?描述RKE系統的工作原理及系統在功耗、穩定性、RKE發送和接收范圍等性能設計上的獨到之處；使用Freescale公司的高性能、小封裝微處理器MC9RS08KA2,結合Maxim公司的收發IC設計射頻數據處理前端，Microchip公司的專利技術Keeloq的滾動碼編碼芯片實現安全加密機制；詳細地給出低成本的發送和接收部分的硬件原理圖和軟件設計參考流程圖。

關鍵詞 RKE系統 MC9RS08KA2 MAX7044 MAX1473 HCS300 DES

　　當今70%的汽車商選用RKE（Remote Keyless Entry,遠程無鑰匙進入）系統，或將其作為一個標準。RKE系統主要由按鍵加密發送器和車內內置接收器組成，結構框圖如圖1所示。它們主要用在汽車門控制、無線傳感器、汽車無線胎壓監測TPMS(Tire Pressure Monitor System）等方面，使用的頻率是315 MHz(美國和日本地區)、433.92 Hz(歐洲地區)。歐洲同時開放了868 MHz頻率來適應RKE系統的增長需求。

圖1? RKE系統結構框圖

　　RKE系統的用戶可以通過鑰匙鏈發送數據來打開和關閉汽車門。圖1中，用戶可以按下按鍵開關來發起與接收機的通信，通過一串64～128位長度的數據流進行發送器和接收器的會話。該數據流包括前引導碼、命令碼和一串加密滾動碼。通信速率通常選用2～20 kHz之間，采用ASK調制方式，主要為了延長發送部分鑰匙鏈中電池的使用壽命。

1? 系統設計

1.1? 功率設計

　　設計中主要考慮的是低電流消耗情況下的高可靠性、系統的成本以及發送器和接收器的壽命。對于發送器，電池壽命在3~5年是可以滿足要求的。電池壽命對于接收器件也很重要，因為接收器件必須總是在線偵聽發送端數據，典型的電流要求不超過1 mA。一個設計方法是，在一定時間內,接收端保證能夠檢測到有效的發送信號；為了最大限度地節約電量，接收器在其他的時間睡眠。

1.2? 安全性設計

　　系統的安全性也是一項主要考慮的因素。通過采用Microchip公司專為RKE系統設計的使用DES算法的安全密鑰芯片HCS300來實現系統數據的安全加密，防止發送的數據被惡意盜取拷貝；同時在接收端使用MC9RS08KA2進行解密和繼電器控制。

　　HCS300的操作電壓為2.0~6.3 V,是一個可編程28位串行碼、64位加密鍵值、66位發送長度、32位跳頻碼、4位按鍵碼、2位狀態碼，具有鍵值讀保護措施的芯片。

　　DES編碼、解碼圖如圖2和圖3所示。

圖2? DES編碼圖

圖3? DES解碼圖

　　16位的同步計算器,在每次發送代碼后都要發生改變。它隨按鍵的次數而增加。根據DES算法加密,在每次發送的代碼中，由于同步計數器的變化而使得每次發送的代碼有大于50%的部分不一樣。圖2說明在編碼過程中如何使用HCS300的內部可編程EEPROM，一旦編碼器檢測有按鍵按下，它就立即讀鍵值，同時刷新同步計數器。按鍵和同步計數器經過加密算法處理，輸出數據是32位的加密信息。攜帶按鍵信息的32位代碼和串行碼組成了整個發送碼，將被接收部分接收到。

　　解碼部分必須先學習發送端的數據碼，學習包括計算發送端的鍵值、解密32位的加密信息和可編程陣列中的串行碼、同步計數器以及鍵值。在正常的操作模式中，每次接收到的有效格式的信息都被計算。串行碼用于表示發送碼是否被學習過。如果發送碼被學習過，那么它的信息被解密和同步計數器值校驗，最后接收系統執行按鍵操作請求。圖3表示了接收部分接收到的信息和它的可編程EEPROM（設計中使用AT24C02）中存儲信息的關系。

1.3? 射頻收發器件和微處理器特性

　　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Maxim公司的MAX1473接收芯片和MAX7044發射芯片。

　　MAX7044發射芯片工作電壓為+2.1~6.0 V，7.7 mA的低工作電流，250 μs的啟動時間。通信速率能達到100 kbps,小封裝3 mm×3 mm，8引腳SOT23封裝。它消除了基于SAW發送器設計的問題；采用晶體結構，提供了更大的調制深度和快速的頻率響應機制；降低了溫度的影響，溫度范圍可達-40~125 ℃。

　　MAX1473接收芯片采用3.3 V鋰電池供電，250 μs啟動時間，小于2.5 μA的待機模式工作電流，-114 dBm的靈敏度；采用TSSOP 28引腳封裝設計。

　　MC9RS08KA2作為Freescale公司新推出的一款集成多個功能的高性價比MCU，具有鍵盤中斷和高達20 MHz的內部時鐘，以及8位模計數器，2 KB Flash空間，63字節RAM；同時有等待和3種停止模式，滿足系統的超低功耗設計（設計中電流小于1 μA），以及簡易的6引腳BDM編程調試接口，便于系統的實時升級。設計中采用6引腳DFN精密小引腳封裝，滿足系統的小體積要求。

1.4? 硬件設計圖

　　按鍵DES硬件加密部分電路如圖4所示。發送部分射頻前端電路如圖5所示。

　　接收部分射頻前端電路如圖6所示，元器件參數如表1所列。接收部分微處理器控制電路如圖7所示。

圖4? 按鍵DES硬件加密部分電路

圖5? 發送部分射頻前端電路

圖6? 接收部分射頻前端電路

表1? 典型電路的元器件參數

圖7? 接收部分微處理器控制電路

1.5? 軟件設計

　　編碼加密操作流程如圖8所示。

圖8? 編碼加密操作流程

　　如果有按鍵按下，HCS300將被喚醒，同時通過10 ms延時消抖。同步計數器、描述信息、按鍵信息被編碼形成跳頻碼。每次發送跳頻碼都會不一樣，即便是同一個按鍵按下，在64K次按鍵過程中發送的跳頻碼也不會發生重復，因此在較長的時間內，按鍵密鑰信息不會被盜取。如果在發送的過程中檢測到新的按鍵按下，那么將會立即復位，而且當前的代碼將不會繼續執行；離開按鍵后，對代碼字是沒有影響的，除非沒有按鍵繼續保持按下狀態，在任何情況下傳輸代碼都會完成，同時系統下電。

　　接收部分解碼解密流程如圖9所示。

圖9? 解碼解密流程

　　上電后，MC9RS08KA2開始判斷系統是否有I/O中斷產生。如果沒有，則系統進入低功耗睡眠模式（停止模式3）；如果有I/O中斷產生，那么進入中斷，喚醒MCU，同時進行軟件DES算法解密。如果解密不成功，則繼續接收數據；如果解密成功，則執行相應的繼電器操作（如開/關門等），然后系統繼續進入睡眠狀態。

2? 結論

　　通過結合多家外圍器件和微處理器件，利用Microchip KEELOQ芯片的安全性，Maxim的射頻芯片的可靠性、穩定性和Freescale微處理器的高集成度及性價比，整合各家優勢，提高了系統的整體性能。通過實際運行，系統達到了預先設計的要求。本次設計只使用了2個按鍵，根據需要可以外擴功能按鍵達到15個，用于實現不同的控制信息要求。設計人員可以根據自行需要進行相應的擴展。