前言

汽車市場主要的防盜方式包括發動機防盜鎖止系統（IMMO）、遙控門鎖（RKE）、無鑰匙門禁（PKE）、電子轉向柱鎖、雙向智能鑰匙和GPS衛星定位等，其中以IMMO和RKE的應用最為廣泛。無鑰匙進入系統（PKE）技術是在相當成熟的RKE基礎上發展起來，集成了IMMO和RKE功能。PKE作為新一代防盜技術正在逐步發展壯大，目前已經從奔馳、寶馬等高端車市場逐步進入如像福特蒙迪歐、日產的天籟的部分車型等中檔車市場。車內區域檢測精度和系統安全是衡量PKE系統性能的重要指標，本文采用Atmel公司的六路低頻驅動芯片ATA5279發射低頻信號，采用三維全向天線接收的方法實現車內區域精確定位。

PKE系統工作原理

PKE系統主要包括三個部分：車身基站、低頻天線和電子鑰匙。通過雙向交互認證來驗證電子鑰匙的身份。車身基站采用主動式的工作方式，其行為不依賴于電子鑰匙的指令，結合車身微動開關的觸發激活系統認證和區域檢測，決定是否打開車鎖或其他動作。

低頻信號喚醒：用戶攜帶電子鑰匙處在低頻天線信號覆蓋范圍內并給予一個觸發信號如拉動門把手時，車身主機通過低頻天線發送一條編碼的低頻報文。電子鑰匙通過三維天線接收低頻報文，并對該數據信息進行驗證。如果與鑰匙內存儲的數據匹配，鑰匙則會被喚醒。

射頻信號驗證：鑰匙被識別喚醒后，將會分析車身主機發送的認證口令，使用HITAG2算法對數據進行加密并通過射頻信號發送回主機。主機把收到的數據與內部計算的數據進行比較，如果驗證匹配通過，就會打開車門鎖。認證過程幾十毫秒即可完成，車主并不會感到有遲滯。

用戶進入車內后，只需要按一下啟動鍵，汽車發動機便會啟動。啟動時驗證過程和開門過程大致相同，但啟動發動機時系統需要驗證攜帶鑰匙的人是否在主駕駛區域，以防止兒童誤觸發。

系統結構

系統總體設計

PKE系統結構如圖1所示。車身基站控制單元采用LQFP64封裝的8位HCS08-MC9S08DZ60，該MCU內嵌CAN控制器，具有2路SCI、1路SPI外設接口、外接TJA1040接口作為CAN Node；低頻通訊模塊采用Ateml ATA5279驅動6路單獨的低頻線圈，發送125KHz低頻信號，用來實現跟鑰匙的近距離通訊；射頻接收模塊采用MC33596，快速接收鑰匙跟車身之間用加密認證的數據傳輸，點火鎖附近基站芯片采用PCF7991；車身基站單元采用12V電源和線性穩壓器TLE4275取得5V電源對系統供電。電子鑰匙端采用PCF7952通過三維天線接收來自車身的低頻信號，經接收器控制邏輯分析是否喚醒系統，通過射頻發射單元PCF7900把加密后的數據發送給車身基站。

車身基站電路設計

車身硬件電路主要由電源電路、主控MCU電路、CAN節點、射頻電路、低頻電路與發動機防盜鎖止電路等部分組成。

1. CAN總線電路

在CAN節點設計中采用的是Philips公司的高速CAN轉換芯片TJA1040，MC9S08DZ60內置CAN總線控制單元，CAN模塊的TXCAN和RXCAN分別與TJA1040的TXD和RXD連接，STB接I/O端口作為收發器控制信號。

2. 射頻接收電路

射頻電路接收部分采用的是Freescale公司的低功率射頻接收芯片MC33596。系統中MC33596采用FSK、曼徹斯特編碼方式接收電子鑰匙射頻信號。MC33596采用SPI方式與MC9S08DZ60通信，MC9S08DZ60內置串行外圍設備接口模塊，連接方便。用于接收電子鑰匙發送的射頻信號。

3. 低頻發送電路

低頻發送電路采用Atmel公司的ATA5279驅動車身低頻天線，它具有優異的EMC性能，對負載具有熱和電保護，具有非常低的關斷模式電流。ATA5279能同時驅動六路天線線圈，通過SPI接口與控制器連接，主控芯片MC9S08DZ60通過模擬SPI接口與其通訊。在實現區域判斷時，ATA5279可以提供20段電源管理以供信號強度檢測。電路如圖2所示，六個低頻天線放置于車身的不同位置。

圖1 PKE系統結構圖

圖2 低頻信號發射電路圖

電子鑰匙電路

電子鑰匙電路由中央控制模塊、射頻發射模塊和三維低頻接收模塊組成。其中射頻發射模塊實現發射遠程開閉鎖命令和信號強度信息。通過低頻接收和射頻發送的方式實現汽車無鑰匙進入與無鑰匙啟動發動機功能。

1. 低頻接收電路

鑰匙所采用的主控芯片是由Philips公司生產的PCF7952。它包括安全認證芯片，具有高靈敏度的三維低頻接口，支持接收信號強度指示（RSSI）以判斷ID設備的位置。片內遙控開鎖碼生成在硬件認證計算單元中實現。支持FLASH編程。三維低頻全向天線保證只要鑰匙在同一位置，無論如何放置，所處位置的場強值是不變的。

2. 射頻發送電路

當低頻驗證通過后，鑰匙端射頻模塊應該做出相應響應。為了保證系統能夠在較低電流消耗的情況下，有較高的發射功率和接收靈敏度，系統選用了NXP公司的高集成度、單芯片發射器PCF7900。數據速率可達40kbps。PCF7900通過三線制串口方式（SPI）與PCF7952相連接，SDIO，SCK，EN，CLOCKOUT分別接在PCF7952的P20、P23、P24、P15腳。電子鑰匙電路如圖3所示。

圖3 電子鑰匙電路圖

電子鑰匙的定位

PKE系統通過對電子鑰匙的定位，給用戶帶來了舒適與便利。車主只需隨身攜帶電子鑰匙，有觸發動作，PKE系統就會自動檢測鑰匙并進行身份識別。對于PKE系統來說，位置檢測是PKE系統最關鍵的一步。位置檢測直接影響到門禁系統和防盜鎖止系統的安全性。只有定位準確，主控制器才能對發生的事件做出正確的判斷，并通知相關執行機構做出及時正確的動作。

如圖4所示，PKE系統需要檢測判斷三種區域：門、后備箱附近車外區域、車內區域和主駕駛位置。當車主在車外區域有拉門、打開后備箱等操作時會觸動微動開關，從而觸發雙向認證和場強檢測過程；車內區域識別是整個PKE系統設計的難點，需要精確地判斷鑰匙所處的位置，由此決定門的狀態；如果檢測到鑰匙在主駕駛位置，才可以正常啟動引擎。

區域檢測有兩種方式，其一是通過調節低頻信號靈敏度強弱進而根據通訊是否穩定進行模糊判斷，精度有限但實現方便；其二是基于接收低頻信號的強度檢測來判斷，根據低頻信號的大小來計算鑰匙與車內低頻天線的相對距離。如圖4所示共放置了六個低頻天線用于區域檢測，通過多根低頻天線的交叉覆蓋范圍，來精確定位鑰匙的具體位置。電子鑰匙在識別區域內，如果被低頻信號喚醒并認證通過后，會測量其所在位置的場強，通過射頻發射相應信息至車身基站，基站將接收到的場強與原來設定好的門閥值相比較，判定此時電子鑰匙的位置。

圖4 區域檢測與天線位置

系統低頻電路軟件設計及測試分析

系統軟件設計

系統的軟件設計主要工作是進入控制。引擎啟動控制與進入控制類似。當有微動開關等觸發信號時，車身基站會主動發送包含ID的低頻喚醒信號，如果ID和鑰匙內所存的ID相一致，電子鑰匙被成功喚醒，發送射頻確認信號給車身基站；車身基站收到確認信號后發送一條包含隨機數的加密低頻信號，電子鑰匙再響應相應的射頻加密信號，以完成身份認證。身份認證完成后，低頻天線會發送場強查詢命令，電子鑰匙通過射頻信號把相應的場強信息發送給車身基站，車身基站通過分析判斷電子鑰匙位置，在有效區域內才會執行相應動作。開門時有效區域指電子鑰匙與車子的安全距離，不需要太高精度，引擎啟動時有效區域是指是否在主駕駛位置，需要較高精度。其工作流程如圖5所示。

圖5 PKE進入功能程序流程圖

測試分析

通過在車身內部放置六根低頻天線，并使用ATA5279對其進行驅動管理的方式，可以有效提高區域檢測精度，實驗結果表明在車內主駕駛位置檢測時其有效精度可以達到5cm。通過加強無線通信過程中的加密、解密、隨機數生成、數字簽名、密鑰協商以及應用協議的制訂等，以實現通信雙方的保密性、身份驗證和信息完整性。低頻喚醒機制有效地把電子鑰匙的射頻發送操作降到最低，從而有效地節約了電池電量，延長了電子鑰匙的使用壽命。

結束語

本文提出了一種基于ATA5279的汽車無鑰匙進入系統。系統采用雙向交互認證，任何錯誤都會導致通訊結束，有效地防止了被其他接收機截獲的可能性，大大提高了防盜性能與防搶性能。

通過本文的研究表明，該系統在任何情況下都能正確識別車主，可以自動打開或關閉車鎖。同時，系統采用ATA5279低頻驅動芯片，配合三維低頻接收裝置，可以較好地解決車內區域高精度檢測與電子鑰匙電池壽命問題。因此具體較高的應用價值與市場前景。