PKE智能鑰匙系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】PKE智能鑰匙系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用摘要：介紹了一種基于微芯公司PIC16F639和PIC18F4680單片機(jī)的汽車無鑰匙門禁系統(tǒng)的設(shè)計方案。設(shè)計了應(yīng)答器模塊的高頻發(fā)射與低頻接收電路，基站模塊的高頻接收與低頻發(fā)射電路，并給出了應(yīng)答器模塊的工作流程圖。

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的無線門禁系統(tǒng)已無法滿足廣闊用戶的需求。免持式被動無鑰匙門禁系統(tǒng)PKE（PassiveKeylessEntry）正迅速成為汽車遠(yuǎn)程無鑰匙門禁應(yīng)用的主流，并成為新型汽車的普遍選擇。在汽車裝配有PKE智能鑰匙系統(tǒng)的情況下，車主只要靠近車輛或者碰一下車門，車門就能自動打開。PKE智能鑰匙系統(tǒng)是汽車智能化、信息化、電子化的表達(dá)，提高了整車的安全性、可靠性、舒適性，具有的市場前景和巨大的潛在效益。

智能鑰匙能發(fā)射出紅外線信號，既可打開一個或兩個車門、行李箱和燃油加注孔蓋，也可以操縱汽車的車窗和天窗，更先進(jìn)的智能鑰匙則像一張信用卡，當(dāng)司機(jī)觸到門把手時，中央鎖控制系統(tǒng)便開始工作，并發(fā)射一種無線查詢信號，智能鑰匙卡作出正確反應(yīng)后，車鎖會自動打開。只有當(dāng)中央處理器感知鑰匙卡在汽車內(nèi)時，發(fā)動機(jī)才會啟動。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1PKE系統(tǒng)的工作原理

無鑰匙門禁系統(tǒng)（PKE，PassiveKeylessEntry）在RKE根底之上發(fā)展起來，作為新一代防盜技術(shù)正在逐步發(fā)展壯大，目前已經(jīng)從車市場逐步進(jìn)入中檔車市場，不僅奔馳、寶馬等高端汽車制造商已經(jīng)廣泛采用了PKE，像福特蒙迪歐、日產(chǎn)的天籟和新型馬自達(dá)等中型車型也紛紛采用這一技術(shù)。PKE不是傳統(tǒng)的鑰匙，而是一個智能鑰匙，類似于智能卡。當(dāng)駕駛者踏進(jìn)指定范圍時，該系統(tǒng)通過識別判斷如果是合法授權(quán)的駕駛者則開展自動開門。上車之后，駕駛者只需要按一個按鈕即可啟動點火開關(guān)。

PKE智能鑰匙系統(tǒng)分為基站（車身）和應(yīng)答器（鑰匙）兩部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。這兩部分之間采取雙向通信。該系統(tǒng)有兩種工作方式：種是車輛中的基站單元不停地發(fā)送一條編碼為125kHz的低頻報文以搜尋并喚醒一定范圍內(nèi)的應(yīng)答器。該信號范圍內(nèi)的所有應(yīng)答器都能夠接收到該報文，并對編碼的數(shù)據(jù)字段開展驗證。一旦車主身上的應(yīng)答器識別成功，它就會自動發(fā)送一條頻率為433.92MHz的射頻Keeloq編碼報文，基站單元在收到該報文后對其開展解碼，如果識別成功，將控制指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開車門。第二種工作方式中基站單元為了降低電流消耗并不會輪詢應(yīng)答器?；締卧话闾幱谛菝郀顟B(tài)或掉電狀態(tài)，只有當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時才能將其喚醒，該觸發(fā)事件一般是汽車門把手上的紅外信號或者是由汽車門把手裝置激活的微動開關(guān)。在第二種工作方式下車主必須碰一下車門才能觸發(fā)系統(tǒng)，從而打開車門。

1.2應(yīng)答器（鑰匙）模塊設(shè)計

應(yīng)答器模塊由微控制器、高頻發(fā)射電路、低頻接收電路和開關(guān)按鈕組成，其電路圖如圖2所示。根據(jù)以上特性，微控制器選擇微芯公司的PIC16F639。該芯片采用SSOP封裝，體積小，內(nèi)置一個Keeloq加密模塊和一個3通道模擬前端，可用于多種低頻檢測和雙向智能通信。

應(yīng)答器模塊采用3V紐扣電池供電，采用內(nèi)部4MHz時鐘。在沒有低頻激勵的情況下，應(yīng)答器模塊以標(biāo)準(zhǔn)RKE（RemoteKeyEntry）模式工作，當(dāng)接收到有效的低頻激勵報文時，微控制器將如同按下一個虛擬按鍵一樣做出響應(yīng)。4個按鍵（S1~S4）分別接到微控制器的PORTA口，通過電平的變化喚醒休眠中的PIC16F639，并觸發(fā)中斷，完成相應(yīng)的上鎖、解鎖、報警等功能。二極管D1用來指示高頻信號的發(fā)射，高頻信號由引腳RC5發(fā)出的PWM經(jīng)過聲表面波諧振器產(chǎn)生。

應(yīng)答器對基站發(fā)送過來的低頻喚醒信號通過PIC16F639的3通道模擬前端實現(xiàn)。PIC16F639具有高達(dá)3mVpp的模擬輸入靈敏度的3個天線連接引腳（LCX、LCY、LCZ）。通過連接3個分別指向x軸、y軸、z軸的天線，應(yīng)答器可以隨時接收來自任何方向的信號，從而降低由天線的方向性而造成信號丟失的可能性。在此系統(tǒng)中，3個方向天線采用PREMO公司專門為PIC16F639設(shè)計的集成天線模塊，該天線模塊體積小、精度高，電感值在出廠時已經(jīng)配置好，只需要配合對應(yīng)通道的電容便可使用。當(dāng)模擬前端搜尋信號時，數(shù)字MCU部分可以進(jìn)入休眠模式，只有在低頻輸入信號的報頭序列波形與濾波器所設(shè)定的吻合時，才能喚醒數(shù)字MCU。即當(dāng)有效低頻信號通過內(nèi)部電路解調(diào)并在PORTC口RC3引腳上輸出LFDATA數(shù)字信號時，利用與RC3相連的PORTA口RA2引腳觸發(fā)中斷，才能喚醒休眠中的數(shù)字MCU。PIC16F639通過內(nèi)部SPI配置模擬前端。

應(yīng)答器模塊的高頻發(fā)射電路如圖3所示。聲表面波諧振器SAW與功率放大器Q1構(gòu)成了一個開關(guān)鍵控高頻發(fā)射器。L1作為高頻發(fā)射器的天線，一般通過PCB上的金屬走線形成。系統(tǒng)需要發(fā)送的各種信息經(jīng)過Keeloq加密并PWM編碼后由RC5引腳輸出，當(dāng)輸出為高電平時驅(qū)動發(fā)射電路工作；當(dāng)輸出為低電平時，發(fā)射電路截止。

1.3基站（車身）模塊設(shè)計

基站模塊由微控制器、高頻接收電路、低頻發(fā)射電路、液晶顯示電路及總線傳輸電路組成?；灸K的微控制器采用微芯公司的PIC18F4680，工作頻率為40MHz。該芯片擁有64KB的Flash存儲器，1KB的EEPROM存儲器及3.3KB的SRAM存儲器；還擁有1個SPI接口、1個I2C接口、1個LIN接口及1個ECAN接口，完全可以滿足與汽車控制器開展信息交換的要求，同時該芯片具有豐富的I/O資源，為配置液晶屏提供了可能，讓車主能夠及時了解基站模塊的工作情況。本文著重介紹高頻接收電路和低頻發(fā)射電路的設(shè)計，其電路如圖4、圖5所示。

高頻接收電路采用***市新世紀(jì)電子研究所的一款超再生接收模塊J04V。J04V是一款低功耗、小體積接收模塊，采用SMT工藝，性能穩(wěn)定，具有較好的靈敏度及性價比，可以廣泛應(yīng)用于需要長期處于接收狀態(tài)的遙控報警及單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。超再生模塊J04V集成度高，接線簡單，接收到的高頻數(shù)字信號通過OUT引腳直接傳送到PIC18F4680的RB4引腳，觸發(fā)中斷，中斷程序開展解碼操作，將編碼信號復(fù)原成原始數(shù)據(jù)，從而通過總線控制相關(guān)指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。

低頻發(fā)射電路由一個TC4422功率放大器和一個LC串聯(lián)諧振電路組成。在PKE系統(tǒng)中，低頻信號的發(fā)射和接收通過電磁感應(yīng)開展通信，當(dāng)?shù)皖l功放驅(qū)動器的電流為500mA左右時可以獲得較好的傳送距離，而為了提高輸出回路品質(zhì)因數(shù)Q，低頻功放驅(qū)動器的輸出阻抗必須在10Ω以下，因此選用TC4422功率放大器。當(dāng)LC串聯(lián)諧振電路的諧振頻率與PWM信號的頻率一致時，通過L1的負(fù)載電流，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，此時發(fā)送信號強(qiáng)度。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1Keeloq編碼的實現(xiàn)

Keeloq實際上是一個“ASIC”的特別設(shè)計，內(nèi)含加密及解密技術(shù)，適用于遙控或命令區(qū)分的應(yīng)用場合，如安全鎖、車庫門遙控、秘密通信、軟件保護(hù)等。Keeloq加密算法其實是一種非線性的數(shù)學(xué)推算公式，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過該算法加密后，輸出數(shù)據(jù)對輸入數(shù)據(jù)而言就是的。在標(biāo)準(zhǔn)加密模式下，編碼密碼是由制造商代碼與序號利用解碼算法共同產(chǎn)生的，用于產(chǎn)生跳碼，儲存于微控制器的EEPROM中。Keeloq編碼過程如圖6所示。

每當(dāng)應(yīng)答器的按鍵按下時，PIC16F639便將一組66bit的加密資料以PWM編碼的方式通過高頻發(fā)射器傳送出去。這66bit的加密資料包含34bit的固定碼與32bit的跳碼。其中34bit的固定碼包括28bit的序號、4bit的功能鍵以及2bit的狀態(tài)位。4bit功能鍵說明了應(yīng)答器中哪一個按鍵已被車主按下，而基站必須根據(jù)不同的功能鍵數(shù)值執(zhí)行相應(yīng)的命令。

基站接收到66bit的加密資料后，首先檢查固定碼中的序號是否與存儲在EEROM中的序號是否一致，然后運行解密算法，得到識別碼、同步計數(shù)值、功能鍵、溢位。PIC18F4680先將解碼后的識別碼與固定碼中序號的低10位開展比較，看是否相等；然后比較解碼后的功能鍵數(shù)值與固定碼中的功能鍵數(shù)值；判斷解碼后的同步計數(shù)值與EEPROM中的舊的同步計數(shù)值是否合理增加。如果有一個步驟發(fā)生錯誤，微控制器則判定接收到的是一組不合法的資料，不會開展下一步動作。

2.2通信協(xié)議

通信在不同的環(huán)境下有不同的解釋，在出現(xiàn)電波傳遞通信后通信（Communication）被單一解釋為信息的傳遞，是指由一地向另一地開展信息的傳輸與交換，其目的是傳輸消息。然而，通信是在人類實踐過程中隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展對傳遞消息的要求不斷提升使得人類文明不斷進(jìn)步。在各種各樣的通信方式中，利用“電”來傳遞消息的通信方法稱為電信（Telecommunication），這種通信具有迅速、準(zhǔn)確、可靠等特點，且?guī)缀醪皇軙r間、地點、空間、距離的限制，因而得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用；在現(xiàn)今因電波的快捷性使得從遠(yuǎn)古人類物質(zhì)交換過程中就結(jié)合文化交流與實體經(jīng)濟(jì)不斷積累進(jìn)步的實物性通信（郵政通信）被人類理解為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的阻礙。

基站與應(yīng)答器之間的通信采用PWM編碼方式開展半雙工通信。1個數(shù)據(jù)由3個位元組成，位元周期Te一般取100μs～400μs，其格式如圖7所示。延時一個Te時間取樣并判斷，