遙控車門開關的安全系統(tǒng)解決方案

? 遙控車門開關PKE(Remote Keyless Entry)方案對于汽車的配置來說，已經作為一種標準配置，成為汽車不可或缺的部分。RKE系統(tǒng)對于提高汽車的防盜性、控制性有重要意義。大多數RKE系統(tǒng)具有汽車防盜、報警功能以及用于汽車、行李箱的門禁控制，其中一些系統(tǒng)還包括遙控啟動汽車和汽車尋找的功能。新一代RKE有望采用雙向通信，安裝在汽車內的接收裝置會發(fā)送數據，為司機提供油量和輪胎壓力等信息。

??? RKE系統(tǒng)設計中的最大挑戰(zhàn)是在RKE發(fā)射機和接收機中實現低功耗，同時實現遠距離通信與高可靠性；特別作為一種開關門禁系統(tǒng)，有關安全性方面的問題也是至關重要的。本設計提出一種高安全性RKE系統(tǒng)的實現方案，詳細介紹了系統(tǒng)的硬件原理電路、軟件流程設計以及實現編碼解碼的原理。

1? 系統(tǒng)總體設計
1．1 RKE系統(tǒng)的工作原理
??? RKE系統(tǒng)由類似鑰匙扣的發(fā)射機和安裝在車內的接收機構成。通常工作在315～450 MHz的IsM頻段。在歐洲開放了868 MHz頻段，以滿足遙控車門開關系統(tǒng)日益增長的需求。
??? 圖l為RKE系統(tǒng)的簡單框圖。由框圖可以看出，用戶按下鑰匙扣上的按鈕開關即可觸發(fā)系統(tǒng)工作，喚醒RKE鑰匙扣內部的CPU，CPU則發(fā)送數據流到射頻(RF)發(fā)射機。數據流通常是64～128位長，包括1個前置位、1個命令碼和1個滾動碼，采用2～20 kHz的發(fā)送速率。在車內的RKE射頻接收機捕捉射頻信號并解調，傳送數據流給cPu，由cPu對數據進行譯碼并發(fā)送指令到指令模塊。調制方式為幅度鍵控(AsK)，主要目的是延長鑰匙扣的電池壽命。

1．2 RKE系統(tǒng)的設計要求
??? RKE系統(tǒng)設計的關鍵是在低電流消耗下實現具有穩(wěn)定性、可靠性和保密性的低成本系統(tǒng)。因此系統(tǒng)對功耗、收發(fā)距離、可靠性和保密性的設計要求是至關重要的。
(1）功耗管理
??? 對于發(fā)射機，電池需要3～5年的壽命；對于接收機，電池壽命同樣重要。因為接收機必須始終保持工作狀態(tài)，監(jiān)聽用戶數據的傳輸。典型指標要求，平均電流不超過1 mA。解決這個問題的方法之一就是，讓接收機在一段重要時間內保持工作狀態(tài)，保證這段時問足夠長以判定是否存在合法的傳輸；而接收機在剩余的時間里休眠，同時接收機必須具有快速喚醒的能力，以最大化利用已存儲的能量。
(2)收發(fā)距離與可靠性
??? RKE應用需要好的收發(fā)距離和可靠的傳輸。提高接收機的靈敏度和發(fā)射機的功率(電流消耗沒有顯著增加)直接影響到收發(fā)距離與可靠性。顯而易見，低成本是一個要求，因為需要安裝百萬個這樣的系統(tǒng)。
(3）安全性
??? RKE系統(tǒng)的通信數據應該具有保密性，不易被他人竊取。早期使用固定密碼方式，容易被破解；近來的RKE系統(tǒng)逐漸采用具有跳變編碼功能的集成電路實現，大大提高了安全性。

2? 硬件電路設計
??? RKE系統(tǒng)是由鑰匙扣發(fā)射模塊和車內接收模塊組成的。
2．1鑰匙扣發(fā)射模塊
??? 鑰匙扣發(fā)射模塊由按鈕開關、CPU、射頻發(fā)射器和鈕扣電池組成，電路原理如圖2所示。模塊采用3 V的鈕扣電池供電。表1為50 Ω輸出時，不同頻率下元件參數值，其數值受PCB布局的影響。

（1）按鈕掃描
??? 發(fā)射模塊接入3個按鈕，分別作為上鎖、解鎖、尋車功能，分別與微控制器DS80C323的3個外部中斷INTO、INTl和INT3相接。按下任一按鈕是將DS80C323喚醒，并進入相應的中斷處理程序中。處理完畢后，重新進入待機模式。3個LED分別顯示3個按鈕的狀態(tài)。有按鈕按下時，相應的LED會被點亮。
(2)微控制器DSSOC323
??? DS80C323是Maxim公司出品的一款低功耗快速單片機，其在外部電路的接法以及操作指令方面完全兼容80C51系列。DS80C323具有6個外部中斷，并具有電源故障管理功能，工作電壓范圍為2．7～5．5 V。
??? DS80C323的功能是利用其外部中斷對按鈕進行掃描，并將掃描的結果加密編碼，通過P1．O送給發(fā)射器的數據端DATA。DS80C323的P1．1控制發(fā)射器的喚醒。
(3)射頻發(fā)射器MAX1472
??? MAXl472是VHF／UHF基于鎖相環(huán)的ASK／00K發(fā)射器，工作在300～450 MHz頻段，支持高達100 kbps的數據速率。當工作電壓降至2．1 V時脫離單節(jié)鋰電池工作，在待機模式僅消耗100 nA的電流；匹配于50Ω系統(tǒng)時，MAXl472的功率放大器能夠提供+10 dBm的輸出電平，并保持高于43％的效率。MAXl472發(fā)射機特別適合于低成本、高容量、體積是關鍵因素的應用。
??? 一旦MAXl472的使能引腳電平有效，MAXl472僅需250μs便可使PLL和晶振穩(wěn)定工作并發(fā)射數據。MAX1472使用基于晶體的PLL，避免了許多基于LC濾波或者SAW發(fā)送器的常見問題。內部固有的晶體頻率精度需要更窄的接收機中頻帶寬，以改善系統(tǒng)靈敏度。使用MAXl473，可將中頻帶寬從600kHz減至50 kHz，獲得9 dB的靈敏度改善。靈敏度的改善意味著RKE系統(tǒng)可實現更長距離傳輸和更高的傳輸可靠性。
2.2車內接收模塊
??? 車內接收模塊由射頻接收器、微控制器和汽車指令執(zhí)行機構等組成。射頻接收器將接收到的00K調制數據解調為原始數據；微控制器將原始數據解碼去密得到有效的指令信息，并送給指令執(zhí)行機構，由指令執(zhí)行機構完成相應的動作。
??? 考慮到車內接收模塊要始終處于工作狀態(tài)，微控制器仍使用快速低功耗的DS80C323，并由DS80C323控制接收器處于工作／休眠交替的間歇休眠狀態(tài)。

??? 對于射頻接收器，使用與發(fā)射器MAXl472配對的MAXl473。MAXl473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差ASK接收器，
工作在300～450 MHz頻段，具有一114 dBm的高靈敏度、高于50 dB的鏡像載波抑制。這款芯片在關斷模式下電流消耗低于1．5μA，在接收模式電流消耗為5．2 mA。MAXl473可接收最高達100 kbps的數據速率，從關斷模式到有效數據輸出的過渡時間小于250 μs。MAXl473包含一個一級自動增益控制(AGC)電路，在射頻輸入信號電平大于一57dBrm時，可降低低噪聲放大器(LNA)35dB的增益。接收器使用帶有接收信號強度指示(RSSD的10．7 MHz中頻濾波器，帶有集成壓控振蕩器VCD的片上鎖相環(huán)(PLL)以及基帶數據恢復電路。MAXl473僅需很少的外圍元件即可構成RKE系統(tǒng)接收模塊的射頻前端，如圖3所示。

3? 系統(tǒng)軟件流程設計
??? 發(fā)射端軟件流程如圖4所示，接收端軟件流程如圖5所示。

??? 按所處理任務的不同，接收模塊分為三種工作狀態(tài)：喚醒與休眠交替的監(jiān)聽狀態(tài)、接收數據的狀態(tài)和處理接收數據的狀態(tài)。接收系統(tǒng)應始終處在間歇休眠的狀態(tài)，以監(jiān)聽外來的信息。當收到有效的通信命令后，觸發(fā)系統(tǒng)接收數據。數據接收完畢后，對數據進行相關的處理，并有執(zhí)行機構完成相應的操作，而接收系統(tǒng)則重新進入監(jiān)聽狀態(tài)。

4? 系統(tǒng)編碼解碼設計
??? 總體上講，一個單向RKE系統(tǒng)由一個控制端(鑰匙扣發(fā)射模塊)與一個執(zhí)行端(車內接收模塊)組成。其中控制端將控制信息經過編碼、調制后發(fā)射，執(zhí)行端則接收、解調、解碼并根據控制信息執(zhí)行相應的操作。單向RKE系統(tǒng)的安全關鍵在于編碼。早期使用固定密碼方式容易受到“無線偵聽”，易被破解。這里使用跳變密碼技術，可有效地避免“無線偵聽”，提高安全性。以下介紹系統(tǒng)編解碼設計原理。
??? 系統(tǒng)通過微控制器DSC80C323軟件編程實現編解碼過程。
??? 編碼過程如圖6(a)所示。編碼器檢測到按鍵輸入，把系統(tǒng)從省電狀態(tài)中喚醒，同步計數加l，與序列號一起經密匙加密后形成密文數據，并同鍵值等數據發(fā)送出去。由于同步計數值每次發(fā)送都不同，即使是同一按鍵多次按下也不例外。同步計數自動向前滾動，發(fā)送的碼字不會再發(fā)生。滾動范圍為216個記數值。傳送過程中有新的鍵按下，則終止當前發(fā)送并開始新的傳送；否則，不管是不是按鍵已經松開，完成發(fā)送并進入休眠狀態(tài)。
??? 解碼過程如圖6(b)所示。解碼電路接收到數據包后，將鍵值與密文分開，并將密文用密匙解密后還原為序列號和同步計數值，并在核對序列號及同步計數值后依照鍵值驅動相應的執(zhí)行機構。

結語
??? 汽車防盜、報警功能以及門禁控制將成為汽車安全控制系統(tǒng)必備的功能之一。通過對Maxim公司的發(fā)射器MAXl472、接收器MAXl473以及微控制器芯片DS80C323等器件的應用，得出一套較為完整的遙控車門開關系統(tǒng)的原理和設計方案。該系統(tǒng)在低功耗、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優(yōu)勢，可使RKE系統(tǒng)有效控制范圍擴大一倍。目前，我們正在這方面繼續(xù)努力，爭取開拓更加廣闊的應用空間。