《電子技術(shù)應用》
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多路低頻驅(qū)動ATA5279在PKE系統(tǒng)中的應用設計
摘要: 本文采用Atmel公司的六路低頻驅(qū)動芯片ATA5279發(fā)射低頻信號,采用三維全向天線接收的方法實現(xiàn)車內(nèi)區(qū)域精確定位。
Abstract:
Key words :

前言

汽車市場主要的防盜方式包括發(fā)動機防盜鎖" title="防盜鎖">防盜鎖止系統(tǒng)(IMMO)、遙控門鎖(RKE)、無鑰匙" title="無鑰匙">無鑰匙門禁(PKE)、電子轉(zhuǎn)向柱鎖、雙向智能鑰匙和GPS衛(wèi)星定位等,其中以IMMO和RKE的應用最為廣泛。無鑰匙進入系統(tǒng)(PKE)技術(shù)是在相當成熟的RKE基礎(chǔ)上發(fā)展起來,集成了IMMO和RKE功能。PKE作為新一代防盜技術(shù)正在逐步發(fā)展壯大,目前已經(jīng)從奔馳、寶馬等高端車市場逐步進入如像福特蒙迪歐、日產(chǎn)的天籟的部分車型等中檔車市場。車內(nèi)區(qū)域檢測精度和系統(tǒng)安全是衡量PKE系統(tǒng)性能的重要指標,本文采用Atmel公司的六路低頻驅(qū)動芯片ATA5279發(fā)射低頻信號" title="低頻信號">低頻信號,采用三維全向天線接收的方法實現(xiàn)車內(nèi)區(qū)域精確定位。

PKE系統(tǒng)工作原理

PKE系統(tǒng)主要包括三個部分:車身基站、低頻天線和電子鑰匙。通過雙向交互認證來驗證電子鑰匙的身份。車身基站采用主動式的工作方式,其行為不依賴于電子鑰匙的指令,結(jié)合車身微動開關(guān)的觸發(fā)激活系統(tǒng)認證和區(qū)域檢測,決定是否打開車鎖或其他動作。

低頻信號喚醒:用戶攜帶電子鑰匙處在低頻天線信號覆蓋范圍內(nèi)并給予一個觸發(fā)信號如拉動門把手時,車身主機通過低頻天線發(fā)送一條編碼的低頻報文。電子鑰匙通過三維天線接收低頻報文,并對該數(shù)據(jù)信息進行驗證。如果與鑰匙內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)匹配,鑰匙則會被喚醒。

射頻信號" title="射頻信號">射頻信號驗證:鑰匙被識別喚醒后,將會分析車身主機發(fā)送的認證口令,使用HITAG2算法對數(shù)據(jù)進行加密并通過射頻信號發(fā)送回主機。主機把收到的數(shù)據(jù)與內(nèi)部計算的數(shù)據(jù)進行比較,如果驗證匹配通過,就會打開車門鎖。認證過程幾十毫秒即可完成,車主并不會感到有遲滯。

用戶進入車內(nèi)后,只需要按一下啟動鍵,汽車發(fā)動機便會啟動。啟動時驗證過程和開門過程大致相同,但啟動發(fā)動機時系統(tǒng)需要驗證攜帶鑰匙的人是否在主駕駛區(qū)域,以防止兒童誤觸發(fā)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體設計

PKE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。車身基站控制單元采用LQFP64封裝的8位HCS08-MC9S08DZ60,該MCU內(nèi)嵌CAN控制器,具有2路SCI、1路SPI外設接口、外接TJA1040接口作為CAN Node;低頻通訊模塊采用Ateml ATA5279驅(qū)動6路單獨的低頻線圈,發(fā)送125KHz低頻信號,用來實現(xiàn)跟鑰匙的近距離通訊;射頻接收模塊采用MC33596,快速接收鑰匙跟車身之間用加密認證的數(shù)據(jù)傳輸,點火鎖附近基站芯片采用PCF7991;車身基站單元采用12V電源和線性穩(wěn)壓器TLE4275取得5V電源對系統(tǒng)供電。電子鑰匙端采用PCF7952通過三維天線接收來自車身的低頻信號,經(jīng)接收器控制邏輯分析是否喚醒系統(tǒng),通過射頻發(fā)射單元PCF7900把加密后的數(shù)據(jù)發(fā)送給車身基站。

車身基站電路設計

車身硬件電路主要由電源電路、主控MCU電路、CAN節(jié)點、射頻電路、低頻電路與發(fā)動機防盜鎖止電路等部分組成。

1. CAN總線電路

在CAN節(jié)點設計中采用的是Philips公司的高速CAN轉(zhuǎn)換芯片TJA1040,MC9S08DZ60內(nèi)置CAN總線控制單元,CAN模塊的TXCAN和RXCAN分別與TJA1040的TXD和RXD連接,STB接I/O端口作為收發(fā)器控制信號。

2. 射頻接收電路

射頻電路接收部分采用的是Freescale公司的低功率射頻接收芯片MC33596。系統(tǒng)中MC33596采用FSK、曼徹斯特編碼方式接收電子鑰匙射頻信號。MC33596采用SPI方式與MC9S08DZ60通信,MC9S08DZ60內(nèi)置串行外圍設備接口模塊,連接方便。用于接收電子鑰匙發(fā)送的射頻信號。

3. 低頻發(fā)送電路

低頻發(fā)送電路采用Atmel公司的ATA5279驅(qū)動車身低頻天線,它具有優(yōu)異的EMC性能,對負載具有熱和電保護,具有非常低的關(guān)斷模式電流。ATA5279能同時驅(qū)動六路天線線圈,通過SPI接口與控制器連接,主控芯片MC9S08DZ60通過模擬SPI接口與其通訊。在實現(xiàn)區(qū)域判斷時,ATA5279可以提供20段電源管理以供信號強度" title="信號強度">信號強度檢測。電路如圖2所示,六個低頻天線放置于車身的不同位置。

圖1 PKE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 低頻信號發(fā)射電路圖

電子鑰匙電路

電子鑰匙電路由中央控制模塊、射頻發(fā)射模塊和三維低頻接收模塊組成。其中射頻發(fā)射模塊實現(xiàn)發(fā)射遠程開閉鎖命令和信號強度信息。通過低頻接收和射頻發(fā)送的方式實現(xiàn)汽車無鑰匙進入與無鑰匙啟動發(fā)動機功能。

1. 低頻接收電路

鑰匙所采用的主控芯片是由Philips公司生產(chǎn)的PCF7952。它包括安全認證芯片,具有高靈敏度的三維低頻接口,支持接收信號強度指示(RSSI)以判斷ID設備的位置。片內(nèi)遙控開鎖碼生成在硬件認證計算單元中實現(xiàn)。支持FLASH編程。三維低頻全向天線保證只要鑰匙在同一位置,無論如何放置,所處位置的場強值是不變的。

2. 射頻發(fā)送電路

當?shù)皖l驗證通過后,鑰匙端射頻模塊應該做出相應響應。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NXP公司的高集成度、單芯片發(fā)射器PCF7900。數(shù)據(jù)速率可達40kbps。PCF7900通過三線制串口方式(SPI)與PCF7952相連接,SDIO,SCK,EN,CLOCKOUT分別接在PCF7952的P20、P23、P24、P15腳。電子鑰匙電路如圖3所示。


圖3 電子鑰匙電路圖

電子鑰匙的定位

PKE系統(tǒng)通過對電子鑰匙的定位,給用戶帶來了舒適與便利。車主只需隨身攜帶電子鑰匙,有觸發(fā)動作,PKE系統(tǒng)就會自動檢測鑰匙并進行身份識別。對于PKE系統(tǒng)來說,位置檢測是PKE系統(tǒng)最關(guān)鍵的一步。位置檢測直接影響到門禁系統(tǒng)和防盜鎖止系統(tǒng)的安全性。只有定位準確,主控制器才能對發(fā)生的事件做出正確的判斷,并通知相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)做出及時正確的動作。

如圖4所示,PKE系統(tǒng)需要檢測判斷三種區(qū)域:門、后備箱附近車外區(qū)域、車內(nèi)區(qū)域和主駕駛位置。當車主在車外區(qū)域有拉門、打開后備箱等操作時會觸動微動開關(guān),從而觸發(fā)雙向認證和場強檢測過程;車內(nèi)區(qū)域識別是整個PKE系統(tǒng)設計的難點,需要精確地判斷鑰匙所處的位置,由此決定門的狀態(tài);如果檢測到鑰匙在主駕駛位置,才可以正常啟動引擎。

區(qū)域檢測有兩種方式,其一是通過調(diào)節(jié)低頻信號靈敏度強弱進而根據(jù)通訊是否穩(wěn)定進行模糊判斷,精度有限但實現(xiàn)方便;其二是基于接收低頻信號的強度檢測來判斷,根據(jù)低頻信號的大小來計算鑰匙與車內(nèi)低頻天線的相對距離。如圖4所示共放置了六個低頻天線用于區(qū)域檢測,通過多根低頻天線的交叉覆蓋范圍,來精確定位鑰匙的具體位置。電子鑰匙在識別區(qū)域內(nèi),如果被低頻信號喚醒并認證通過后,會測量其所在位置的場強,通過射頻發(fā)射相應信息至車身基站,基站將接收到的場強與原來設定好的門閥值相比較,判定此時電子鑰匙的位置。


圖4 區(qū)域檢測與天線位置

系統(tǒng)低頻電路軟件設計" title="軟件設計">軟件設計及測試分析

系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要工作是進入控制。引擎啟動控制與進入控制類似。當有微動開關(guān)等觸發(fā)信號時,車身基站會主動發(fā)送包含ID的低頻喚醒信號,如果ID和鑰匙內(nèi)所存的ID相一致,電子鑰匙被成功喚醒,發(fā)送射頻確認信號給車身基站;車身基站收到確認信號后發(fā)送一條包含隨機數(shù)的加密低頻信號,電子鑰匙再響應相應的射頻加密信號,以完成身份認證。身份認證完成后,低頻天線會發(fā)送場強查詢命令,電子鑰匙通過射頻信號把相應的場強信息發(fā)送給車身基站,車身基站通過分析判斷電子鑰匙位置,在有效區(qū)域內(nèi)才會執(zhí)行相應動作。開門時有效區(qū)域指電子鑰匙與車子的安全距離,不需要太高精度,引擎啟動時有效區(qū)域是指是否在主駕駛位置,需要較高精度。其工作流程如圖5所示。



圖5 PKE進入功能程序流程圖

測試分析

通過在車身內(nèi)部放置六根低頻天線,并使用ATA5279對其進行驅(qū)動管理的方式,可以有效提高區(qū)域檢測精度,實驗結(jié)果表明在車內(nèi)主駕駛位置檢測時其有效精度可以達到5cm。通過加強無線通信過程中的加密、解密、隨機數(shù)生成、數(shù)字簽名、密鑰協(xié)商以及應用協(xié)議的制訂等,以實現(xiàn)通信雙方的保密性、身份驗證和信息完整性。低頻喚醒機制有效地把電子鑰匙的射頻發(fā)送操作降到最低,從而有效地節(jié)約了電池電量,延長了電子鑰匙的使用壽命。

結(jié)束語

本文提出了一種基于ATA5279的汽車無鑰匙進入系統(tǒng)。系統(tǒng)采用雙向交互認證,任何錯誤都會導致通訊結(jié)束,有效地防止了被其他接收機截獲的可能性,大大提高了防盜性能與防搶性能。

通過本文的研究表明,該系統(tǒng)在任何情況下都能正確識別車主,可以自動打開或關(guān)閉車鎖。同時,系統(tǒng)采用ATA5279低頻驅(qū)動芯片,配合三維低頻接收裝置,可以較好地解決車內(nèi)區(qū)域高精度檢測與電子鑰匙電池壽命問題。因此具體較高的應用價值與市場前景。

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