PKE的开发方案.doc

PIC方案NEC方案NXP方案PIC方案介绍智能无线通讯要求自动操作，即不需要使用者按任何按钮，系统可以自己检测或发送信号，100%独立，在不同的环境下可以自学习和自适应，在有噪音的环境下可以排除噪音正常的工作。 上述智能无线通讯系统有很多的要求，第一个要求是体积小、成本低，解决方案用一个智能的单片机来实现，单片机由数字和模拟前端组合成一个芯片；第二个要求是经济的双向通讯，基站命令用125KHz低频发送，高频响应，用低频发送成本逐渐降低；第三个要求是通讯距离在2米以上，其应答器有高度的输入灵敏度，在3毫伏左右；工作在有噪声的环境下，因为在一般环境下有很多的噪音干扰，所以在设计系统的时候要求有高度的灵敏度非常重要；此外就是消除天线的方向性，因为控制信号不可能一直从一个方向发来，特别是随身携带的单元，发送的方向不可能控制，所以在应答器板上使用三个方向的天线XYZ，不管信号从哪个方面来都可以接收到；再者是对电池寿命的要求，因为有一些电池是用来作汽车里面胎压检测系统的，不可能每6个月打开换电池，所以采用唤醒滤波器以减少电流使用；最后是数据的安全性要求，发送信号加密，收到信号时再解密， Microchip用Keylock算法。图1所示是一个智能被动无匙门禁系统，图示系统和普遍使用的系统有相似的地方也有完全不同的地方，左边基站由一个单片机和高频的发送器和低频发送器与接收器组成，基站发出125KHz的低频命令，当右面的智能接收器收到信号时会处理信号，信号达到一定的要求使用高频或低频作为响应。智能的接收器有3个接收方向XYZ，不管信号从哪个方向送来都可以接收到这个信号，而且使用者不需要任何的按钮。这样的智能接收器可以自动的接收信号、发送信号和处理信号。图2所示是PKE应答器原理图，图中的PIC16F639是由PIC16F636和MCP2030构成，其中MCP2032是模拟前端，PIC16F636是另外一个单片机，使用PIC16F636和模拟前端组合在一起主要是因为PIC16F636有Keylock加密解密的功能，如果使用者不需加密解密功能则可以使用2030模拟前端和其他的单片机组合。应用示例 在汽车系统应用中有很多智能应答器的使用，如智能车辆出入系统、引擎防盗锁止系统(如图3所示)和胎压监测系统（TPMS）。智能PKE应答器不仅适用在汽车里面，也可以应用在其它地方，如车库开门关门、公共停车场，很多汽车如果有智能应答器，汽车靠近停车场时门会自动打胎压检测系统(如图4所示)的显示组主要由三个单位组成：一个在轮胎里面，图中左下角由智能单片机、胎压传感器和高频发送器组成；右角上方是基站，主要由一个单片机和一个高频的接收器组成；右方下角是低频触发器，一般放在靠近轮胎很近的车身部分，使用时每3或4秒低频触发器会发出一个启动命令给轮位，轮胎里面的智能单片机收到的信号达到要求时，会告诉胎压传感器去测量轮胎的温度和胎压，然后再由高频发送器把胎压的数据发给基站。可编程数字唤醒滤波器 使用唤醒滤波器的目的主要是减少工作电流，从而可以延长电池的寿命。一般情况下，数字部分一直保持在睡眠状态，以达到最低的电流使用。而模拟前端不停地寻找输入信号，只有在达到预定的波形也即输入信号达到要求时，模拟前端才会去唤醒滤波器。 智能被动无钥门禁（PKE）系统设计 图5所示为一个具有无电池和后备电池的应答器电路，有些情况下，如果电池接触不好系统会没有电，可以用磁场来短暂的给供电，这样应答器在没有电池的情况下照样可以工作。 系统工作要求是，在应答器方面需要有低频的电线，高频发送器，以及一些系统可选后备电子的电路，此外还要有一个智能的单片机和单片机的部件；基站系统要求有低频发送器、高频接收器、天线、单片机和单片机的固件部分。 双向通讯距离有一些参数，应答器需要天线调谐及Q，天线定位使用三维天线，接收灵敏度，输出信号的调制深度；基站需要输出功率和接收的灵敏度。 天线设计低频普遍是采用125KHz，现在使用LC谐振电路；天线类型使用空心线圈或者铁氧体的磁心，LC的谐振频率和基站的载波频率相同，范围被动标签在1米左右，主动标签在5米左右。高频率从315MHz到960MHz，最常见的是315MHz和433MHz，使用偶极电线刻在PCB上，范围相对高得多，被动标签大概在5米左右，主动标签在100米左右。图6所示为一个磁通量和天线感应电压关系的公式，这里主要是说明在判断感应电压的时候看到很多的因素：比如线圈的匝数、接触器线圈表面积、频率、接收电线和发送天线的角度都会影响到天线感应的电压。 图7所示为一个天线感应电压和距离的关系，大图上显示了基站和接收器靠的很近的时候，信号的电压是200V，小图则显示了距离到3米的时候，电压的信号只有达到5毫伏峰值，可以看出信号输入的灵敏度在这里是非常关键的。 总结，一个智能无线通讯系统需要可靠的自动操作，具体包括智能的双向通讯、低系统成本、低频输入高灵敏度（这一点比较关键），低功耗以及安全的数据加密和解密，结论是用一个智能的单片机构建系统可以达到所有要求，因此可以作为一个可靠的解决方案。NXP方案介绍汽车安全与防盗最初的电子化开始于1994年的引擎防盗(IMMO)，恩智浦半导体(当时的飞利浦半导体)作为第一家半导体公司把RFID的电子标签技术成功的应用于汽车电子引擎锁：通过汽车与钥匙间的125kHz的无线通讯实现电子身份识别，来判断启动汽车引擎。这一技术极大的提高了汽车的安全性，很快就在欧洲以及北美地区广泛应用，并在短短几年时间内使欧洲的汽车失窃率大幅降低了90%，因而成为整个欧洲的汽车标准配置。遥控钥匙(RKE)的出现为人们带来了很好的用户体验，满足了人们对便利性及舒适性的要求，但由于其射频单向通讯的技术限制，在安全性上有其自身的不足。恩智浦半导体(以下简称NXP)适时推出的集成方案(Combi)把引擎防盗和遥控钥匙合二为一，用一颗芯片来实现，既提高了系统的安全性，又降低了整个钥匙的成本，逐渐替代独立的遥控钥匙成为欧美日市场上的主流方案。当然，在射频通讯上其依然保留单向通讯，安全性并没有本质的提高。 图一2003，NXP推出了无钥匙系统(PKE或称PEPS)，彻底改变了汽车安防应用领域的发展前景，给用户带来了全新舒适与便利的体验：车主在整个驾车过程中都完全不需要使用钥匙，只需要随身携带。当车主进入车子附近的有效范围时，车子会自动检测钥匙并进行身份识别，如成功会相应的打开车门或后备箱；当车主进入车内，只需要按引擎启动按钮，车子会自动检测钥匙的位置，判断钥匙是否在车内，是否在主驾位置，如成功则发动引擎。千万不要小瞧这个看似不起眼的改变，它在简化你的生活方面发挥着重大作用。无钥匙系统绝不仅仅是带来了舒适与方便，其在安全性方面也有了本质的提高，通过低频和射频的双向通讯，汽车与钥匙之间可以完成复杂的双向身份认证，在安全性方面与引擎防盗类似，要远好于传统的遥控钥匙。从2003年少量高端车型成功量产无钥匙系统开始，全球市场用了两到三年的时间推广普及这一技术，目前，几乎全球每一个主流车厂都有应用NXP的无钥匙产品，覆盖中高端的车型，甚至是低端车型。我们一起看一下这一技术到底是如何实现的。如图二所示，无钥匙系统共需要检测判断三种区域：灰色的车外区域，淡粉色的车内区域以及灰白色的主驾位置。其中灰色的阴影区包括三部分，分别表示主驾，副驾，后备箱的车门控制的有效区域，当车主带着钥匙进入这一位置时，车子跟钥匙间就可以建立起有效通讯，通过低频信号的场强检测，车子可以判断出钥匙的相应位置，由此决定打开对应的车门。淡粉色的车内区域是整个PKE系统设计的难点，要精确的判断钥匙是否在车内，来决定车门状态以及发动机是否可以启动。在一些高端车型的设计中还会检测灰白色的主驾区域，钥匙是否有效，主驾位置是否有人，避免诸如儿童误操作导致的引擎启动；另外还可能包括后备箱内区域的检测，为防止钥匙被误锁入后备箱。综上所述，我们可以发现在无钥匙系统中，区域检测是一个非常重要且区别于以往各种汽车安防产品的技术，因而区域检测的精度就成为衡量一个无钥匙系统好坏的重要参数。目前市场上主要有两种相应技术，其一是通过调节低频信号灵敏度强弱进而根据通讯是否稳定进行模糊判断，其精度有限但实现方便；其二是基于接收低频信号的强度检测来判断，即RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)，根据低频信号的大小来计算钥匙与车内低频天线的相对距离，通过多根低频天线交叉覆盖范围，精确定位钥匙的具体位置。NXP的产品全部采用第二种技术。为达到理想的性能参数，NXP提供了最小2.5mV的三维低频接受前端的信号灵敏度，而典型的灵敏度值可以达到1mV。不同于其他解决方案的逐次逼近式(SuccessiveApproximation)ADC，NXP采用12位的Sigma-Delta(-)ADC，通过多点采样平均来消除噪声干扰，目前已经实现的最好的车内车外检测精度高达2cm。目前，车厂通常要求的车内车外检测精度为510cm。图二 无钥匙系统的结构框图如图三所示，左侧为汽车端，包括主控制器(BodyControlUnit)，车门把手和后备箱把手触发模块，引擎一键启动模块，引擎防盗基站模块(IMMOBasestation)，低频发射模块和射频接收模块。其中三个绿色的模块主要是用来触发整个系统，当车主拉动车门或按下一键启动按钮，相应的模块会发送中断信号来唤醒主控MCU，开始整个通讯过程。常见的无钥匙系统工作模式分两大类：触发模式和扫描模式(polling)，其中触发模式分为机械触发和电子感应触发，这里需要综合考虑系统成本和系统性能，例如整个系统的响应时间。引擎防盗基站模块是低频通讯模块(125KHz)，用来实现跟钥匙的近距离通讯，发动引擎，这一功能是备用方案，又称“无电模式”，只有在钥匙电池耗尽或者有意外干扰无钥匙系统导致无法正常工作时才会采用。这种情况下，用户只需要手持钥匙放在固定位置(例如凹槽)，钥匙就可以跟基站建立通讯，进行身份认证来启动引擎。NXP的无钥匙系统PCF7952和PCF7953的一大特色就是芯片本身集成了引擎防盗功能，完全兼容NXP的所有Transponder产品，包含PCF7936。这极大的提高了系统的可靠性而且不需要额外增加成本，具体细节后续还会提到。图3：无钥匙系统的结构框图。 低频发射模块和射频接收模块是无钥匙系统的基本通讯链路，低频发射采用125KHz，为上行链路，由车子端发送至钥匙端；射频接收采用315MHz或434MHz，为下行链路，由钥匙端发送至车子端。之所以采用125KHz，一方面是为了兼容引擎防盗的相关技术，更为重要的是125KHz的信号对距离敏感，可以实现精确的距离检测，起到关键的定位作用。射频则采用传统RKE的频段，一方面兼容遥控钥匙的基本功能，更利用了其通讯速度快的优势，这里需要着重声明的是，所谓的通讯速度是指钥匙跟车子间用于认证加密的数据传输，为保证在较短时间内完成无钥匙开门或点火的过程，需要采用较高的波特率(一般为820kbps)，通常不建议采用低端的SAW发射模块(1kbps左右)，而采用基于锁相环技术的发射芯片来实现，例如NXP的PCF7900，其在FSK的模式下最高波特率可达到20kbps。同样是为了这个目的，射频频段也有采用更高频的868MHz或915MHz的趋势。如图所示，低频发射模块包括多个低频天线，安装于车门把手内用来实现无钥匙进入(KeylessEntry)，安装于车身内部的用来实现无钥匙启动(一键启动KeylessStart)。钥匙端的具体框图如图四所示，主芯片是NXP的PCF7952或PCF7953，射频发射芯片采用NXP的PCF7900，相应的在车子端的射频接收芯片是NXP的PQJ7910。PCF7952/53具有低频模拟前端(LFFrontEnd)，用来连接外围3D天线。在无钥匙系统中，钥匙端需要外置3D低频天线，可以接收检测外部空间的3D能量场强，分别为X，Y，Z轴，通过叠加3个方向上的能量，可以保证钥匙在任何角度都能检测到同样的场强。其中的一轴天线还被复用为IMMO的功能，实现无电模式下的引擎启动。通过上行和下行链路，钥匙跟汽车可以建立起双向通讯，进行复杂的身份认证。最新的一代认证技术称为交互认证技术(Mutual-Authentication)，不仅仅需要汽车来认证钥匙，同时也需要钥匙来判断车子是否合法，任何错误都会导致整个通讯结束，以此来保证系统的安全性。通讯距离是由低频上行链路125KHz决定，通常的PKE系统工作有效距离为2.5m左右，而实际有效开关门距离为1.5m2m。除了车内外检测精度以外，钥匙端的功耗也是衡量一个无钥匙系统好坏的重要指标，PCF7952自带的电源管理模块可以最大程度的降低整个系统功耗，一套成熟的无钥匙系统方案，钥匙端在一颗2032的3V锂电池供电的情况下，电池寿命可以长达三年。图4：钥匙端的模块框图。在无钥匙系统之后，汽车安全与防盗产品将会走向何方？NXP已经给出了确切的答案：Keylink，即下一代的汽车钥匙。它最大的突破在于，把车钥匙跟外围的智能终端联系起来，使钥匙可以跟诸如手机，PDA等设备实现近距离的无线连接，借助于手机等智能终端的显示功能和强大的处理能力，一个无比广阔的应用空间摆在了我们面前：- 随时查询车辆状态，门窗状态，油箱油量，车内温度手机屏幕上的显示应有尽有- 寻找汽车，通过钥匙跟手机的配合，手机的GPS导航帮你轻松找到停车地点- 轻松制定出行路线，在电脑前将选定的出行路线存入钥匙。进入汽车时，车载导航仪将自动导入出行信息- 车辆维护，车辆的出厂记录，维修记录，全部都存在钥匙中，便于维护。类似以上的应用还有很多很多，下面这则新闻则是Keylink的又一新应用，可以让我们更近距离地了解这一技术，也以此作为本文的结束：2008年10月22日宝马(BMW)技术研发部与恩智浦半导体(NXPSemiconductors，由飞利浦创建的独立半导体公司)推出全球第一款多功能车钥匙原型。这款产品原型具备非接触支付功能，个人进入控制以及先进的公共交通电子车票功能，以实现更强的移动性体验。配备了恩智浦的SmartMX安全芯片，这款产品原型首次实现了通过车钥匙让驾驶者进行快速、安全和便捷的电子支付，为未来的消费者开创了激动人心的全新应用环境。PIC16F639详细方案钥匙设计包括一片集成了三轴向模拟前端（AnalogFront-End，AFE）的PIC16F639单片机。 采用一片PIC18F2680 单片机来实现低频发射器。 设计经过优化，只需稍作修改便可集成到现有典型平台中。从可由客户、经销商或工厂在生产线后端进行编程的许多可扩展功能的整体概念来讲，操作灵活性是至关重要的。图1.PKE 原理框图 一.工作原理概述当低频（LF）发射器检测到触发输入时，将发送一条编码的125kHz报文。该信号范围内的任何应答器均会接收这条报文，并对编码的数据字段进行验证。如果发射器被识别，将发送一条RF（433.92MHz）KEELOQ®编码报文。一个标准的RKE接收器对该数据包进行解码，如果被识别，将进行相应的操作。 为降低电流消耗， LF 发射器不会持续轮询应答器。触发事件将把发射器从休眠模式或掉电模式（参见图1-1）唤醒。触发输入的可能类型或来源如下：通过网络传输的命令门把手上红外信号简易微动开关，由门把手装置激活容性临近探测器，该探测器可检测手靠近门把手时的现场变化为简化起见，本文档所述的应用采用微动开关输入。报文发送后， LF 发射器将持续轮询应答器。这有助于对方向和范围进行估计。 应答器钥匙以常规按键RKE 钥匙方式工作。当检测到有效LF 现场报文时，单片机将如同按下第六个虚拟按键一样作出响应 ，并发送一个独特的功能码。RF 接收器/ 解码器组合包括一个KEELOQ 安全IC。典型的解码器为HCS500、HCS512或HCS515。本设计采用用户可编程的PIC® 中档单片机。图 2： 低频发射器原理图图3.使用PIC16F639 单片机的应答器钥匙原理图图4.RF接收器/解码器原理图 NEC单片机方案汽车市场主要的防盗方式包括发动机防盗锁止系统(IMMO)、遥控门锁(RKE)、无钥匙门禁(PKE)、双向智能钥匙、红外线侦测、气流侦测和GPS卫星定位等，其中以IMMO和RKE的应用最为广泛。无钥匙门禁系统(PKE)在RKE基础之上发展起来，作为新一代防盗技术正在逐步发展壮大，目前已经从高档车市场逐步进入中档车市场。 资源介绍 PD78F0503和PD78F0881是NEC电子ALLFLASH的78K0系列的汽车级产品，采用NEC电子第三代Flash技术，降低功耗的同时，也降低了Flash的工作电压，仅为2V。这两款单片机不仅包括UART接口、8/16位定时器、CSI接口、多路10位A/D等通用模块，同时集成了8MHz内部高速时钟和240kHz内部低速时钟。当时钟达到20MHz时，指令最短执行时间仅为0.1s。提供POC（上电清零电路）和LVI（低电压检测电路），这使得整个系统不需外加复位电路就能保证正常复位，LVI提供16个压差为0.15V的电压供选择。内部Flash具有自编程功能，可作为模拟EEPROM。内置看门狗定时器、按键中断、乘法器/除法器、时钟输出/蜂鸣器输出电路等。PD78F0881是78K0/Fx2系列的产品，它是专用的车身控制器，内部集成10路定时器，包括4路16位定时器和6路8位定时器，此外还集成了CAN和LIN的模块，支持1通道CAN和1通道的LIN接口，用做车身接点的控制。 PKE工作原理 PKE工作原理为：当低频（LF）发射器检测到触发输入时，将发送一条编码的低频报文。该信号范围内的任何应答器均会接收这条报文，并对编码的数据字段进行验证。如果发射器被识别，将发送一条RF加密编码报文。一个标准的RKE接收器对该数据包进行解码，如果被识别，将进行相应的操作。PKE应用要求基站和应答器（钥匙）单元之间进行双向通讯。当驾驶员靠近PKE系统的感应区域时，只要触及车门把手或者按下把手上的某一按键，驾驶员携带的PKE系统的身份识别“钥匙”就会接收到基站发送的低频信号，如果这个信号与“钥匙”中保存的身份识别信息一致，“钥匙”将被唤醒。这个过程能够防止随机噪声或其他干扰信号唤醒“钥匙”，延长电池寿命。“钥匙”上的三维全向天线输入电路能够保证“钥匙”在任何方位都能检测到汽车发出的唤醒信号。如图1所示。“钥匙”被唤醒后将分析汽车发出的认证口令，并发送相应高频信号，为了提高安全性，这些信号都经过加密处理。汽车将接收到的信号和内部保存的信息相比较，如果验证通过，则打开车门锁。驾驶员进入车内，只需按一下启动键，汽车发动机就会启动。当然，驾驶员在按键的时候，PKE系统首先需要检测“钥匙”设备是否在车内，然后完成同样的认证过程后才会启动发动机。当驾驶员离开汽车，只需按一下车把手或者车把手上的某一按键，车门就会上锁，汽车在真正锁定之前，同样要检测驾驶员的位置，并需经过同样的验证过程。系统设计 对应基站和钥匙的双向通信，PKE在RKE基础上增加了短距离的LF通信。在目前的设计中，RF发射频率采用433.92MHz，LF的发射频率采用19kHz。本设计的钥匙端和基站端的框图如图2和图3所示。钥匙端使用NEC电子78k0系列8位单片机PD78F0503微控制器，来完成用户按键的数据编码、加密组帧，再通过SAW声表谐振器电路发射至UHF频段；当它接收到19kHz的LF信号时，利用三个正交放置的线圈作为低频接收天线，由低功耗低频唤醒芯片AS3931解调后，再将数据传送给单片机进行数据判断，如果数据正确，则发送一条RF加密报文。在低频天线的设计中，由于应答器(钥匙)体积较小，且放置在用户的口袋或手提包中时，因此天线指向具有随机性，即应答器天线正对基站天线方向的机会最高只有33%，因此，应答器中的低频天线必须采用小尺寸的全向天线。在实际应用中，应答器（钥匙）连续等待并检测输入信号，这会减少电池使用寿命。因此，为减小工作电流，在AS3931搜寻有效输入信号的同时，数字MCU部分可以处于待机模式。只有当AS3931检测到有效输入信号并输出有效唤醒信号（WAKE低有效）时，数字MCU部分才被唤醒。MCU可以设置唤醒信号的格式，只有在输入信号达到要求时，器件才将检测到的输出有效沿传送到MCU。基站端RF使用UHF射频接收芯片RX3400完成信号解调，再将数据传送到车身主控芯片PD78F0881进行数据解密和指令执行；当低频（LF）发射器检测到触发输入（触摸按键）时，将由串联的LC形成低频发射端，发送一条编码的低频报文。由于19kHz信号的传播能力不强，因此双向通信的距离通常在2m以内。加密算法采用DES算法，也可以使用用户提供的算法。 部分模块介绍 LF发射电路LF发射电路原理图如图4所示，主要由驱动电路、LC振荡电路和反馈电路组成。驱动电路提供发射所需的功率，LC振荡电路由L和C串联组成，LC谐振电路的谐振频率由如下公式决定：f=1/2LC其中L为环路电感，C为环路电容，当工作于9V到12V直流电源时，天线能达到的最大峰峰值电压大于300V，所以本设计中选用电容的耐压值为630V。反馈电路为了同步电压和电流的相位，增加发射功率。触摸按键 触摸按键电路图如图5，当有手指触摸时其电路图如图6。如果手指没有触摸到焊盘，当有固定频率和占空比PWM输入时，A/D端口的电压为Vo1。由于人体等效成一个小电容C1，所以触摸点的电压被电容C1分压，最终右端处输入电压将会降低，变为Vo2。Vo1和Vo2的关系为：Vo1Vo2。经过调整一些参数，比如与右端输出端口相连的电阻，可调整端口输出电压Vo的大小，所以当（Vo1-Vo2）的结果大于某个值时，认为有按键按下。 数据结构 RF加密数据帧格式如图7所示。16bit同步计数器：每