汽车安全与防盗——无钥匙系统的设计

1、汽车安全与防盗一一无钥匙系统的设计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。

2、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。叵fR-何I "、冲画回卜"System configuration options昭 II MGliPE二尸UUJ电 KeyMMO RKET ” lLF數翩町“画|囱卜画|西H画t 彳自筍：向FTIDWfl th*Mb s * r J SIm tw bluest «:n1SS4RinwieIrrw

3、nabi 亡M>3nPhh工 Kt Jesj Entry2000弋小口甜诃伽！"a SJ10"I呵十吋图一2003 ，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

4、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，畐熾，后备箱的

5、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。在一些咼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

6、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(Received Sig nalStrength Indication)，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2.5 mV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(Successive Approximaten

7、) ADC ， NXP采用 12 位的 SigmaDelta (工-) 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 51 OcmFasGen&er Door D=l0ttiDr' Rrii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(Body Control Un it)，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（IMMO Basestation）,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

8、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（poll in g），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

9、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。Keyless Entry / Go SystemVHirVL I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

10、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 20kbp s。同样是为了这个目的，射频频段也有采用更高频的868MHz或 915MHZ勺趋势。 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（

11、Keyless Entry），安装于车身内部的用来实现无钥匙启动（一键启动Keyle ss Start）。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PQJ79 10。PCF7952/53具有低频模拟前端(LF Front End)，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，丫，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

12、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-Authe ntication)，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

13、电池供 电的情况下，电池寿命可以长达三年Jjri 尸-Tr«-erierpct ranndojj nl rik: JatuM43AQteUGP palem咬册图4:钥匙端的模块框图。o1251kHz IMUkMvir trsnsrwittsr上一jp Ink: wake-uphack-qotrsnefzondE rI(PCr73521(TW Maria托n曰応iriall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 点八、- 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， 下面是 Keylink 的又一新应用， 可以让我们 更近距离地了解这一技术：宝马