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被动式无钥门控系统的研究与设计 摘要 随着电子技术在汽车防盗装置上的应用，各种电子防盗装置相继出现，但 汽车被盗、失窃案件仍有增无减。各汽车生产厂家都在竞相改进防盗装置，来 增强其安全性、可靠性。当前，随着无线电技术的开发和利用，尤其是电脑技 术的投入使用，汽车防盗技术已走向自动化、智能化的发展道路。 本文对传统的汽车门控系统进行了深入的研究和分析，发现其安全性很低。 传统的汽车遥控门控( r k e ) 系统是单项传输固定码的门控系统，其保密性是靠 提供编码长度来实现的，无法对付专业偷车人员记录重发，或尝试所有可能的编 码等方式盗窃汽车。 本文设计了一种基于滚码技术的被动式无钥门控( p k e ) 系统，该系统无需 人工干预，钥匙持有者轻碰车门，便可打开车门。滚码技术是一种多变化、抗 截获、高可靠性的加密技术，其传输编码采用了非线性位加密。被动式无钥门 控系每次发送的滚码都是唯一的、不规则的，一次性有效，无法预测、跟踪、 截取、破译，从而有效的克服了传统门控系统的缺点。 本文对系统的硬件进行了设计与调试，主要包括外部l c 谐振电路、u h f d a t a 发射电路、u h f d a t a 接收电路、1 2 5 k h z 低频发射电路等。本文还在硬件的基础 上，设计了系统的软件，解决了r f l f 通信及滚码加密等关键技术问题。最后， 对系统进行整体测试。测试结果表明，该系统在成本，功耗，通信距离及安全 性方面均达到设计指标。 关键词：p k e ：滚码；低频唤醒；射频通信；脉觉调制 r e s e a r c ha n d d e s i g no fp a s s i v ek e y l e s se n t r ys y s t e m a b s t r a c t a st h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yo nv e h i c l ea n t i t h e f td e v i c e s ，av a r i e t yo f e l e c t r o n i ca n t i t h e f td e v i c e sh a v ee m e r g e d 。h o w e v e r ，v e h i c l et h e f tc o n t i n u e st oi n c r e a s e t h ea u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r sa r ec o m p e t i n gt oi m p r o v et h ea n t i - t h e f td e v i c e s ，t oe n h a n c e i t ss e c u r i t y ，r e l i a b i l i t y a tp r e s e n t , w i t ht h er a d i ot e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f c o m p u t e rt e c h n o l o g yi np a r t i c u l a r , v e h i c l ea n t i - t h e f tt e c h n o l o g yh a sb e e nm o v i n gt o w a r d a u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n td e v e l o p m e n t t h et r a d i t i o n a la u t o m o b i l ed o o rc o n t r o ls y s t e ma l ei n - d e p t hr e s e a c h e da n da n a l y z e di n t h ed i s s e r t a t i o n ，a n df o u n dt h a tt h e i rs a f e t yi sv e r yl o w t r a d i t i o n a lr e m o t ec o n t r o le n t r y ( r k e ) s y s t e mi sad o o rc o n t r o ls y s t e mo ft r a n s m i t t i n gf i x e d - c o d eo n e w a y , a n di t ss e c u r i t y i sp r o v i d e db yt h ec o d el e n g t ht oa c h i e v e ，a n dc a nn o td e a lw i t hc o d es c a n n i n ga n d r e c o r d i n g ，o rt r ya l lc o d e sb yp r o f e s s i o n a ls t a f f a h o p p i n g - c o d et e c h n o l o g y - b a s e dp a s s i v ek e y l e s se n t r ys y s t e mi sd e s i g n e di n t h e d i s s e r t a t i o n t h ek e yh o l d e rc a r to p e nt h ed o o rb yg e n t l yt o u c h i n gt h ed o o r h o p p i n g c o d e t e c h n o l o g yi sa l la n t i i n t e r c e p t i o n ，h i g h - r e l i a b l et e c h n o l o g y i t st r a n s m i s s i o nc o d ee m p l o y s a d v a n c e dn o n l i n e a r - b i te n c r y p t i o nt e c h n o l o g y t h eh o p p i n g - c o d es e n tb yp i l es y s t e mi s u n i q u e ，i r r e g u l a r , o n e t i m ee f f e c t i v e ，a n dc a n n o tb ep r e d i c t e d ，t r a c k e d ，i n t e r c e p t e d ，c r a c k e d ， s oa st oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a ld o o rc o n t r o ls y s t e me f f e c t i v e l y + 殛秽h a r d w a r ei sd e s i g n e da n dd e b u g g e di nt h ed i s s e r t a t i o n , i tm a i n l yi n c l u d e se x t e m a l l cr e s o n a n tc i r c u i t ，u h f d a t as e n d e rc i r c u i t ，韧雕闽陵r e c e i v e rc i r c u i t , | 2 5 薹：h zl o w f r e q u e n c yt r a n s m i t t e r 如髓l es o f t w a r eo f p k es y s t e mi sa l s od e s i g n e da n dd e b u g g e di n t h ed i s s e r t a t i o n ，a n dk e yt e c h n i c a li s s u e so fr f l fc o m m u n i c a t i o n sa n dh o p p i n g - c o d e e n c r y p t i o na r es o l v e d 。a te n do ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h ep k es y s t e mi s t e s t e de n t i r e l y , t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s u g g e s t t h a tt h e s y s t e m r e a c h sd e s i g n t a r g e t i n p o w e r c o n s u m p t i o n ，c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n ds e c u r i t y 。 k e yw o r d s ：p a s s i v ek e y l e s se n t r y ；h o p p i n g c o d e ；l fw a k e u p ；r fc o m m u n i c a t i o n ；p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ； 插图清单 图2 2p k e 系统结构5 图2 3p k e 系统开锁事件流程6 图3 一lp i c l 6 f 6 3 9 端目功能分配1 1 图3 。2 应答器l c 谐振电路1 2 圈3 34 3 3 m h z 高频发射电路l3 图3 - 4p i c l 8 f 2 6 8 0 端口功能分配1 4 图3 。5 低频发射电路。1 5 图3 - 64 3 3 m h z 高频接收电路1 6 图3 7 应答器硬件电路1 8 图3 8 车载基站硬件电路1 9 图4 1p w m 编码方式2 2 图4 。2r f 数据帧格式2 3 图4 。3l f 数据帧格式2 3 图4 4 应答器的主程序流程。2 4 图4 5 应答器的中断程序流程2 5 图4 6 基站主程序流程2 6 图4 7 基站模块的中断程序流程2 6 图5 。1 滚码发射端软件流程3 5 图5 2 滚码接收端软件流程3 5 图5 3 修改后的d e s 算法流程3 6 图6 1 应答器模块电路板实物图- 3 9 图6 。2 基站模块电路板实物图3 9 表格清单 表3 一lr x 3 3 1 0 a 个引脚功能1 7 表5 1 编码结构信息3 4 表6 1 应答器模块各部分的电流4 0 表6 2 应答器模块r f 通信距离测试记录4 0 表6 3 滚码加密算法结果验证4 l 独创性声明 本入声明所星交的学饿论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标惑和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金墅王迪太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位者擀袁t _ 蝴期： 学位论文版权使用授权书 驷矽蜀 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 匡家舂关部门或机构送交论文的复露件霹磁盘，允许论文被套阕或借阕。本入授权盒l 蒌互丝塞 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复簇手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： l 袁伊l 签字日期：州丫年争月夕日 学位论文作者毕业后去向： 王作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字网期 电谖： 邮编l 彳鸶处 弘日 致谢 本论文是在我戆导师侯整风老师的悉心指导下完成的。在本文写作嬲闻， 侯整风老师给予了我很多建设性的指导和建议，不仅帮助我顺利的完成了该论 文，还启发了我在汽车门控系统上的一些新的愚考。在此，我谨以最诚挚的心 清向侯整风老师表示衷心的感谢l 感谢韦康、划正琼老师在我论文写作期闻给予我的帮助，以及周伟、朱国 正等两学在我三年研究生学习期闯在学习主翻生活孛给予我的支持。与链粥共 度的这段学习时光充实而快乐，是我一生中最难忘的阐忆。 在此，我还要特别感谢我的父母，在我忙于学业、研究和准备论文的对候 是他们给予我最有力的支持。当我在学习、生活上遇到困难和挫折时，他们总 能在精神上给我以安慰，使我在学业上更努力，生活上更安定，精神上更坚强。 感谢我酶家人及鼷友对我的支持和帮助，以及链们炎我所做熊一切。 最羼再次衷心的感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们! 1 1 课题背景 第一章绪论 随着社会物质财富的不断增长和人民生活水平的不断提高，人们对门控系 统的要求也越来越高，既要安全可靠，又要使用方便。因此，门控系统的安全 性和人性化设计一直是生产厂商长期以来研究的主题。 汽车作为人们生活和工作中的一种不可或缺的重要工具，因而汽车门控系 统的安全性和方便性变的至关重要。传统的基于单项传输的固定码汽车门控系 统，只能提供有限的安全性保护。因为这种系统的保密性是靠提供编码长度来 实现的，露编码长度是有限的，因此只能得至# 有限的编码组合，我们把这种编 码称为固定码。目前，市场上许多防盗器均使用这种固定码( 菲滚动码，伪滚 动码) 遥控器，无法对付专业偷车人员的编码扫描和记录重发等方式盗窃汽车。 他们利用空中拦截的方式窃取固定码( 实际上我国已经发生了很多不法分子利 用无线设备窃取汽车遥控钥匙密码的案例) ，或者尝试所有可能的编码( 尝试 法) 。因此，固定码的安全性很低【l j 。 利用滚动码技术，同一动作( 如开门) ，遥控器每次发斑的编码不同，并且 每个编码只能使用一次，记录重发视为无效编码【2 】。编码具有足够的长度，保 密性很高，能够抵抗攻击者对编码进行扫攒1 3 j 。 在人性化设计方面，传统的汽车门控系统也存在不足。传统的汽车门控系 统要求驾驶人员按下开锁按钮，方可进入汽车。若驾驶入员不方便拿出钥匙并 按下按钮( 如驾驶入员刚从商场购物，双手都拿了东西) 时，便非常麻烦。而 被动式无钥门控系统则不同，驾驶入员无须拿出钥匙，只要用身体的任何部位 轻碰车门，并可以将车门打开。 应用滚码技术能够保证系统安全性，被动式极大的体现了人性化设计。因 此，被动式无钥门控系统是固定码汽车门控系统的最为理想的升级替换产品 【4 1 。 1 。2 汽车防盗技术 隧着电子技术在汽车门锁防盗装置上的应用，各种电子防盗装置相继出现， 僵汽车被盗、失窃案件仍有增无减。各汽车生产厂家都在竞相改进防盗装置， 来增强其安全性、可靠性。当前，随着无线电技术的开发和利用，尤其是电脑 技术的投入使用，汽车防盗技术已走向自动化、智能化的发展道路。以下列如 几种汽车防盗装置： ( 1 ) 汽车全方位防盗报警器。这种防盗器适用于各种大小型汽车，并且具有 全车体、全方位防盗窃自动报警功能。除车主之外的任何人开动或撬、拆、击 打汽车，都会发出大于1 2 0 d b 的强力报警声。 ( 2 ) 汽车识别钥匙。美国德克萨斯仪器公司利用无线电射频技术，研制成 功一种“汽车识别钥匙 。其原理是：将射频发射应答器嵌入汽车钥匙中，在此 应答器中存储有与特定车辆相吻合的识别码；当把识别钥匙插入电源开关并转 动时，安装在点火锁内部的转发器就读入钥匙中的识别码；如果钥匙中的识别 码与识别器的编码一致，汽车便可以发动，否则识别器不会接通电源，并锁定 点火系和供油系，汽车无法启动。此技术现已被福特汽车公司所采用。 ( 3 ) 电子开门钥匙。德国默谢台斯一本茨公司现开始生产高强防盗的豪华轿 车。这种汽车装有“电子开门钥匙挣红外线遥控器，并以其发射出肉眼看不见 的多次变换密码的光信号，来实现防盗功能。它由微型计算机与发动机的电子 控制元件相连，当车门锁闭时，能切断全部功能。这种防盗装置之所以防盗性 能好，就在于密码的随时变换，只有与之相应的遥控器才能使用和识别密码。 ( 4 ) 防盗自动开关门锁。韩国开发了一种不用钥匙而用遥控器的自动开关车 门装置。有遥控器的驾驶员接近自己的汽车约一米时，就可以自动打开车门。 同样驾驶员在发出关门信号的一秒内，车f l 即可自动锁闭。对于不带遥控装置 的任何入，着想移动车门或强制开门，报警器就会连续鸣叫2 0 s ，并切断点火 系电路。 ( 5 ) 电子编码点火钥匙。美国通用汽车公司开发出一种电子点火钥匙，其内 部嵌有一粒陶瓷珠。每把钥匙上的陶瓷珠都具有对应于不同电子编码的电阻值， 这个数值必须与汽车内作同样编码的组件相匹配。当点火钥匙插入点火开关时， 锁筒内的电触点对钥匙的电阻值进行测量，并把信息传到上述组件。如果所测 得的数值符合组件内陶瓷珠的电阻值，则汽车可以点火。没有电子编码或编码 不符的钥匙都无法使汽车点火发动。 ( 6 ) 生物特征式电子锁。美国的克莱斯勒公司与法国的尼曼公司在合作研制 一种生物特征式电子锁。这种锁的特点是将声音、指纹等人体生物特征作为密 码输入，有计算机进行识别，控制开锁。因此生物特征式电子锁的智能化程度 相当高。这也是汽车防盗电子锁的一种发展趋势。 1 3 本课题研究的旨的与意义 为解决传统汽车门控系统诸多安全问题，提高汽车门控系统的安全性，可 靠性和便捷性，本文将滚码加密技术和无线遥控技术相结合，研发新型被动式 无钥门控系统。 k e e l o q 技术是由m i c r o c h i p 公司开发的一种滚码加密技术，其存在着以下 缺陷：( 1 ) 系统安全性过分依赖与同步码；( 2 ) 传输信息将明文信息暴露在固 定码中；( 3 ) 在学习时s e e d 码的发送以盟文传输；( 4 ) 该算法受硬件设计限制， 2 灵活性差，成本较高 5 - 6 。 针对这些问题，本课题利用软件实现了滚码技术，改进了数据传输格式和 编码器学习策略，提高了破译系统的难度，保证了系统的安全性。为被动式无 钥门控系统应用提供了关键技术支持。 1 4 国内外相关技术发展现状 虽前，国内外广泛使用的汽车防盗系统大致哥以分为以下四类； ( 1 ) 机械式防盗。机械式防盗装置是比较常见面又古老的装置，其主要是 利用简单的机械式原理锁住汽车上的某一机构，以达到防盗的目的。 ( 2 ) 芯片式防盗。芯片式防盗装置在钥匙中安装密码芯片，只有芯片信息 正确的钥匙才能打开汽车马达、电路和油路，以达到防盗的目的。 ( 3 ) 网络式防盗。网络式防盗系统通过网络实现车门的开关和车辆的定位。 目前主要使用的网络有b b 机网络和g p s ( 卫星定位系统) ，其中g p s 应用最为 广泛。 ( 4 ) 电子式防盗。电子式防盗装置设计先进、结构复杂，包括启动控制、 遥控汽车和报警三部分。 国际上流行的基本是电子式汽车防盗产品，典型的电子式防盗系统有遥控 门控( r k e ) 系统和被动无钥f j 控( p k e ) 系统。当前广泛应用的是r k e 系统，p k e 系统的仍处于研发、实验与完善阶段。除r k e 系统和p k e 系统外，还有汽车识 别钥匙、电子编码点火钥匙、生物特征电子锁等等，但这些的汽车防盗装置普 遍存在结构复杂、价格昂贵、功能单一和可靠性差等缺点【7 】。要迸一步提高产 品的安全性和适用性，应将控制技术、数据通信及网络技术等应用到汽车防盗 领域。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题研究的内容主要包括无线数据通信技术，系统的低能耗设计，系统 抗于扰设计，基于滚码的数据加密技术。 无线数据通信技术。在传统的r k e 系统中，钥匙模块通过无线r f ( 高频) 信号与基站进行单尚数据通信。本系统在设计中引入了l f ( 低频) 唤醒模式， 实现了系统的双向通信，使系统更加灵活，可靠性得到了极大的提高。 系统低能耗设计。功耗是影响整个系统使用寿命的关键因素。该系统采用 了专用的低功耗器件，在硬件设计中兼顾功耗和性能指标：同时在软件设计中， 在系统闲置时使相关芯片进入睡眠模式，从而减少了电能的消耗，使电池寿命 满足要求。 系统的抗干扰设计。由于噪声和电磁屏蔽会对无线信号产生较大的干扰， 因此引入了一系列软硬件抗干扰措施，使系统工作更加可靠。 基于滚码的数据加密技术。传统的用于单向传输的安放产品主要采用固定 编码集成电路，其编解码芯片的编码长度有限，码形格式固定不变，通过捕捉 波形和跟踪扫描等方法易于破解，安全性不高。本系统采用了滚码数据加密技 术，克服了以上缺点，在数据通信之前，通过非线性位加密技术产生高保密的 滚码，每次发送的滚码都是唯一的，不规则的，极大的提高了系统的安全性。 羔6 本文的组织结构 第一章绪论。介绍了课题研究的背景，汽车防盗的相关知识，以及本文的 主要研究内容。 第二章p k e 系统的总体设计。阐述了p k e 系统的总体设计和在系统设计过 程中遇到的问题及解决方法。 第三章p k e 系统的硬件设计。阐述了车载基站和钥匙模块的硬件电路设计， 主要包括外部l c 谐振电路、u h f d a t a 发射电路、u h f d a t a 接收电路、1 2 5 k h z 低 频发射电路等。 第豳章p k e 系统的软件设计。介绍了车载基站和钥匙模块的软件设计，详 述了各模块的软件流程，并详细介绍了软件的抗干扰设计。 第五章滚码加密的实现。介绍了对称密钥密码技术和k e e l 0 0 技术，重点 阐述了本文对滚码技术的改进及其实现。 第六章系统测试及性能分析。对本课题设计的系统进行了测试，并对实验 结果进行了分析。 第七章总结与展望。对本文所做的工作进行了总结，并提出了展望。 4 第二章p k e 系统的总体设计 传统的遥控无钥门控( r k e ) 系统，驾驶人员必须主动按下钥匙上的功能按键 才能打开或关闭车门。被动式无钥门控( p k e ) 系统，在r k e 系统的基础上，增加 了人性化设计，驾驶人员无须拿出钥匙，只要用身体的任何部位轻碰车门，并 可以将车门打开。 2 1p k e 系统的总体设计 2 1 1 系统结构 圈2 - 1p k e 系统结构 系统分为钥匙和车载基站两个部分，如图2 一l 所示。 钥匙部分主要有r f 发射器、按键、m c u ( p i c l 6 f 6 3 9 ) 、三轴向a f e 组成。 在本系统中钥匙习惯被称为应答器。r f 发射器以锯意波的形式向外发射4 3 4 m h z 的高频信号；三轴向a f e 是一个低频信号的接收天线，用来接收基站发出的低 频唤醒信号。 车载基站主要包括l f 发射器、r f 接收器、m c u ( p i c l 8 f 2 6 8 0 ) 、门锁驱动几 个部分。车载基站的l f 发射器以1 2 5 k h z 的频率发射低频信号，以唤醒有效范 围内的应答器；车载基站的r f 接收器接收应答器发射的高频信号。 2 1 2 系统工作流程 如图2 1 所示，在p k e 系统中，基站和应答器可以实现双向通信，用户仅 需要携带一个应答器就可以实现免提门控操作。 圃日圜匾圈母囤 o l 葬繇蕤器璐l 黥囊蕹射l u l 差茬鬟整、1 日| 开锁ll 开锁按键 l ql 滚码数据l 验证通过i q l 丌坝 l 图2 - 2p k e 系统开锁事件流穰 如图2 2 所示，当触发事件发生时( 如用户触碰车门把手上的小按钮) ，汽 车总线会将此触发信号送交基站，基站收到触发信号后利用1 2 5 k h zl f ( 低频) 发送唤醒信号，同时不断搜索有效范围内u h f ( 超高频) 频率的应答器响应信 号。应答器通常处于待机模式，如果接收到有效的唤醒信号，应答器将通过u h f 频率向车载基站发射携带控制命令的滚码，车载基站收到滚码数据，正确解密 后，将控制命令交捌相关执行部件。 由于1 2 5 k h z 信号的传播能力较弱，双向通信的范围通常在距离车辆i 米以 内，但应答器还可以提供按键，允许驾驶人员在超过1 米范围以外，以主动模 式实现开关车门等操作。本系统的应答器通过u h f 频率向基站发送按键信息的 有效距离可以达到1 3 米。 2 2 设计中遇到的难题及解决方法 系统在设计过程中，遇到不少难题，除了增加功能性等常见问题外，设计 过程中还遇到了其它许多挑战，如减少成本、降低功耗、缩小产品尺寸和加密 安全等。 2 2 。i 功能、成本和功耗的平衡闻题 如何以具备成本效益的方式实现系统性能增强? 要实现增强的性能包括： 通信距离、天线方向性、小尺寸封装、加密安全及降低功耗等。 p i c l 6 f 6 3 9 的工作模式可被有效控制，从而节省电池电量消耗。此外，该 微控制器还须在非主动模式工作期间让最少的电路工作。应答器中的 p i c l 6 f 6 3 9 芯片同时含有低频前端与数字电路，低频前端部分总是在搜索输入 信号，而数字部分则处于睡眠模式，以节省电池电量，只有在接收到一条有效 基站命令时才被唤醒。这可在低频前端部分中使用一个特殊的唤醒滤波器来实 现。 除利用特殊的滤波器来节省电池电量外，p i c l 6 f 6 3 9 还具备专有的纳瓦 ( n a n o w a t t ) 技术，可方便系统设计人员更好地控制片上外设，如可利用几种软 6 件可选速度选项功能选择使用内部晶振。极低的睡眠电流消耗加上快速启动的 内部振荡器，可支持低功耗系统设计。其周期性唤醒机制包括低功率实时时钟 工作、超低功率唤醒与扩展的低功率看门狗定时器。凭借这些功率管理特性， 使开发者能够在应用软件中实现节能，以更好的控制功耗。 在电池供电的应答器应用中，使用u h f 的最大通信距离大约为1 0 0 米，僵 考虑功耗的阀题，本系统选择了合适的发射电路偏置电阻，没有追求最远的u h f 通信距离，焉更多考虑的是通信距离和功耗的平衡。低频( 1 2 5 k h z ) 通信距离只 能达到王米。因此，双频p k e 应答器的通信距离主要受1 2 5 k h z 基站命令作用距 离的限制。由于低频信号的非传播特性，1 2 5 k h z 信号会随距离增加而快速衰减。 如何有效地检测弱信号，也是本课题所面临的一个棘手的难题。 2 。2 。2 天线方向性问题 由天线单元辐射的任何无线电信号都会沿某个方向角传播，如果使用性能 良好的天线，信号传播的方向性更强( 或辐射焦更窄) 。由l c 谐振电路辐射的低 频( 1 2 5 k h z ) 信号虽不像高频信号那样有更好的方向性，但它仍然具有一定的方 向性。在给定的应答器设计条件下，低频信号的通信距离( 或感应电压) 取决于 基站天线与应答器天线的电感性藕合程度。当两副天线面对面相对时，其耦合 度最佳。 对于p k e 系统应用，应答器放在用户口袋中的方向可以是任意的，因此， 应答器天线面向固定基站天线方向的几率最高只有3 0 左右( x 、y 、z 方向) 。但 如果应答器有三副正交天线，则这种几率可增加至近1 0 0 ，此时，应答器可以 捕获在任何给定方向上的基站信号。 2 2 3 封装尺寸问题 为方便实现，并增强灵活性，同时保持小的占位面积，必需对m c u 和摸拟 前端之阆的集成度进行仔细评佑。这里采用了一种“双裸片单封装方案，可 基于应用要求，支持未来离不同m c u 的转换。两个功能型裸片通过一个串行外 设接口来进行内部邦定。p i c 微控制器系列支持多种封装形式。少至6 个多达 8 0 个引脚的器件都有提供。不超过2 0 个弓f 脚的封装形式是无线接入系统中空 间受限应用的理想选择。较小外形尺寸、先迸的片上外设集成以及成本效益等 多种优势的结合，使得系统设计人员能够创建性能更强大的系统，同时满足无 线系统实现的各种挑战。 2 2 4 加密安全问题 滚码技术是一种多变化、抗截获、高可靠新型加密技术。它的传输编码采 用了先进的非线性位加密技术，由加密算法及同步计数器产生滚动编码。它每 次发送编码都是唯一的、不规则的，仅一次性有效，无法预测、跟踪、截取、 破译，从而有效克服了传统编码存在的安全问题。 2 3 系统的设计目标 2 3 。1 系统的主要冒标 ( 1 ) 系统功耗 p k e 系统的钥匙的电池寿命要求在5 年以上，要达到这个指标，系统必须采 用低功耗的器件，而且器件还要能提供电流极低的休眠或待机模式。并且通过 设计合理的软件控制算法来降低r f l f 通信过程的时间和频率。 ( 2 ) 系统成本 由于汽车电子市场是一个对成本敏感的市场，只有性价比高，具有竞争力 的产品才能胜出，因此，在系统设计中，成本是一个重要阀题。 ( 3 通信质量， 由于功耗闯题及无线发射功率的管制i ；- j 题，不应该也不能够通过加大发射 功率来提高通信质量。如何在外界信号干扰的条件下，有效的提高射频接收的 灵敏度，抑制噪声，是系统通信设计的关键内容。 ( 4 ) 加密安全 安全是本系统最关键的指标。为完全防范专业的设备和专业的偷车人员， 系统必须应用安全性极高的，可靠的滚码加密技术。 2 3 2 系统的功能 ( 1 ) 无钥匙进入功能 当钥匙靠近车体时( 有效检测距离为l m ) ，车门自动开锁并解除防盗警戒状 态，当钥匙离开车体时，车门自动上锁并进入防盗警戒状态。 ( 2 ) 无线遥控功能 遥控上锁：按此按键，车门上锁，汽车进入防盗警戒状态； 遥控开锁：按此按键，车门开锁，同时解除防盗报警状态。 ( 3 ) 其他功能 遥控器低电量提示：当遥控器电池电量过低时，在无钥匙或遥控开门关门 时提示； 省电模式：系统在一段时间空闲时，自动进入省电模式。 2 4 本章小结 本章对p k e 系统进行了总体设计，介绍了系统的组成，系统的工作流程， 以及系统设计的指标。探讨了系统设计过程中遇到的难题及解决方法。 9 第三章p k e 系统的硬件设计 本章介绍p k e 系统的硬件设计，系统硬件包括p k e 应答器和车载基站两个 模块。p k e 应答器的硬件结构包含p i c l 6 f 6 3 9 器件、外部l e 谐振电路、u h f d a t a 发射器三个部分。车载基站的硬件结构包含p i c l 8 f 2 6 8 0 器件、1 2 5 k h z 发射器、 u h f d a t a 接收器、门锁驱动四个部分。 3 。l 硬 牛系统设计原则 本系统是一种单片枕系统，单片机系统的硬件电路设计应考虑两部分内容： ( 王) 系统扩展。鄄单片机内部的功能单元，如r o m ，r a m ，i 0 端阴，定时计 数器，中断系统等资源不能满足应用系统的要求时，必须在外部进行扩展。( 2 ) 系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘，显示器，打印机，a d ，d a 转换器等，要设计合适的接口电路【8 1 。系统扩展和配置应遵循下列原则： ( 1 ) 尽可能选择典型电路。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 ( 2 ) 系统的扩展与外围设备的配置应充分考虑应用系统的功能要求，并适 当留有余地，以便系统升级。 ( 3 ) 硬件和软件结构应当综合考虑，硬件与软件是相互依存的。软件能实 现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。 ( 4 ) 整个系统中的相关器件做到性能匹配。选择低功耗c m o s 型单片机作 为主控处理器时，其它器件都_ 应该选择低功耗的产品。 ( 5 ) 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可或缺的一部分，它包括芯片 和器件的选择，去耦滤波，印刷电路板布线等。 ( 6 ) 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。1 1 0 端口驱动电流较 小，设计外围电炉时必须考虑电流是否合适。驱动不足时，系统工作不稳定， 必须增加驱动能力，保证系统可靠运行。 3 。2p k e 应答器硬件结构 3 2 1p i c l 6 f 6 3 9 及外围电路 c p u 是整个控制部分的核心。在考虑经济性和满足设计需求的前提下，本系 统选用m i c r o c h i p 公司生产的8 位低功耗c m o s 单片机p i c l 6 f 6 3 9 作为p k e 应答 器主控c p u 。p i c l 6 f 6 3 9 具有以下特点【9 】： ( 1 )软件可选择频率范围：8 m h z 到3 1 k h z ； ( 2 )时钟模式切换以使器件低功耗运行； ( 3 )省电的体眠模式； l o ( 4 ) 宽工作电压范围( 2 o v - 5 。5 v ) ； ( 5 ) 独立的弱上拉下拉电阻： ( 6 ) 增强型低电流看门狗定时器( w d t ) ； ( 7 ) 高耐久性的f l a s 珏e e p r o 瓣存储单元； ( 8 ) 低功耗功能，待机电流：i n a 2 o v ； ( 9 )凑置低频模拟前端，有3 个输入弓l 脚，用于1 2 5 k h zl f 信号输入； ( 1 0 ) 2 0 4 8 字节f l a s h ，可以反复擦写l ，0 0 0 ，0 0 0 次； ( 1 1 ) 1 2 8 字节s r a m ，2 5 6 字节e e p r o m ，1 2 个i o 端口，2 个比较器。 m 辨部矗瘴 m 矾m 脯出 麓射m a a t al | 晰 u 奄缸i 慧入 摸籀鼙鞲螨( 瑚辨) 1 2 裎翳纛号荔疆遣警入 1 2 疆搬麓号l 疆遘赣入 ， k _ o 厶 程s 按羹 襄l 鼢酊 赣人棚篷 按镶 卯工f # l j e n 显示 模皴臂辅接楚( 嚣甜) 模蕺警入的裔装参考 1 2 醒轻瞻鸯籀唆赣入 图3 - 1p i c l 6 f 6 3 9 端霉功能分配 出于芯片采用7 低功耗c m o s 工艺，有省电体眠工作模式。在休眠模式下， c p u 停止工作，外围部件继续工作，所有被允许的中断及硬件复位均可结束体 眠模式。在休眠模式下，节电效果显著，符合系统的设计需要。 在本系统中，p i c l 6 f 6 3 9 端口功能分配如图3 - 1 所示，各引脚具体使用情 况如下： 2 ，3 脚接4 m 外部晶振；4 ，1 8 ，1 9 脚接i c d 2 编程器连接线；5 脚接u h f d a t a 接收电路；6 ，1 6 脚接l e d 显示；7 脚和1 8 脚相连，1 2 5 k h z 的低频信号接收 并转换成数字信号后，从7 脚输入；8 ，1 3 脚分别是模拟前端的电源和接地； 1 2 脚是模拟前端输入的公共参考；9 ，l o ，l l 脚是1 2 5 k h z 低频信号的三通道输 入；1 7 ，1 9 脚接按键。 p i c l 6 f 6 3 9 器件有三个天线连接弓| 脚，通过连接三个指向x 轴、y 轴和z 轴 的天线，应答器可随时接收来自任意方向的信号，从而降低由天线的方向性而 造成信号丢失的可能性【1 弧控j 。这是本系统选择使用p i c l 6 f 6 3 9 作为应答器主控 c p u 的主要原因。 为了保证单片机时钟不受遥控载波信号相互于扰，系统采用内部时钟震荡 方式，选用8 m h z 的内部晶振，为主控c p u 提供时钟信号。 o 9 8 7 6 5 4 3 2 z 1 1 1 1 1 1 1 1 l ，2 3 4 5 6 7 8 g 联 3 2 。2 外部l c 谐振电路 为检测低频磁场，通常使用调谐振环形电路。p i c l 6 f 6 3 9 有三个低频输入通 道，l c x 、l c y 和l c z 脚和三个外部谐振天线连接，三个天线的公共雩| 脚和l c c o m 脚连接。 l z z l m h l yl x 一0r f r j f 圈3 堙应答器酾谐振电路 如图3 - 2 所示，l e 谐振电路有三个l c 震荡电路和一个滤波电路组成。为使 天线电压最大，环形天线必须精确调谐到所需的频率。本系统中，应将天线调 谐到频率1 2 5 k h z 。式( 3 - i ) 给出了l e 震荡电路的震荡频率的计算方法： 厶= - 一 ( 3 1 ) 。o 2 = z z - c 、。 其中，三为环路的电感，疗为电容。 将本系统的器件参数带入公式，得到频率约为1 2 7 3 4 k h z ，符合系统要求。 3 2 3u h f 发射器电路 射频发射电路是将传输码进行调制，以无线电波的形式向空中发射。下列 是一些相关基本概念： 调制：用一个频率较低的信号去控制( 改变) 另一个频率高的多的信号的 幅度、频率或相位。这种用一个信号的变化规律去改变另一个信号的变化规律 的过程称为调制。 载波：在调制过程中，频率高的多的那个信号被称为载波。 1 2 调幅：用一个低频信号去改变另一个高频载波信号的幅度，是载波的幅度 按低频波的变化规律发生变化。 a s k 调制：即幅移键控调制( a m p l i t u d e s h i f t k e y i n gm o d u l a r i o n ) 。用载 波信号的两个不同幅度表示二进制的两个值，a s k 调制是调幅方式的种。 o o k 调制：通断键控调制( o n - o f f i c ek e y e dm o d u l a t i o n ) 。在幅移键控中， 载波幅度是随着调制信号变化的。其中，最简单的方式是载波在二进制调制信 号控制下通断，鄂1 0 0 的调幅。这种方式称作开一关键控调制( o o k 调制) 。 o o k 调制电路简单，容易实现，工作稳定，因此在汽车报警器，仓库大门， 以及家庭保安系统中，广泛的使用了这样的电路。发射电路使用l c 振荡模式， 频率漂移严重。为解决这一问题，本系统采用声表面谐振器( s a w ) 稳频，可实 现点频接收，可靠静噪【i 引。 u h f d a t a 高频发射电路如图3 - 3 所示，调制方式为o o k ( 通断键控) ，发射频 率为4 3 3 m h z ，采用s a w 稳频，频稳度高。控制命令经滚码编码，p w m ( 脉宽调 制) 编码( 详细介绍见第四章) 艨成为待发射数据u h f d a t a ，并由p i c l 6 f 6 3 9 的 p o r t c 嚣的r c 5 移位输出，进行发射。当输出为高电平时，驱动发射电路z 作， 输出为低电平时，发射电路截止。当所有数据发射完成后，本次通信结束。 鼍r 图3 - 34 3 3 m h z 舞频发射电路 。 3 。3 车载基站的硬件结构 3 3 1p i c l 8 f 2 6 8 0 及外围电路 本系统选用m i c r o c h i p 公司生产的8 位低功耗c m o s 单片机p i c l 8 f 2 6 8 0 作 为车载基站部分主控c p u 。p i c l 8 f 2 6 8 0 其有以下特点瑟4 j ： ( 1 ) 内部晶振可提供8 种频率选择，从8 m h z 到3 1 k h z ； ( 2 ) 时钟模式切换以使器件低功耗运行； ( 3 ) 省电的休眠模式； ( 4 ) 工作电压范围为4 2 v - 5 5 v ： ( 5 ) 提供不同优先级中断； ( 6 ) 增强型低电流看门狗定时器( w d t ) ； ( 7 ) 可编程代码保护； ( 8 ) 嵩耐久性的f l a s e e p r 蹦存储单元，保存时间超过4 0 年； ( 9 ) 逶过两个引脚可以实现在线调试( i c d ) ； ( 1 0 ) 肉置一个c c p i ( e a p t u r e e o m p a r e p w m ) 模块； ( h ) 6 5 5 3 6 字节f l a s h ，可以反复擦写1 ，0 0 0 ，0 0 0 次； ( 1 2 ) 3 3 2 8 字节s r a m ，1 0 2 4 字节e e p r o m ，2 8 个i o 端口； ( 1 3 ) 提供s p i 接口。 在本系统中，p i c l 8 f 2 6 8 0 具体的端口分配如图3 - 4 所示： i c d 2 连接线电澡 l e d l l e d 2 l e d 3 s p i 接舀嚣s 信号线 v s s 外部晶振 低频信号的p w m 输出 s p i 接s ：c l k 信号钱 o 心 “ _ o 一 疋 i c d 2 遴接线p g d i c d 2 连接线p g c 按键 高频信号静掰毓输入 w ) d v s s s p i 接口的s d 0 信号线 s p i 接爵的s d a t 青号线 圈3 - 4p i c l 8 f 2 6 8 0 端口功能分配 各引脚具体使用情况如下： l 、2 7 、2 8 脚分别接i c d 2 连接线的电源、p g c 和p g d ；2 、3 、4 脚接l e d , 9 ， l o 脚接4 磋外部晶振；2 0 脚接电源；8 ，羔9 脚接地；1 2 5 k h z 的低频信号经p w m 调制后，从王3 脚输挺；2 5 脚为高频信号的输入引脚；2 6 脚接一个按键，该按 键用来触发低频信号输出，以激活有效范围内的应答器；7 、1 4 、1 5 、1 6 脚分 别接s p i 接口的s s 、s c l k 、s d a 、s d o 信