汽車安全與防盜 無鑰匙系統篇

? 汽車安全與防盜最初的電子化開始于1994年的引擎防盜（IMMO），恩智浦半導體（當時的飛利浦半導體）作為第一家半導體公司把RFID的電子標簽技術成功的應用于汽車電子引擎鎖：通過汽車與鑰匙間的125kHz的無線通訊實現電子身份識別，來判斷啟動汽車引擎。這一技術極大的提高了汽車的安全性，很快就在歐洲以及北美地區廣泛應用，并在短短幾年時間內使歐洲的汽車失竊率大幅降低了90%，因而成為整個歐洲的汽車標準配置。遙控鑰匙（RKE）的出現為人們帶來了很好的用戶體驗，滿足了人們對便利性及舒適性的要求，但由于其射頻單向通訊的技術限制，在安全性上有其自身的不足。恩智浦半導體（以下簡稱NXP）適時推出的集成方案（Combi）把引擎防盜和遙控鑰匙合二為一，用一顆芯片來實現，既提高了系統的安全性，又降低了整個鑰匙的成本，逐漸替代獨立的遙控鑰匙成為歐美日市場上的主流方案。當然，在射頻通訊上其依然保留單向通訊，安全性并沒有本質的提高。

????? 圖一

????? 2003，NXP推出了無鑰匙系統（PKE或稱PEPS），徹底改變了汽車安防應用領域的發展前景，給用戶帶來了全新舒適與便利的體驗：車主在整個駕車過程中都完全不需要使用鑰匙，只需要隨身攜帶。當車主進入車子附近的有效范圍時，車子會自動檢測鑰匙并進行身份識別，如成功會相應的打開車門或后備箱；當車主進入車內，只需要按引擎啟動按鈕，車子會自動檢測鑰匙的位置，判斷鑰匙是否在車內，是否在主駕位置，如成功則發動引擎。千萬不要小瞧這個看似不起眼的改變，它在簡化你的生活方面發揮著重大作用。無鑰匙系統絕不僅僅是帶來了舒適與方便，其在安全性方面也有了本質的提高，通過低頻和射頻的雙向通訊，汽車與鑰匙之間可以完成復雜的雙向身份認證，在安全性方面與引擎防盜類似，要遠好于傳統的遙控鑰匙。從2003年少量高端車型成功量產無鑰匙系統開始，全球市場用了兩到三年的時間推廣普及這一技術，目前，幾乎全球每一個主流車廠都有應用NXP的無鑰匙產品，覆蓋中高端的車型，甚至是低端車型。接下來我們就一起看一下這一技術到底是如何實現的：

????? 如圖二所示，無鑰匙系統共需要檢測判斷三種區域：灰色的車外區域，淡粉色的車內區域以及灰白色的主駕位置。其中灰色的陰影區包括三部分，分別表示主駕，副駕，后備箱的車門控制的有效區域，當車主帶著鑰匙進入這一位置時，車子跟鑰匙間就可以建立起有效通訊，通過低頻信號的場強檢測，車子可以判斷出鑰匙的相應位置，由此決定打開對應的車門。淡粉色的車內區域是整個PKE系統設計的難點，要精確的判斷鑰匙是否在車內，來決定車門狀態以及發動機是否可以啟動。在一些高端車型的設計中還會檢測灰白色的主駕區域，鑰匙是否有效，主駕位置是否有人，避免諸如兒童誤操作導致的引擎啟動；另外還可能包括后備箱內區域的檢測，為防止鑰匙被誤鎖入后備箱。綜上所述，我們可以發現在無鑰匙系統中，區域檢測是一個非常重要且區別于以往各種汽車安防產品的技術，因而區域檢測的精度就成為衡量一個無鑰匙系統好壞的重要參數。目前市場上主要有兩種相應技術，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，其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， 即RSSI(Received Signal Strength Indication)，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，通過多根低頻天線交叉覆蓋范圍，精確定位鑰匙的具體位置。NXP的產品全部采用第二種技術。為達到理想的性能參數，NXP提供了最小2.5 mV 的三維低頻接受前端的信號靈敏度，而典型的靈敏度值可以達到1mV。不同于其他解決方案的逐次逼近式(Successive Approximation) ADC，NXP采用12-bit的Sigma-Delta (Σ-Δ) ADC，通過多點采樣平均來消除噪聲干擾，目前已經實現的最好的車內車外檢測精度高達2cm。目前，車廠通常要求的車內車外檢測精度為5～10cm。

????? 圖二

無鑰匙系統的結構框圖如圖三所示，左側為汽車端，包括主控制器（Body Control Unit），車門把手和后備箱把手觸發模塊，引擎一鍵啟動模塊，引擎防盜基站模塊(IMMO Basestation），低頻發射模塊和射頻接收模塊。其中三個綠色的模塊主要是用來觸發整個系統，當車主拉動車門或按下一鍵啟動按鈕，相應的模塊會發送中斷信號來喚醒主控MCU，開始整個通訊過程。常見的無鑰匙系統工作模式分兩大類：觸發模式和掃描模式(polling)，其中觸發模式分為機械觸發和電子感應觸發，這里需要綜合考慮系統成本和系統性能，例如整個系統的響應時間。引擎防盜基站模塊是低頻通訊模塊(125KHz)，用來實現跟鑰匙的近距離通訊，發動引擎，這一功能是備用方案，又稱“無電模式”，只有在鑰匙電池耗盡或者有意外干擾無鑰匙系統導致無法正常工作時才會采用。這種情況下，用戶只需要手持鑰匙放在固定位置(例如凹槽)，鑰匙就可以跟基站建立通訊，進行身份認證來啟動引擎。NXP的無鑰匙系統PCF7952和 PCF7953的一大特色就是芯片本身集成了引擎防盜功能，完全兼容NXP的所有Transponder產品，包含PCF7936。這極大的提高了系統的可靠性而且不需要額外增加成本，具體細節后續還會提到。

????? 圖三

????? 低頻發射模塊和射頻接收模塊是無鑰匙系統的基本通訊鏈路，低頻發射采用125KHz，為上行鏈路（up-link），由車子端發送至鑰匙端；射頻接收采用315MHz或434MHz，為下行鏈路（down-link），由鑰匙端發送至車子端。之所以采用125KHz，一方面是為了兼容引擎防盜的相關技術，更為重要的是125KHz的信號對距離敏感，可以實現精確的距離檢測，起到關鍵的定位作用。射頻則采用傳統RKE的頻段，一方面兼容遙控鑰匙的基本功能，更利用了其通訊速度快的優勢，這里需要著重聲明的是，所謂的通訊速度是指鑰匙跟車子間用于認證加密的數據傳輸，為保證在較短時間內完成無鑰匙開門或點火的過程，需要采用較高的波特率（一般為8～20kbps），通常不建議采用低端的SAW發射模塊（1kbps左右），而采用基于鎖相環技術的發射芯片來實現，例如NXP的PCF7900，其在FSK的模式下最高波特率可達到20kbps。同樣是為了這個目的，射頻頻段也有采用更高頻的868MHz或915MHz的趨勢。如圖所示，低頻發射模塊包括多個低頻天線，安裝于車門把手內用來實現無鑰匙進入（Keyless Entry），安裝于車身內部的用來實現無鑰匙啟動（一鍵啟動Keyless Start）。

?鑰匙端的具體框圖如圖四所示，主芯片是NXP的PCF7952或PCF7953，射頻發射芯片采用NXP的PCF7900，相應的在車子端的射頻接收芯片是NXP的PQJ7910。PCF7952/53具有低頻模擬前端（LF Front End），用來連接外圍3D天線。在無鑰匙系統中，鑰匙端需要外置3D低頻天線，可以接收檢測外部空間的3D能量場強，分別為X，Y，Z軸，通過疊加3個方向上的能量，可以保證鑰匙在任何角度都能檢測到同樣的場強。其中的一軸天線還被復用為IMMO的功能，實現無電模式下的引擎啟動。通過上行和下行鏈路，鑰匙跟汽車可以建立起雙向通訊，進行復雜的身份認證。最新的一代認證技術稱為交互認證技術(Mutual-Authentication)，不僅僅需要汽車來認證鑰匙，同時也需要鑰匙來判斷車子是否合法，任何錯誤都會導致整個通訊結束，以此來保證系統的安全性。通訊距離是由低頻上行鏈路125KHz決定，通常的PKE系統工作有效距離為2.5m左右，而實際有效開關門距離為1.5m～2m。除了車內外檢測精度以外，鑰匙端的功耗也是衡量一個無鑰匙系統好壞的重要指標，PCF7952自帶的電源管理模塊可以最大程度的降低整個系統功耗，一套成熟的無鑰匙系統方案，鑰匙端在一顆2032的3V鋰電池供電的情況下，電池壽命可以長達三年。

?????

????? 圖四

????? 在無鑰匙系統之后，汽車安全與防盜產品將會走向何方？作為業界的領導者，NXP已經給出了確切的答案：Keylink，即下一代的汽車鑰匙。它最大的突破在于，把車鑰匙跟外圍的智能終端聯系起來，使鑰匙可以跟諸如手機，PDA等設備實現近距離的無線連接（link），借助于手機等智能終端的顯示功能和強大的處理能力，一個無比廣闊的應用空間擺在了我們面前：

- 隨時查詢車輛狀態，門窗狀態，油箱油量，車內溫度…手機屏幕上的顯示應有盡有

- 尋找汽車，通過鑰匙跟手機的配合，手機的GPS導航幫你輕松找到停車地點

- 輕松制定出行路線，在電腦前將選定的出行路線存入鑰匙。進入汽車時，車載導航儀將自動導入出行信息

- 車輛維護，車輛的出廠記錄，維修記錄，全部都存在鑰匙中，便于維護。

類似以上的應用還有很多很多，下面這則新聞則是Keylink的又一新應用，可以讓我們更近距離地了解這一技術，也以此作為本文的結束：

????? 2008年10月22日——寶馬（BMW）技術研發部與恩智浦半導體（NXP Semiconductors，由飛利浦創建的獨立半導體公司）推出全球第一款多功能車鑰匙原型。這款產品原型具備非接觸支付功能，個人進入控制以及先進的公共交通電子車票功能，以實現更強的移動性體驗。配備了恩智浦的SmartMX安全芯片，這款產品原型首次實現了通過車鑰匙讓駕駛者進行快速、安全和便捷的電子支付，為未來的消費者開創了激動人心的全新應用環境。