基于AES技術的汽車遙控系統(tǒng)設計

吳震云，方政

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

基于AES技術的汽車遙控系統(tǒng)設計

吳震云，方政

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

汽車遙控系統(tǒng)是客戶體驗的關鍵技術之一，文章介紹了一種基于AES加密協(xié)議的遙控系統(tǒng)設計方案。主流的遙控加密協(xié)議主要為KEELOQ及AES技術，其中AES算法具備可擴展性好，對硬件依賴小，安全性高等優(yōu)點；本系統(tǒng)由遙控發(fā)射和接收模塊組成，設計過程包含了硬件設計，阻抗匹配、PCB設計、通信策略定義等環(huán)節(jié)，并通過射頻指標測試保證了設計的可靠性。該系統(tǒng)具有安全性高、可靠性好、抗干擾能力強等特點。

AES技術；遙控接收模塊；遙控發(fā)射模塊；通信策略

引言

遙控是汽車的一個關鍵配置，也是顧客使用車輛首先接觸的電子功能，客戶對車輛第一個性能感受往往也來至于此：響應是否靈敏，遙控距離是否足夠等等。影響遙控的因素很多，如相關部件的輻射騷擾，貼膜影響，后裝電器影響，有外部環(huán)境條件，也有遙控系統(tǒng)本身的器件一致性問題等等，所以遙控設計可靠性至關重要，本文設計的是一種基于AES算法的遙控發(fā)射接收系統(tǒng)，不僅通過模塊軟、硬件設計分析實現(xiàn)了系統(tǒng)遙控功能，并利用測試設備和實車驗證完成了系統(tǒng)的可靠性測試驗證。

1 算法的前期分析

在無線遙控安全系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信時通常采用編解碼的方式進行加密傳輸。主流的遙控加密協(xié)議主要為 KEELOQ及AES技術。其中KEELOQ技術應用于通信中，安全性較好。同一條命令，經(jīng)KEELOQ編碼后每次得到的碼字在很長周期內(nèi)都不相同且是無規(guī)律的變化，發(fā)送方發(fā)送的碼只能被一個特定的對象有效接收，接收方只有預先取得（通過學習）發(fā)送方的加密鑰匙后，才能對接收到的數(shù)據(jù)進行有效解密，接收方能隨時清除自己保存的學習信息，使原來的發(fā)送方不能控制自己，這樣能有效避免第三方非法使用。實現(xiàn)KEELOQ技術受限于硬件，首先在使用KEELOQ芯片時，還需要一個MCU實現(xiàn)控制，成本較高；其次當系統(tǒng)建成后，開發(fā)者如果想只通過軟件升級來擴充系統(tǒng)的容量或提高系統(tǒng)的性能、依賴硬件實現(xiàn)KEELOQ技術基本不可能；最后對按鍵信令編碼只停留在檢錯這一層面上，沒有作糾錯層面的編碼。

對比KEELOQ技術，AES算法具備以下優(yōu)點：可擴展性好，現(xiàn)行的批量芯片皆支持AES算法，對硬件依賴性小，不同的平臺皆可擴展；加密算法代碼開源，可節(jié)省代碼級測試，可靠性高；同時128位加密設置，安全性較以前KEELOG算法高，且代碼通用性平臺化強，節(jié)省開發(fā)時間和調(diào)試時間。

2 遙控系統(tǒng)模塊設計

整個系統(tǒng)主要由主處理器 MCU。遙控接收模塊，遙控發(fā)射模塊、鎖驅(qū)動模塊組成，系統(tǒng)的工作流程為遙控發(fā)射模塊→遙控器微帶天線發(fā)射→信號在空氣里傳輸→信號在車廂內(nèi)傳輸→ BCM微帶天線接收信號→（低噪放→）射頻接收芯片數(shù)據(jù)處理解調(diào)→ 解調(diào)的數(shù)據(jù)傳輸給 MCU→驅(qū)動鎖模塊，系統(tǒng)工作的每個環(huán)節(jié)疏忽都能造成遙控性能的可靠性降低，這里主要介紹遙控的發(fā)射和接收模塊。

2.1 遙控接收模塊

遙控接收模塊主要由微帶天線、低噪放電路、聲表濾波器、接收主芯片組成，每級電路都有阻抗匹配的要求。

圖1 接收模塊原理框圖

電源部分的LDO選用BD3571，電源通過電容濾波，電壓采樣，經(jīng)過防反接二級管，TVS管接入BD3571穩(wěn)壓到5V ，經(jīng)過電解電容和濾波電容降低紋波，同時滿足電壓跌落試驗要求。主處理器部分選擇單片機為飛思卡爾 S9S12G，封裝為64 tssop封裝；EEPROM主要存儲遙控鑰匙ID和滾碼參數(shù)，選擇93LC46芯片，電路接入如圖2。

圖2電路與單片機接口為SPI接口，可擦寫100萬次的數(shù)命。射頻接收芯片為TDA5235，該芯片優(yōu)點為芯片靈敏度相對偏高（FSK模式下靈敏度優(yōu)勢更明顯）、集成跳頻功能、外置中頻濾波器增強中頻濾波效果。

圖2 EEPROM接入電路

射頻接收外圍接口電路部分主要關注點：天線部分長度為16.7cm，進入芯片部分要做到50歐姆阻抗匹配，天線部分盡量遠離焊盤和鋪地。聲表濾波器部分：

圖3 聲表濾波器電路

聲表濾波器 B3743及匹配電路插入損耗為 2.5dB。433.92MHz±500KHz外實現(xiàn)了20dB以上的抑制，±1MHz以外實現(xiàn)了45dB以上的抑制。

2.2 遙控發(fā)射模塊

發(fā)射模塊的硬件結構如圖4所示。

圖4 鑰匙原理框圖

接收模塊采用英飛凌PMA7105/7110，集成MCU和射頻發(fā)射模塊與一體，發(fā)射功率可根據(jù)需要配置不同的等級，其中PMA7110比PMA7105多了ADC和低頻125KHz功能：

圖5 PMA7110結構框圖

本系統(tǒng)匹配電路：匹配振蕩器采用 SMD3225封裝的18.08MHz，按鍵開關SKRPADE010，開關壽命10萬次。

2.3 PCB設計

印板PCB設計應考慮如下問題：

1）天線長度為光速除以射頻載波頻率，約等于16.6CM的長度；

2）天線周圍1cm的范圍為禁止布線和覆銅區(qū)域；

3）天線不能出現(xiàn)拐角和過多過孔；

4）天線前級匹配電路部分應做到50歐姆阻抗匹配；

5）振蕩器底下和背面禁止走線和覆銅，起振電容盡可能選擇精度高其間，放置靠近振蕩器；

6）TVS管盡量靠近接插件附近，保護后級器件不被外部損壞；

7）電源層和地層必須整塊，不要做過多的分割。

3 系統(tǒng)軟件通信策略

遙控鑰匙能夠向BCM發(fā)送合法的信號，從而使BCM執(zhí)行相應鎖控制功能。

3.1 編碼格式

主要采用Manchester（曼徹斯特）編碼，編碼形式如下圖：

圖6 編碼形式對比

本設計標準設計采用曼徹斯特編碼，非差分曼徹斯特編碼和NRZ編碼。

3.2 RF幀格式描述

幀數(shù)：每次發(fā)送的消息至多包含2個code word。而且每幀數(shù)據(jù)間除了安全間隔不能有額外的時間損耗。

圖7 發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

喚醒與前導場：前導場的長短決定后面有益于數(shù)據(jù)的噪聲干擾，前導碼越長后面數(shù)據(jù)段越干凈，同步導引越長。但是前導碼越長，整的數(shù)據(jù)發(fā)送時間加長，電池使用壽命縮短，確保能夠喚醒后級處理器。前引導碼越短，同步導引越短，數(shù)據(jù)噪聲越大；數(shù)據(jù)發(fā)送時間縮短，有益于電池壽命，不利于后級處理器的喚醒?？紤]一致性和通用性，我們將引導碼定為18個字節(jié)的數(shù)據(jù)Manchester編碼，數(shù)據(jù)速率為數(shù)據(jù)速率。

18字節(jié)的引導碼定義如下：

圖8 引導碼數(shù)據(jù)定義

1字節(jié)幀頭為了區(qū)分引導碼和數(shù)據(jù)碼。

報文：Payload由128位數(shù)據(jù)組成，編碼格式為Manchester形式。

Byte 0–Byte 3 = 4個字節(jié)跳碼

Byte 4–Byte 6 = 3個字節(jié)主機廠標識

Byte 7–Byte 10 = 4個字節(jié)鑰匙ID

圖9 數(shù)據(jù)組成

Byte 11–Byte 12= 2個字節(jié)執(zhí)行命令碼

Byte 13–Byte 13 = 1個字節(jié)鑰匙信息狀態(tài)

a）Bit 0- Bit 1 = 2 位數(shù)據(jù)位電池狀態(tài)信息

b）Bit 2 -Bit 7 = 6 為數(shù)據(jù)位預留狀態(tài)信息

Byte 14–Byte 15= 2個字節(jié)為遙控設置擴展預留。

1）跳碼

跳碼有多種實現(xiàn)形式，這段碼字本身沒有任何作用，主要是在每次按鍵后跳碼發(fā)生改變。那么在加密后整個數(shù)據(jù)發(fā)生本質(zhì)的改變，增加我們的秘鑰的可靠性。跳碼在每次按鍵情況下，直接以加 1。在鑰匙學習后保存在接收模塊的EEPROM中，每次命令接收成功后接收端都會保存跳碼值。當鑰匙端發(fā)送的跳碼值大于接收端存儲的跳碼值時，本次命令有效。執(zhí)行命令并存儲跳碼值。

其軟件控制框圖如下圖：

圖10 跳碼設計軟件框圖

跳碼初始值為0，每次按鍵加1，溢出按鍵次數(shù)為2的32次方，溢出需要按鍵次數(shù)為次數(shù)大于42億次。

2）主機廠標識

2個字節(jié)表示供應商代碼和主機廠的車型標識。

圖11 標識數(shù)據(jù)格式

3）鑰匙ID

序列號為鑰匙的ID，每個鑰匙的ID不一致，共32位表示，可生產(chǎn)2的32次方個鑰匙數(shù)量不重號。

4）命令字節(jié)

按鍵命令信息為2個字節(jié)的信息數(shù)據(jù)，組成見下圖：

圖12 按鍵命令信息定義

考慮后期遙控器成品平臺化，字節(jié)數(shù)據(jù)規(guī)定了如下命令信息：遙控Lock按鍵信息，遙控上鎖；遙控 Lock按鍵長按，一鍵升窗；遙控Unlock按鍵信息，遙控解鎖；遙控 Unlock按鍵長按,一鍵降窗；遙控 Search按鍵信息，遠距離尋車;遙控Trunk release按鍵信息，后備門鎖解鎖；遙控學習信息，遙控鑰匙學習匹配；

其余數(shù)據(jù)為硬件和軟件命令預留。

5）鑰匙信息狀態(tài)

第13字節(jié)中 Bit 0- Bit 1為鑰匙電池狀態(tài)信息。

4 系統(tǒng)調(diào)試測試

除了進行相關的硬件調(diào)試之外，還需進行部分遙控的系統(tǒng)測試，其中包含丟包率測試、距離測試、抗干擾測試等等。

圖13 遙控距離測試示意

丟包率測試主要考察遙控系統(tǒng)穩(wěn)定性，根據(jù)遙控的距離要求發(fā)射功率調(diào)整到某一數(shù)值，測試時樣件內(nèi)置于 TEM 屏蔽箱。遙控器軟件設置成單鍵觸發(fā)，觸發(fā)后梅隔2秒發(fā)射一次，直到 20000次自動停止發(fā)射。接收模塊軟件設置成每接收一次有效遙控信號則計數(shù)加1，并保存。測試結束后讀取數(shù)據(jù)，查看丟包率數(shù)值，本設計要求丟包率小于0.1%為合格。

距離測試設置 0°～360°每 15°在 5m、10m、15m、20m、25m 處按遙控器 10次，記錄有效次數(shù)，最后計算可靠性。

遙控系統(tǒng)抗干擾測試則包含停車庫、高壓線下、交流電焊機附近、雨淋按等等工況遙控距離測試

5 總結

基于 AES加密協(xié)議的汽車遙控系統(tǒng)主要是針對KEELOQ可擴展性以及可靠性缺陷進行優(yōu)化設計的。該系統(tǒng)射頻接收部分采用接收芯片為TDA5235，發(fā)射部分采用英飛凌 PMA7105/7110。遙控系統(tǒng)通過了硬件試驗驗證和系統(tǒng)的匹配測試，并在產(chǎn)品化過程中證明了該系統(tǒng)在可靠性和可擴展性上都是可以滿足要求的。

[1] 張俊林 滾動碼技術在汽車防盜系統(tǒng)中的應用. 工業(yè)控制計算機,2010,3:111-112.

[2] 丁飛,余水寶. 遠程防盜汽車 PKE系統(tǒng)設計. 電子科技,2012,7：118-120.

[3] 鐘志堅. 基于滾動碼及采用射頻識別的汽車防盜器技術. 科技創(chuàng)新與應用,2014,4:32.

Design of automobile remote control system based on AES Technology

Wu Zhenyun, Fang Zheng
( Anhui Jianghuai Automobile Group Limited by Share Ltd Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

Automotive remote control system is one of the key technologies of customer experience.This paper introduces a design scheme of remote control system based on AES encryption protocol. The main remote control encryption protocol is mainly KEELOQ and AES technology, in which AES algorithm has good scalability, less hardware dependence, high security advantages; The system consists of remote control transmitter and receiver module, the design process includes hardware design, impedance matching, PCB design, communication strategy definition and other aspects,and through the RF index test to ensure the reliability of the design. The system has the characteristics of high security,good reliability and strong anti-interference ability.

AES technology; remote control receiving module; remote control transmitting module; communication strategy

CLC NO.: U461 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-72-04

U461 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-72-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.023

吳震云，男，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。