點(diǎn)火控制信號(hào)作為輸入，由基站讀取鑰匙端ID信息，從而先進(jìn)行鑰匙端的一級(jí)認(rèn)證，將得到的認(rèn)證隨機(jī)碼存入EEPROM， 經(jīng)過(guò)低頻與高頻信號(hào)的收發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，在基站處通過(guò)防盜固有的AES密鑰算法進(jìn)行處理并將隨機(jī)碼解碼，與EEPROM預(yù)存的密鑰信息進(jìn)行匹配分析，在結(jié)果pass后進(jìn)而向ECM進(jìn)一步認(rèn)證，如果不通過(guò)則鎖止發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)。