基于MK10的PKE系统设计开题报告

1、开题报告pke系统设计基于飞思卡尔k10单片机姓名黄光黔专业电子信息科学与技术毕业院校河南工业大学所属部门工程技术支持中心指导工程师白金龙/杨澎湃提交时间2014年03月05日目 录1. 项目概述11.1项目背景11.2项目描述12. 技术指标32.1关键技术指标32.2可行性分析32.2.1钥匙方位检测(pke模式下)32.2.2验证车配的唯一钥匙32.2.3防冲突访问32.2.4快速性42.2.5rke模式42.2.6immo的实现43. 方案论证53.1pke系统的优势53.2pke系统射频通信频率及模式的选择53.3防冲突协议63.3.1基于唤醒模式的ac协议63.3.2时隙ac协议7

2、3.4方位检测方案84. 进度安排105. 参考资料11附录a 文档撰写人员和撰写内容121工程技术支持中心(etsc)pke系统设计1. 项目概述1.1 项目背景随着经济的高速增长，汽车变得越来越普及，逐步走入寻常百姓家，汽车防盗问题日渐突出。据统计，每年都有数以万计的轿车被盗，所以人们往往在购车之后考虑的第一个问题就是为爱车装上一款真正安全可靠的汽车防盗器。据权威机构统计，中国目前大概有2000万辆汽车，并以年几百万辆的速度增长着，而98的车主都会安装上汽防盗器，可见中国的汽车防盗器市场越来越庞大。汽车安防产品也朝着更智能、更便捷、更安全的方向发展，电子安防产品随着电子技术的发展变得越来越

3、普及，逐渐逐步取代了传统的机械安防系统，特别是廉价mcu的出现，使得电子安防产品变得更智能和便捷舒适。汽车安防系统从最早期的机械防盗方式逐渐发展到今天的pke系统。无钥匙门禁系统(pke，passive keyless entry)是在rke基础之上发展起来的一项新技术。pke不是传统的钥匙，而是一个智能钥匙，类似于智能卡。当驾驶者踏进指定范围时，该系统通过识别判断如果是合法授权的驾驶者则进行自动开门。上车之后，驾驶者只需要按一个按钮即可启动点火开关。pke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，不仅奔驰、宝马等高端汽车制造商已经广泛采用了pke，像福特蒙迪

4、欧、日产的天籁和新型马自达等中型车型也纷纷采用这一技术。因此，pke系统具有极佳的市场前景和巨大的经济效益。1.2 项目描述pke系统的组成如图1.1所示，整个系统由安装在汽车上的基站（控制器）和用户携带的应答器（钥匙）组成。其中基站部分包括：高频接收、mcu微控制器、lf发射接收和基站芯片；钥匙部分包括：高频发射、按键、lf发射接收和遥控器芯片。图1.1 系统框图图1.1显示了典型pke（无钥匙门禁）系统的主构造区。上行线路（往电子钥匙方向）使用了一个典型的125khz的载波频率来唤醒电子钥匙中的电子仪器，并将数据传送到电子钥匙中。下行线路（往基站的数据传输）主要在超高频上（uhf）操作（通

5、常是315/434/868mhz频带）。pke系统响应请求流程如图1.2所示，下拉车门把手可唤醒基站并触发pke系统的通信。根据触发门开关的位置，相应的lf发射器天线被激活，唤醒模式（wup）被传送到智能钥匙中。如果wup与存储在电子钥匙中的某个唤醒寄存器中的模式相匹配，电子钥匙中的其余部分就会被唤醒（除由电池供电的接收器和wup检测器外）。电子钥匙被唤醒后就会测量其所在位置的场强并且通过高频发射相应信息给基站。如果场强值大于识别区域边沿的场强门阀值，就认为电子钥匙是在有效区域内。然后，基站解密并验证电子钥匙发射的加密信息（包含钥匙id等）。这时，双向lf/uhf数据通信就可以产生并执行一些任

6、务，例如：开门认证。图1.2 pke认证流程图2. 技术指标技术指标是整个项目的目标要求，是检验项目成败的一个指标。技术指标是指导项目的发展和质量管理的依据。明确的技术指标有利于给项目一个定位和要求。2.1 关键技术指标(1) 钥匙的方位检测指标：能识别钥匙在车内或车外，且在车内时不能访问pke系统，在车门外1.5m内为pke模式检测的有效距离，在rke模式下，遥控汽车的距离在10m左右；(2) 能够准确唯一地验证钥匙，严格实现一车一钥匙的匹配；(3) 防冲突访问，能够在多把钥匙同时在车身附近时的不冲突验证通信；(4) 能够快速完成钥匙的验证，时间在100ms以内；(5) 同时支持pke和re

7、k模式的解锁方式；(6) 支持immo发动机启动认证。2.2 可行性分析2.2.1 钥匙方位检测(pke模式下)辨别特殊电子标签是在汽车内部还是外部是必需的。仅当（至少一个）私人电子标签在汽车外部时，pke对汽车的访问才可接受。之后该电子标签会被认证，加密验证成功后，汽车就解锁。位于汽车内的电子标签则不能接受并进行pke访问。通常情况下，方位检测是基于磁场强度的测量，磁场由若干个低频（lf）线圈产生。一部分线圈附加在汽车外部，一部分附加在汽车内部。线圈数对场强分布有影响，而线圈的位置对汽车内和外部的磁场强度的分布有着很大的影响。通过测量和处理内部天线和外部天线产生的场强值，就能确定电子标签的确

8、切位置。因此，通过在钥匙的位置处检测车身内线圈的磁场强度是否大于某个阈值就能辨别钥匙是否在车外。本项目钥匙端采用的pcf7953芯片带有rssi测量模块，可以实现场强的测量。2.2.2 验证车配的唯一钥匙本项目钥匙端采用的pcf7953芯片具有唯一的32位id，其中4为产品id。在验证过程中，只有当钥匙的id号与基站设定中的钥匙id相配才能通过验证。因此pcf7953芯片唯一的id号可以使钥匙的标签是唯一的，从而实现钥匙与汽车的匹配是唯一的，不会出现车门被其他钥匙打开的现象，保证车辆的安全性。2.2.3 防冲突访问pke门禁系统通常将会与多个id设备通信（大于1），这些id设备会一次性地出现在

9、特殊车辆入口各自的访问区内。为了满足这个需求，就要在pke系统中执行防冲突协议。本项目中钥匙采用的pcf7953芯片具有自由的可编程唤醒模式，协议可由软件完全控制，精确的硬件定时器/计数器，适用于actic pro三大特点，因此可以通过时隙ac协议来完成防冲突访问。通常所说的“防冲突时隙”是一种执行多设备操作的标准途径。时隙ac协议就是一开始把感应范围内的id设备都唤醒，之后电报的下一个模块ac iint则发送一个时隙编号给id设备，即进行id设备到有效时隙的赋值操作，之后id设备确认回复。之后的验证信息就都通过带着各自时隙编号来作为身份识别。而基站发给个id设备的顺序根据概率来排序，即根据历

10、史使用的概率来排序。因此基站与多个id设备的通信在时隙编号后可以有序进行，不会冲突。2.2.4 快速性本pke系统中在数据通信和数据处理方面都在高速下进行，因此快速验证的可行性得到保证。通信方面，基站到钥匙之间采用125khz的频率，平均速率为3.9kbps；钥匙与基站采用高频433.92mhz，速率达7.8kbps。主控mcu采用飞思卡尔的mk10，其内核为cortex-m4，主频可达50mhz。并且验证过程的握手和验证算法都很简单，不需要复杂算法。2.2.5 rke模式在rke系统中，包括主机和钥匙两大部分，其中，主机部分包括：高频接收和微控制器；钥匙部分包括：高频发射和rke处理芯片。在

11、rke工作过程中，必须先将钥匙端的id学习到主机端，完成主机和钥匙两者之间的配对。在此之后，按下钥匙端的任意一个按键，都将会触发钥匙端发送相应的高频数据帧到主机端，主机端接收高频帧成功后，按照双方所制定的通信协议进行解析接收到的高频帧，执行约定的动作。2.2.6 immo的实现现在的汽车发动机启动控制基本都是由电子设备来控制，只要在发动机启动前，即有人想发动汽车时，再进行一遍钥匙的id验证，若不能通过验证，则切断发动机点火设备的电源，使盗车者哪怕通过其他方式进入车内也无法启动发动机。3. 方案论证pke系统作为现在防盗与门禁方面的新概念、新技术，其实现方案也是存在不少。方案的选择以项目指标和功

12、能为依据，以最低成本来实现优秀性能是最好的选择。基于本项目的要求，关于方案的选择本章将从以下几个方面做出分析。3.1 pke系统的优势pke不是传统的钥匙，而是一个智能钥匙，类似于智能卡。当驾驶者踏进指定范围时，该系统通过识别判断如果是合法授权的驾驶者则进行自动开门。上车之后，驾驶者只需要按一个按钮即可启动点火开关。当驾驶者离开汽车一段距离后汽车就会自动的关闭车窗和车门，从而防止汽车和车内财物的损失。pke系统相对于rke系统来说更智能，使用更加方便，即使钥匙端没电也可以进行认证。并且pke系统为双向通信，安全性更高，可以进一步防止盗窃事件的发生。其优势相对于传统机械安防产品就不言而喻了。3.

13、2 pke系统射频通信频率及模式的选择汽车无钥匙进入系统（pke系统）由智能钥匙和基站两个部分组成。对rfid系统来说，收发频率大小决定了射频识别系统的识别距离、电路实现的难易程度以及设计成本。汽车防盗设计中，125khz等lf频段适用于近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用；远距离的射频通信则适合采用433mhz、315mhz等uhf频段。以下将讨论三种汽车射频通信频率的选择方案。方案一：如图3.1所示钥匙与基站之间完全通过低频lf通信，这种射频识别方案可设计为无源式。电路实现较为简单，钥匙端可以不需电源供电，节省成本，但其识别距离较近，工作方式比较简单，适用于对数据处理能力要求并不太高的

14、系统识别。pke系统是一个安全性非常高的系统，此方案很难满足用户对方便性上的高要求。图3.1 方案一方案二：如图3.2所示钥匙与基站之间完全通过高频uhf通信，智能钥匙在很远的地方就能被识别并工作，因此耗电量很大，并且成本较高。由于车主距离车门还较远时就可以进行进入认证，但是车主可能并没有打开车门的打算，这也无形之中埋下了安全隐患。因此，考虑到其在安全性、成本、功耗等方面的劣势，本方案也不是本设计的上上之选。图3.2 方案二方案三：如图3.3所示该系统支持多种信号频率兼容工作，不同工作频率的天线独立地收发数据，该方案选择钥匙接收lf信号，发送uhf信号，基站发送lf信号，接收uhf信号。由于l

15、f识别距离较短，车主只有走到距车门很近的地方钥匙端才能接收到基站断发来的唤醒信号并工作，这很好的保证了汽车门禁的安全性。图3.3 方案三综上所述，综合考虑系统的功能需求、设计方案以及设计成本等各个方面，方案三综合了其他两种方案的优缺点，既实现了低功耗，节约了成本，又能够满足安全性，是一种理想的设计方式。3.3 防冲突协议pke门禁系统通常将会与多个id设备通信，即当多个钥匙同时出现在基站有效范围内时。为了满足这个需求，就要在pke系统中执行防冲突协议。否则多个钥匙同时与基站通信会发生冲突而出现异常。对冲突协议的选择主要考虑解决冲突的快速性和能够允许的最大id设备数。目前这方面的技术有两种：1.

16、 基于唤醒模式的ac协议2. 时隙ac协议3.3.1 基于唤醒模式的ac协议基于唤醒模式的ac协议的具体过程如图3.4所示：图3.4 基于唤醒的ac协议其过程为：下拉车门把手可触发第一个低频电报的传输，前同步信号将传送给访问区中的所有id设备。在第一个低频电报的下一个块中，唤醒模式被传送。建议创建一个唯一的模式，该模式可起到wup的作用（wup=f（idex）。特殊id设备中的wup寄存器会根据这个模式进行初始化。因此，只有出现在访问区内的寻址id设备于请求时才被唤醒。请求电报（由基站传输的）的顺序将根据概率来确定，还存在一个特殊的id设备。概率应源自认证历史，根据“last used id

17、device is expected to be the next.”的原则。因此可以基于唤醒模式的ac协议存在一个缺点，就是当id设备数量比较多时，由于该协议需要逐个唤醒，且唤醒一个设备就验证一个，再到下一个设备，这样就会造成最坏的防冲突协议可能很长。所以在汽车解锁系统中这个方案不是上选的方案。3.3.2 时隙ac协议时隙ac协议具体过程如图3.5所示：图3.5 防冲突时隙协议示意图通常情况下，下拉汽车门把可触发第一个低频电报的传输。根据actic pro数据手册中给出的说明前同步信号会传送给所有在访问区内的id设备。在第一个低频电报的下一个模块中，唤醒模式被传送。建议将它定义为一个唯一的汽

18、车id作为wup。所有id设备的wup寄存器（属于这个特定汽车）将通过这个id值进行初始化。因此，所有出现在有效访问区中的有效id设备将被唤醒。利用电报的ac init模块，可进行id设备到有效时隙的赋值操作。在ac init中，时隙内的确认电报顺序根据概率来确定，还出现一个特殊的id设备。概率应源自认证历史，根据“last used id device is expected to be the next.”的原则。id设备应答请求电报的顺序在基站中计算，并保存在e2prom表中。因此时隙ac协议是先把各id设备统一根据时隙来编号，之后按概率来排序，并根据这个排序来验证。这样验证通信时就不会

19、出现冲突。相比基于唤醒模式的ac协议，时隙ac协议的最坏防冲突时间明显少了，因此本项目采用此防冲突协议。3.4 方位检测方案在pke模式下，辨别特殊电子标签是在汽车内部还是外部是必需的。仅当（至少一个）私人电子标签在汽车外部时，pke对汽车的访问才可接受。之后该电子标签会被认证，加密验证成功后，汽车就解锁。位于汽车内的电子标签则不能接受并进行pke访问。通常情况下，方位检测是基于磁场强度的测量，磁场由若干个低频（lf）线圈产生。一部分线圈附加在汽车外部，一部分附加在汽车内部。线圈数对场强分布有影响，而线圈的位置对汽车内和外部的磁场强度的分布有着很大的影响。通过测量和处理内部天线和/或外部天线产

20、生的场强值，就能确定电子标签的确切位置。天线的分布图如图3.6所示：图3.6 场强检测的lf天线分布l hi_out：内置天线ai产生的磁场强度，在汽车外测量；l hi_in：内置天线ai产生的磁场强度，在汽车内测量；l 安装在驾驶室外的天线（a01，a02）决不用于方位检测。pcf7952的rssi单元测量由车内（ai）lf天线产生的场强。如果测量的绝对场强hi大于固定阈值ht，电子标签就被假设在驾驶室内部。在这种情况下，电子标签将进入钝化状态。之后，电子标签不执行防冲突和认证。4. 进度安排根据对整个项目的了解，我们讨论了如何合理分配项目中的时间安排，如何才能更好地相互合作，完美的完成本项目。虽然整个项目技术点多难度也较大