當(dāng)今70%的汽車(chē)商選用RKE(Remote Keyless Entry,遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入)系統(tǒng)，或?qū)⑵渥鳛橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)。RKE系統(tǒng)主要由按鍵加密發(fā)送器和車(chē)內(nèi)內(nèi)置接收器組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它們主要用在汽車(chē)門(mén) 控制、無(wú)線(xiàn)傳感器、汽車(chē)無(wú)線(xiàn)胎壓監(jiān)測(cè)TPMS(Tire Pressure Monitor System)等方面，使用的頻率是315 MHz(美國(guó)和日本地區(qū))、433.92 Hz(歐洲地區(qū))。歐洲同時(shí)開(kāi)放了868 MHz頻率來(lái)適應(yīng)RKE系統(tǒng)的增長(zhǎng)需求。
圖1 RKE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
RKE系統(tǒng)的用戶(hù)可以通過(guò)鑰匙鏈發(fā)送數(shù)據(jù)來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉汽車(chē)門(mén)。圖1中，用戶(hù)可以按下按鍵開(kāi)關(guān)來(lái)發(fā)起與接收機(jī)的通信，通過(guò)一串64～128位長(zhǎng)度 的數(shù)據(jù)流進(jìn)行發(fā)送器和接收器的會(huì)話(huà)。該數(shù)據(jù)流包括前引導(dǎo)碼、命令碼和一串加密滾動(dòng)碼。通信速率通常選用2～20 kHz之間，采用ASK調(diào)制方式，主要為了延長(zhǎng)發(fā)送部分鑰匙鏈中電池的使用壽命。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 功率設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中主要考慮的是低電流消耗情況下的高可靠性、系統(tǒng)的成本以及發(fā)送器和接收器的壽命。對(duì)于發(fā)送器，電池壽命在3~5年是可以滿(mǎn)足要求的。電池 壽命對(duì)于接收器件也很重要，因?yàn)榻邮掌骷仨毧偸窃诰€(xiàn)偵聽(tīng)發(fā)送端數(shù)據(jù)，典型的電流要求不超過(guò)1 mA。一個(gè)設(shè)計(jì)方法是，在一定時(shí)間內(nèi),接收端保證能夠檢測(cè)到有效的發(fā)送信號(hào);為了最大限度地節(jié)約電量，接收器在其他的時(shí)間睡眠。
1.2 安全性設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的安全性也是一項(xiàng)主要考慮的因素。通過(guò)采用Microchip公司專(zhuān)為RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的使用DES算法的安全密鑰芯片HCS300來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全加密，防止發(fā)送的數(shù)據(jù)被惡意盜取拷貝;同時(shí)在接收端使用MC9RS08KA2進(jìn)行解密和繼電器控制。
HCS300的操作電壓為2.0~6.3 V,是一個(gè)可編程28位串行碼、64位加密鍵值、66位發(fā)送長(zhǎng)度、32位跳頻碼、4位按鍵碼、2位狀態(tài)碼，具有鍵值讀保護(hù)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(jì)算器,在每次發(fā)送代碼后都要發(fā)生改變。它隨按鍵的次數(shù)而增加。根據(jù)DES算法加密,在每次發(fā)送的代碼中，由于同步計(jì)數(shù)器的變化而 使得每次發(fā)送的代碼有大于50%的部分不一樣。圖2說(shuō)明在編碼過(guò)程中如何使用HCS300的內(nèi)部可編程EEPROM，一旦編碼器檢測(cè)有按鍵按下，它就立即 讀鍵值，同時(shí)刷新同步計(jì)數(shù)器。按鍵和同步計(jì)數(shù)器經(jīng)過(guò)加密算法處理，輸出數(shù)據(jù)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(gè)發(fā)送碼，將被 接收部分接收到。
解碼部分必須先學(xué)習(xí)發(fā)送端的數(shù)據(jù)碼，學(xué)習(xí)包括計(jì)算發(fā)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(jì)數(shù)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(jì)算。串行碼用于表示發(fā)送碼是否被學(xué)習(xí)過(guò)。如果發(fā)送碼被學(xué)習(xí)過(guò)，那么它的信息被解密和同步計(jì)數(shù)器值校驗(yàn)，最后接 收系統(tǒng)執(zhí)行按鍵操作請(qǐng)求。圖3表示了接收部分接收到的信息和它的可編程EEPROM(設(shè)計(jì)中使用AT24C02)中存儲(chǔ)信息的關(guān)系。
1.3 射頻收發(fā)器件和微處理器特性
為了保證系統(tǒng)能夠在較低電流消耗的情況下，有較高的發(fā)射功率和接收靈敏度，系統(tǒng)選用了Maxim公司的MAX1473接收芯片和MAX7044發(fā)射芯片。
MAX7044發(fā)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(dòng)時(shí)間。通信速率能達(dá)到100 kbps,小封裝3 mm×3 mm，8引腳SOT23封裝。它消除了基于SAW發(fā)送器設(shè)計(jì)的問(wèn)題;采用晶體結(jié)構(gòu)，提供了更大的調(diào)制深度和快速的頻率響應(yīng)機(jī)制;降低了溫度的影響，溫度范 圍可達(dá)-40~125 ℃。
MAX1473接收芯片采用3.3 V鋰電池供電，250 μs啟動(dòng)時(shí)間，小于2.5 μA的待機(jī)模式工作電流，-114 dBm的靈敏度;采用TSSOP 28引腳封裝設(shè)計(jì)。
MC9RS08KA2作為Freescale公司新推出的一款集成多個(gè)功能的高性?xún)r(jià)比MCU，具有鍵盤(pán)中斷和高達(dá)20 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘，以及8位模計(jì)數(shù)器，2 KB Flash空間，63字節(jié)RAM;同時(shí)有等待和3種停止模式，滿(mǎn)足系統(tǒng)的超低功耗設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)中電流小于1 μA)，以及簡(jiǎn)易的6引腳BDM編程調(diào)試接口，便于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)升級(jí)。設(shè)計(jì)中采用6引腳DFN精密小引腳封裝，滿(mǎn)足系統(tǒng)的小體積要求。
1.4 硬件設(shè)計(jì)圖
按鍵DES硬件加密部分電路如圖4所示。發(fā)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(shù)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(fā)送部分射頻前端電路
1.5 軟件設(shè)計(jì)
編碼加密操作流程如圖8所示。
如果有按鍵按下，HCS300將被喚醒，同時(shí)通過(guò)10 ms延時(shí)消抖。同步計(jì)數(shù)器、描述信息、按鍵信息被編碼形成跳頻碼。每次發(fā)送跳頻碼都會(huì)不一樣，即便是同一個(gè)按鍵按下，在64K次按鍵過(guò)程中發(fā)送的跳頻碼也 不會(huì)發(fā)生重復(fù)，因此在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，按鍵密鑰信息不會(huì)被盜取。如果在發(fā)送的過(guò)程中檢測(cè)到新的按鍵按下，那么將會(huì)立即復(fù)位，而且當(dāng)前的代碼將不會(huì)繼續(xù)執(zhí)行; 離開(kāi)按鍵后，對(duì)代碼字是沒(méi)有影響的，除非沒(méi)有按鍵繼續(xù)保持按下?tīng)顟B(tài)，在任何情況下傳輸代碼都會(huì)完成，同時(shí)系統(tǒng)下電。
接收部分解碼解密流程如圖9所示。
上電后，MC9RS08KA2開(kāi)始判斷系統(tǒng)是否有I/O中斷產(chǎn)生。如果沒(méi)有，則系統(tǒng)進(jìn)入低功耗睡眠模式(停止模式3);如果有I/O中斷產(chǎn)生， 那么進(jìn)入中斷，喚醒MCU，同時(shí)進(jìn)行軟件DES算法解密。如果解密不成功，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù);如果解密成功，則執(zhí)行相應(yīng)的繼電器操作(如開(kāi)/關(guān)門(mén)等)，然后 系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
2 結(jié)論
通過(guò)結(jié)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(wěn)定性和Freescale微處理器的高集成度及性?xún)r(jià)比，整合各家優(yōu)勢(shì)，提高了系統(tǒng)的整體性 能。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)的要求。本次設(shè)計(jì)只使用了2個(gè)按鍵，根據(jù)需要可以外擴(kuò)功能按鍵達(dá)到15個(gè)，用于實(shí)現(xiàn)不同的控制信息要求。設(shè)計(jì)人員可 以根據(jù)自行需要進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展。