PKE智能钥匙系统设计
智能PKE系统设计
第28卷第4期增刊2007年4月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific Instr umentVol128No14Apr12007智能P KE系统设计刘正琼,韦 康,吴 玺,孙述鹏(合肥工业大学计算机与信息学院 合肥 230009)摘 要:随着汽车越来越向智能化和人性化发展,P KE系统将会成为汽车门禁系统的主流。
本文介绍了一种新的汽车智能无匙门控系统设计方案,给出具体的软、硬件设计,并对设计中的关键技术进行详细的描述。
该系统功耗低、收发距离远、可靠性及安全性高,具有很好的应用前景。
关键词:被动无匙门控;智能应答器;KEE L OQ滚码编码;声表面波谐振器Design of intelligent P KE systemLi u Zhengqio ng,Wei Kang,Wu X i,Sun Shupeng(School of Compute r a nd I nf or ma tion,He f ei U nive rsit y of Tec hnology,H ef ei230009,China)Abstract:Wit h t he development of i nt elli gence a nd convenience of car s,t he P KE syst em wil l become t he main t ec hnology of cars door manager syst em.Thi s paper p ut s forward a new scheme of t he P KE syste m and gives t he desi gn of hardware and soft ware.Moreover t he key t echnologies in design a re anal yzed in det ail.The te st re sult s show t hat t hi s system has many a dvant age s suc h as low power,long comm unication di st ance,high re2 liabilit y and hi gh securit y.Because of so many virt ue s,t hi s P KE syste m will be widely used i n t he f ut ure.K ey w or ds:passive keyless ent ry;intelligent responder;K EELOQ coding;sur face ac oustic wave resonator1 引 言随着汽车时代的到来,汽车无线接入技术得到了更为广泛的应用。
汽车无钥匙进入系统设计期望达到的目标
汽车无钥匙进入系统设计期望达到的目标
(1)低功耗：PKE系统钥匙端电池期望可以工作5年以上，所以必须采用一系列措施降低系统功耗，从而延长钥匙端电池的寿命。
可以从器件的选择，系统
的工作方式，电路的设计等角度减少能耗。
(2)设计成本：因为PKE系统只是让车主体验更舒适的行车感觉，所以不能让系统的成本太高，不然会给车主造成额外较多负担，此外如果同样是PKE系统而别的设计者设计的系统成本低，那么就会影响次PKE系统的推广，失去市场的竞争力。
(3)信号传递质量：因为外界各种干扰因素，必然使基站与钥匙端信号的传递受到一定的干扰，我们不能通过提高发送信号的功率来抑制干扰信号，否则有悖于低功耗的原则。
因此只能通过加强接收电路接收信号时候的灵敏度来提高信
号传递的质量。
(4)防盗问题：汽车防盗是问题的重中之重，为了实现防盗功能，系统采用PWM波调制技术，在钥匙端与车载基站端进行双向通信时采用了滚码加密的加密方法，从而实现了汽车无钥匙进入系统很高的安全性，可靠性，微系统的推广提供了可靠的技术保障。
PKE系统的防冲突设计
PKE系统的防冲突设计PKE系统（Passive Keyless Entry System）是一种无线电频率识别技术，用于汽车等车辆的无钥匙进入和启动。
防冲突设计是PKE系统的一个重要部分，目的是确保每辆车辆的PKE系统不会与其他车辆的系统发生冲突，同时提供安全和可靠的无钥匙进入和启动功能。
本文将讨论PKE系统的防冲突设计。
1.频率分配：PKE系统需要使用一定的无线电频谱进行通信。
为了避免不同车辆的PKE系统使用相同的频率而发生干扰，一种常见的防冲突设计是使用频率分配。
每个PKE系统被分配一个不同的频率范围，以确保不同车辆之间不会发生干扰。
这样可以避免其他车辆的无线信号干扰和干扰自身车辆的信号。
2.编码和解码：PKE系统使用编码和解码算法来确保无线通信的安全性和可靠性。
编码是指将要传输的信息转换为一种特殊的格式，而解码则是将接收到的编码信息恢复为原始信息。
这样可以防止未经授权的车辆窃取PKE系统的信号，并避免与其他车辆的PKE系统发生冲突。
编码和解码的算法可以是对称密钥算法或非对称密钥算法，以提高系统的安全性。
3.双向认证：PKE系统可以采用双向认证来进一步增强安全性。
双向认证是指PKE 系统和车辆之间需要相互验证身份才能进行无线通信。
这样可以防止伪造的PKE系统冒充合法的系统发送信号，并防止其他车辆的PKE系统与自身车辆的系统发生冲突。
双向认证可以使用数字证书、密钥交换协议等技术来实现。
4.时隙分配：PKE系统可以采用时隙分配技术来防止多个车辆的PKE系统在同一时间冲突。
时隙分配是指将时序划分为一定数量的时隙，并为每个车辆分配不同的时隙，以确保不同车辆的PKE系统在同一时间使用不同的时隙进行通信。
这样可以避免PKE系统之间的冲突，提高系统的可靠性。
5.抗干扰设计：PKE系统需要具备一定的抗干扰能力，以应对干扰源的干扰。
干扰源可以是其他车辆的无线设备、电子设备或其他无线通信设备。
为了保证PKE系统的正常工作，可以采用频率跳变、信号加密、信号调制等技术来提高系统的抗干扰能力。
被动无钥匙门禁(PKE)演示方案
被动无钥匙门禁(PKE)演示方案引言汽车市场主要的防盗方式包括发动机防盗锁止系统(IMMO)、遥控门锁(RKE)、无钥匙门禁(PKE)、双向智能钥匙、红外线侦测、气流侦测和GPS卫星定位等，其中以IMMO 和RKE 的应用最为广泛。
无钥匙门禁系统(PKE)在RKE 基础之上发展起来，作为新一代防盗技术正在逐步发展壮大，目前已经从高档车市场逐步进入中档车市场。
资源介绍μPD78F0503和μPD78F0881是NEC 电子ALL FLASH 的78K0 系列的汽车级产品，采用NEC 电子第三代Flash 技术，降低功耗的同时，也降低了Flash 的工作电压，仅为2V。
这两款单片机不仅包括UART 接口、8/16 位定时器、CSI 接口、多路10 位A/D 等通用模块，同时集成了8MHz 内部高速时钟和240kHz 内部低速时钟。
当时钟达到20MHz 时，指令最短执行时间仅为0.1μs。
提供POC（上电清零电路）和LVI（低电压检测电路），这使得整个系统不需外加复位电路就能保证正常复位，LVI 提供16 个压差为0.15V 的电压供选择。
内部Flash 具有自编程功能，可作为模拟EEPROM。
内置看门狗定时器、按键中断、乘法器/除法器、时钟输出/蜂鸣器输出电路等。
μPD78F0881是78K0/Fx2 系列的产品，它是专用的车身控制器，内部集成10 路定时器，包括4 路16 位定时器和6 路8 位定时器，此外还集成了CAN和LIN 的模块，支持1 通道CAN 和1 通道的LIN 接口，用做车身接点的控制。
PKE 工作原理PKE 工作原理为：当低频（LF）发射器检测到触发输入时，将发送一条编码。
PKE系统加入六路低频驱动芯片的设计,大大提高了防盗与防抢性能
PKE系统加入六路低频驱动芯片的设计，大大提高了防盗与防抢性能前言汽车市场主要的防盗方式包括发动机防盗锁止系统（IMMO）、遥控门锁（RKE）、无钥匙门禁（PKE）、电子转向柱锁、双向智能钥匙和GPS卫星定位等，其中以IMMO和RKE的应用最为广泛。
无钥匙进入系统（PKE）技术是在相当成熟的RKE基础上发展起来，集成了IMMO和RKE功能。
PKE作为新一代防盗技术正在逐步发展壮大，目前已经从奔驰、宝马等高端车市场逐步进入如像福特蒙迪欧、日产的天籁的部分车型等中档车市场。
车内区域检测精度和系统安全是衡量PKE系统性能的重要指标，本文采用Atmel公司的六路低频驱动芯片ATA5279发射低频信号，采用三维全向天线接收的方法实现车内区域精确定位。
PKE系统工作原理PKE系统主要包括三个部分：车身基站、低频天线和电子钥匙。
通过双向交互认证来验证电子钥匙的身份。
车身基站采用主动式的工作方式，其行为不依赖于电子钥匙的指令，结合车身微动开关的触发激活系统认证和区域检测，决定是否打开车锁或其他动作。
低频信号唤醒：用户携带电子钥匙处在低频天线信号覆盖范围内并给予一个触发信号如拉动门把手时，车身主机通过低频天线发送一条编码的低频报文。
电子钥匙通过三维天线接收低频报文，并对该数据信息进行验证。
如果与钥匙内存储的数据匹配，钥匙则会被唤醒。
射频信号验证：钥匙被识别唤醒后，将会分析车身主机发送的认证口令，使用HITAG2算法对数据进行加密并通过射频信号发送回主机。
主机把收到的数据与内部计算的数据进行比较，如果验证匹配通过，就会打开车门锁。
认证过程几十毫秒即可完成，车主并不会感到有迟滞。
用户进入车内后，只需要按一下启动键，汽车发动机便会启动。
启动时验证过程和开门过程大致相同，但启动发动机时系统需要验证携带钥匙的人是否在主驾驶区域，以防止儿童误触发。
系统结构系统总体设计PKE系统结构如图1所示。
车身基站控制单元采用LQFP64封装的8位HCS08-MC9S08DZ60，该MCU内嵌CAN控制器，具有2路SCI、1路SPI外设。
PKE智能钥匙系统工作原理详解
PKE智能钥匙系统工作原理详解随着汽车电子技术的不断发展，传统的无线门禁系统已无法满足广大用户的需求。
免持式被动无钥匙门禁系统PKE（Passive Keyless Entry）正迅速成为汽车远程无钥匙门禁应用的主流，并成为新型汽车的普遍选择。
在汽车装配有PKE 智能钥匙系统的情况下，车主只要靠近车辆或者碰一下车门，车门就能自动打开[1]。
PKE 智能钥匙系统是汽车智能化、信息化、电子化的体现，提高了整车的安全性、可靠性、舒适性，具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益。
1系统硬件设计1.1 PKE 系统的工作原理PKE 智能钥匙系统分为基站（车身）和应答器（钥匙）两部分，系统框图如图1 所示。
这两部分之间采取双向通信。
该系统有两种工作方式：第一种是车辆中的基站单元不停地发送一条编码为125 kHz 的低频报文以搜寻并唤醒一定范围内的应答器。
该信号范围内的所有应答器都能够接收到该报文，并对编码的数据字段进行验证。
一旦车主身上的应答器识别成功，它就会自动发送一条频率为433.92 MHz 的射频Keeloq 编码报文，基站单元在收到该报文后对其进行解码，如果识别成功，将控制指令执行机构打开车门。
第二种工作方式中基站单元为了降低电流消耗并不会轮询应答器。
基站单元一般处于休眠状态或掉电状态，只有当触发事件发生时才能将其唤醒，该触发事件一般是汽车门把手上的红外信号或者是由汽车门把手装置激活的微动开关。
在第二种工作方式下车主必须碰一下车门才能触发系统，从而打开车门。
1.2 应答器（钥匙）模块设计应答器模块由微控制器、高频发射电路、低频接收电路和开关按钮组成，其电路图如图2 所示。
由于应答器模块是车主随身携带的，所以该模块必须以体积小、功耗低为设计原则，同时必须具备一定的安全性。
根据以上特性，微控制器选择微芯公司的PIC16F639。
该芯片采用SSOP 封装，体积小，内置一个Keeloq 加密模块和一个3 通道模拟前。
PKE系统的防冲突设计
PKE系统的防冲突设计
引言
使用RFID技术的免持式被动无钥匙门禁系统PKE(passivekeylessentry)，作为新一代防盗技术正逐渐成为汽车门禁系统应用的主流，成为新车型的普遍
选项。
该方法无需用手按动发送器按钮来锁上或者打开车门，只要拥有一个有
效的应答器就可方便地进出车辆。
1RKE和PKE的区别
传统RKE(remotekeyentry)钥匙系统，是通过车主在找到自己的车辆时，主动在钥匙端按一下开锁键，由钥匙端主动发送打开车门的命令到车身控制模块，车身控制模块在识别该条开门指令后，通过解密验证后，车身控制模块发
出车门锁打开指令给汽车，从而实现开车门。
关车门时，也是通过车主在钥匙
端按一下上锁键，钥匙端主动发送上锁指令，车身控制模块收到指令后，给汽
车上锁。
PKE开锁过程是：由车主拉一下门把手使车身控制模块发送激活命令，
从而激活汽车周围的钥匙，被激活的钥匙主动发送开锁指令到车身控制模块，
车身控制模块打开车锁。
当汽车熄火后，钥匙离开汽车有效范围，因负载调制
原理触发车身控制模块发送扫描车身周围是否有钥匙存在，如果钥匙已离开车
身周围，则车身控制模块发出关锁指令，关上车门。
可见PKE和RKE不同之处在于PKE开锁或上锁都不需要车主按相应的
按键，控制模块会自动判断钥匙是否在有效范围并进行开锁或上锁操作。
2PKE工作原理
车主拉门把手让汽车产生开门的触发条件。
控制模块接收到触发输入条
件后，基站系统将发送一条编码的低频报文(唤醒码)。
在该低频信号范围内的。
汽车上的PKE无钥匙进入技术应用，汽车无钥匙启动系统的设计
汽车上的PKE无钥匙进入技术应用，汽车无钥匙启动系统的设
计
汽车无钥匙进入系统的设计值得收藏！汽车PKE系统，指的是只需要将PKE放在身上,在靠近之时,当行驶者踏进指定范围时，系统即可识别出汽车授权的行驶者并自动开门；离开汽车时，门锁会自动锁上并进到防盗状态。
汽车无钥匙钥匙系统简化汽车便捷操作，无钥匙系统主要由PKE 低频接收发射天线、高频接收发射集成。
移动管家手机控车PKE无钥匙启动系统融合遥控启动系统和无钥匙进入系统，一键启动系统，手机远程启动，以及蓝牙无感控制等。
由中山迈易科技研发设计的汽车无钥匙进入PKE系统滚码加密技术，通过低频、高频整合通信的方式，实现双向通信模式下的汽车开关锁，通过汽车无钥匙进入系统的软硬件设计确保系统的安全可靠。
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PKE智能钥匙系统设计摘要：介绍了一种基于微芯公司PIC16F639和PIC18F4680单片机的汽车无钥匙门禁系统的设计方案。
设计了应答器模块的高频发射与低频接收电路，基站模块的高频接收与低频发射电路，并给出了应答器模块的工作流程图。
详尽分析了Keeloq加密解密过程以及系统间的通信协议。
结果显示，此设计方案能够满足实际应用中的各种通信要求。
关键词：智能钥匙；被动无钥匙门禁；Keeloq加密；低频唤醒随着汽车电子技术的不断发展，传统的无线门禁系统已无法满足广大用户的需求。
免持式被动无钥匙门禁系统PKE（Passive Keyless Entry）正迅速成为汽车远程无钥匙门禁应用的主流，并成为新型汽车的普遍选择。
在汽车装配有PKE智能钥匙系统的情况下，车主只要靠近车辆或者碰一下车门，车门就能自动打开[1]。
PKE智能钥匙系统是汽车智能化、信息化、电子化的体现，提高了整车的安全性、可靠性、舒适性，具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益。
1 系统硬件设计1.1 PKE系统的工作原理 PKE智能钥匙系统分为基站（车身）和应答器（钥匙）两部分，系统框图。
这两部分之间采取双向通信。
该系统有两种工作方式：第一种是车辆中的基站单元不停地发送一条编码为125 kHz的低频报文以搜寻并唤醒一定范围内的应答器。
该信号范围内的所有应答器都能够接收到该报文，并对编码的数据字段进行验证。
一旦车主身上的应答器识别成功，它就会自动发送一条频率为433.92 MHz的射频Keeloq编码报文，基站单元在收到该报文后对其进行解码，如果识别成功，将控制指令执行机构打开车门。
第二种工作方式中基站单元为了降低电流消耗并不会轮询应答器。
基站单元一般处于休眠状态或掉电状态，只有当触发事件发生时才能将其唤醒，该触发事件一般是汽车门把手上的红外信号或者是由汽车门把手装置激活的微动开关。
在第二种工作方式下车主必须碰一下车门才能触发系统，从而打开车门。
1.2 应答器（钥匙）模块设计应答器模块由微控制器、高频发射电路、低频接收电路和开关按钮组成，其电路图。
由于应答器模块是车主随身携带的，所以该模块必须以体积小、功耗低为设计原则，同时必须具备一定的安全性。
根据以上特性，微控制器选择微芯公司的PIC16F639。
该芯片采用SSOP封装，体积小，内置一个Keeloq加密模块和一个3通道模拟前端，可用于多种低频检测和双向智能通信。
应答器模块采用3 V纽扣电池供电，采用内部4 MHz时钟。
在没有低频激励的情况下，应答器模块以标准RKE（Remote Key Entry）模式工作，当接收到有效的低频激励报文时，微控制器将如同按下一个虚拟按键一样做出响应。
4个按键（S1~S4）分别接到微控制器的PORT A口，通过电平的变化唤醒休眠中的PIC16F639，并触发中断，完成相应的上锁、解锁、报警等功能。
当中断程序完成以后，PIC16F639将重新进入休眠模式。
二极管D1用来指示高频信号的发射，高频信号由引脚RC5发出的PWM经过声表面波谐振器产生[2]。
应答器对基站发送过来的低频唤醒信号通过PIC16F639的3通道模拟前端实现。
PIC16F639具有高达3 mVpp 的模拟输入灵敏度的3个天线连接引脚(LCX、LCY、LCZ)。
通过连接3个分别指向x轴、y轴、z轴的天线，应答器可以随时接收来自任何方向的信号，从而降低由天线的方向性而造成信号丢失的可能性。
在此系统中，3个方向天线采用PREMO公司专门为PIC16F639设计的集成天线模块，该天线模块体积小、精度高，电感值在出厂时已经配置好，只需要配合对应通道的电容便可使用。
对于免持式操作，由于应答器持续等待并检测输入信号，产生电池预期寿命的问题。
为了减小工作电流，可以对模拟前端内置的输出使能滤波器进行配置，设定报头匹配序列。
当模拟前端搜寻信号时，数字MCU部分可以进入休眠模式，只有在低频输入信号的报头序列波形与滤波器所设定的吻合时，才能唤醒数字MCU。
即当有效低频信号通过内部电路解调并在PORT C口RC3引脚上输出LFDATA数字信号时，利用与RC3相连的PORT A口RA2引脚触发中断，才能唤醒休眠中的数字MCU。
PIC16F639通过内部SPI配置模拟前端。
应答器模块的高频发射电路。
声表面波谐振器SAW与功率放大器Q1构成了一个开关键控高频发射器。
L1作为高频发射器的天线，一般通过PCB上的金属走线形成。
系统需要发送的各种信息经过Keeloq加密并PWM编码后由RC5引脚输出，当输出为高电平时驱动发射电路工作；当输出为低电平时，发射电路截止。
1.3 基站（车身）模块设计基站模块由微控制器、高频接收电路、低频发射电路、液晶显示电路及总线传输电路组成。
基站模块的微控制器采用微芯公司的PIC18F4680，工作频率为40 MHz。
该芯片拥有64 KB的Flash存储器，1 KB的EEPROM存储器及3.3 KB的SRAM存储器；还拥有1个SPI接口、1个I2C接口、1个LIN接口及1个ECAN接口，完全可以满足与汽车控制器进行信息交换的要求，同时该芯片具有丰富的I/O资源，为配置液晶屏提供了可能，让车主能够及时了解基站模块的工作情况。
本文着重介绍高频接收电路和低频发射电路的设计，其电路。
高频接收电路采用安阳市新世纪电子研究所的一款超再生接收模块J04V。
J04V是一款低功耗、小体积接收模块，采用SMT工艺，性能稳定，具有较好的灵敏度及性价比，可以广泛应用于需要长期处于接收状态的遥控报警及单片机数据传输系统。
J04V的接收频率为433.92 MHz；工作电压为3 V，工作电流只有0.2 mA，功率极低；外形尺寸为10 mm×23 mm，并且不需要外接天线，能够满足本系统的设计要求。
超再生模块J04V集成度高，接线简单，接收到的高频数字信号通过OUT引脚直接传送到PIC18F4680的RB4引脚,触发中断，中断程序进行解码操作，将编码信号还原成原始数据，从而通过总线控制相关指令执行机构动作。
低频发射电路由一个TC4422功率放大器和一个LC串联谐振电路组成。
在PKE系统中，低频信号的发射和接收通过电磁感应进行通信，当低频功放驱动器的电流为500 mA左右时可以获得较好的传送距离，而为了提高输出回路品质因数Q，低频功放驱动器的输出阻抗必须在10 Ω以下，因此选用TC4422功率放大器。
该电路可以产生一个基于PWM输出的载波信号。
TC4422放大来自微控制器的125 kHz低频信号的功率，通过由天线L1、电容C2、C3、C4组成的LC串联谐振电路后，低频方波脉冲将变成正弦波[3]。
当LC串联谐振电路的谐振频率与PWM信号的频率一致时，通过L1的负载电流最大，从而产生很强的磁场，此时发送信号强度最大。
2 系统软件设计2.1 Keeloq编码的实现 Keeloq实际上是一个“ASIC”的特别设计，内含加密及解密技术，适用于遥控或命令辨别的应用场合，如安全锁、车库门遥控、秘密通信、软件保护等。
Keeloq加密算法其实是一种非线性的数学推算公式，当输入数据经过该算法加密后，输出数据对输入数据而言就是唯一的。
Keeloq核心组成元件分别为制造商代码、序号、编码密码。
制造商代码为由制造商决定的不可泄露的原始密码，用来辨别不同制造商之间的产品，并且应答器与基站的制造商代码必须相同才能互相识别。
序号的作用是区别不同的应答器，每个应答器都有自己的一个序号。
在标准加密模式下，编码密码是由制造商代码与序号利用解码算法共同产生的，用于产生跳码，储存于微控制器的EEPROM 中。
Keeloq编码过程。
每当应答器的按键按下时，PIC16F639便将一组66 bit的加密资料以PWM编码的方式通过高频发射器传送出去。
这66 bit的加密资料包含34 bit的固定码与32 bit的跳码。
其中34 bit的固定码包括28 bit的序号、4 bit的功能键以及2 bit的状态位。
4 bit功能键表明了应答器中哪一个按键已被车主按下，而基站必须根据不同的功能键数值执行相应的命令。
另外，Keeloq编码加密算法利用64 bit编码密码、16 bit同步计数值、10 bit识别码、4 bit 功能键、2 bit溢位指示通过非线性数学推算公式生成32 bit的跳码[4]，而同步计数值在每一次按键按下以后将自动加1并存入EEPROM中，这将使下次编码加密时形成一组新的跳码，大大提高了安全性。
基站接收到66 bit的加密资料后，首先检查固定码中的序号是否与存储在EEROM中的序号是否一致，然后运行解密算法，得到识别码、同步计数值、功能键、溢位。
PIC18F4680先将解码后的识别码与固定码中序号的低10位进行比较，看是否相等；然后比较解码后的功能键数值与固定码中的功能键数值；最后判断解码后的同步计数值与EEPROM中的旧的同步计数值是否合理增加。
如果有一个步骤发生错误，微控制器则判定接收到的是一组不合法的资料，不会进行下一步动作。
2.2 通信协议基站与应答器之间的通信采用PWM编码方式进行半双工通信。
1个数据由3个位元组成，位元周期Te一般取100 μs～400μs，其格式。
微控制器在接收PWM时通过前导资料的指引，做好了接收数据的准备。
当同步导引过后，微控制器检测到第一个上升沿时，等待1/2Te时间后立即取样并检测是否为高电平1，如果为0则接收资料失败，然后延时一个Te时间后立即取样作为资料位元，再延时一个Te时间取样并判断，如果为高电平1则接收资料失败，最后等待下一个上升沿的到来，如等待时间超过一个Te则接收资料失败。
依此循环，直到资料全部接受完毕。
高频与低频数据发送格式。
2.3 流程图应答器工作流程图。
本文介绍了PKE智能钥匙系统的总体设计方案，给出了详尽的硬件电路及软件设计。
实践证明该系统体积小、功耗低、通信良好、安全性强、应用市场广阔，有着很大的实用价值。