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當今70%的汽車商選用RKE(Remote Keyless Entry,遠程無鑰匙進入)系統，或將其作為一個標準。RKE系統主要由按鍵加密發送器和車內內置接收器組成，結構框圖如圖1所示。它們主要用在汽車門 控制、無線傳感器、汽車無線胎壓監測TPMS(Tire Pressure Monitor System)等方面，使用的頻率是315 MHz(美國和日本地區)、433.92 Hz(歐洲地區)。歐洲同時開放了868 MHz頻率來適應RKE系統的增長需求。 圖1 RKE系統結構框圖 RKE系統的用戶可以通過鑰匙鏈發送數據來打開和關閉汽車門。圖1中，用戶可以按下按鍵開關來發起與接收機的通信，通過一串64～128位長度 的數據流進行發送器和接收器的會話。該數據流包括前引導碼、命令碼和一串加密滾動碼。通信速率通常選用2～20 kHz之間，采用ASK調制方式，主要為了延長發送部分鑰匙鏈中電池的使用壽命。 1 系統設計 1.1 功率設計 設計中主要考慮的是低電流消耗情況下的高可靠性、系統的成本以及發送器和接收器的壽命。對于發送器，電池壽命在3"5年是可以滿足要求的。電池 壽命對于接收器件也很重要，因為接收器件必須總是在線偵聽發送端數據，典型的電流要求不超過1 mA。一個設計方法是，在一定時間內,接收端保證能夠檢測到有效的發送信號;為了最大限度地節約電量，接收器在其他的時間睡眠。 1.2 安全性設計 系統的安全性也是一項主要考慮的因素。通過采用Microchip公司專為RKE系統設計的使用DES算法的安全密鑰芯片HCS300來實現系統數據的安全加密，防止發送的數據被惡意盜取拷貝;同時在接收端使用MC9RS08KA2進行解密和繼電器控制。 HCS300的操作電壓為2.0"6.3 V,是一個可編程28位串行碼、64位加密鍵值、66位發送長度、32位跳頻碼、4位按鍵碼、2位狀態碼，具有鍵值讀保護措施的芯片。 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位的同步計算器,在每次發送代碼后都要發生改變。它隨按鍵的次數而增加。根據DES算法加密,在每次發送的代碼中，由于同步計數器的變化而 使得每次發送的代碼有大于50%的部分不一樣。圖2說明在編碼過程中如何使用HCS300的內部可編程EEPROM，一旦編碼器檢測有按鍵按下，它就立即 讀鍵值，同時刷新同步計數器。按鍵和同步計數器經過加密算法處理，輸出數據是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發送碼，將被 接收部分接收到。 解碼部分必須先學習發送端的數據碼，學習包括計算發送端的鍵值、解密32位的加密信息和可編程陣列中的串行碼、同步計數器以及鍵值。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算。串行碼用于表示發送碼是否被學習過。如果發送碼被學習過，那么它的信息被解密和同步計數器值校驗，最后接 收系統執行按鍵操作請求。圖3表示了接收部分接收到的信息和它的可編程EEPROM(設計中使用AT24C02)中存儲信息的關系。 1.3 射頻收發器件和微處理器特性 為了保證系統能夠在較低電流消耗的情況下，有較高的發射功率和接收靈敏度，系統選用了Maxim公司的MAX1473接收芯片和MAX7044發射芯片。 MAX7044發射芯片工作電壓為+2.1"6.0 V，7.7 mA的低工作電流，250 μs的啟動時間。通信速率能達到100 kbps,小封裝3 mm×3 mm，8引腳SOT23封裝。它消除了基于SAW發送器設計的問題;采用晶體結構，提供了更大的調制深度和快速的頻率響應機制;降低了溫度的影響，溫度范 圍可達-40"125 ℃。 MAX1473接收芯片采用3.3 V鋰電池供電，250 μs啟動時間，小于2.5 μA的待機模式工作電流，-114 dBm的靈敏度;采用TSSOP 28引腳封裝設計。 MC9RS08KA2作為Freescale公司新推出的一款集成多個功能的高性價比MCU，具有鍵盤中斷和高達20 MHz的內部時鐘，以及8位模計數器，2 KB Flash空間，63字節RAM;同時有等待和3種停止模式，滿足系統的超低功耗設計(設計中電流小于1 μA)，以及簡易的6引腳BDM編程調試接口，便于系統的實時升級。設計中采用6引腳DFN精密小引腳封裝，滿足系統的小體積要求。 1.4 硬件設計圖 按鍵DES硬件加密部分電路如圖4所示。發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 發送部分射頻前端電路 圖6 接收部分射頻前端電路 表1 典型電路的元器件參數 圖7 接收部分微處理器控制電路 1.5 軟件設計 編碼加密操作流程如圖8所示。 圖8 編碼加密操作流程 如果有按鍵按下，HCS300將被喚醒，同時通過10 ms延時消抖。同步計數器、描述信息、按鍵信息被編碼形成跳頻碼。每次發送跳頻碼都會不一樣，即便是同一個按鍵按下，在64K次按鍵過程中發送的跳頻碼也 不會發生重復，因此在較長的時間內，按鍵密鑰信息不會被盜取。如果在發送的過程中檢測到新的按鍵按下，那么將會立即復位，而且當前的代碼將不會繼續執行; 離開按鍵后，對代碼字是沒有影響的，除非沒有按鍵繼續保持按下狀態，在任何情況下傳輸代碼都會完成，同時系統下電。 接收部分解碼解密流程如圖9所示。 圖9 解碼解密流程 上電后，MC9RS08KA2開始判斷系統是否有I/O中斷產生。如果沒有，則系統進入低功耗睡眠模式(停止模式3);如果有I/O中斷產生， 那么進入中斷，喚醒MCU，同時進行軟件DES算法解密。如果解密不成功，則繼續接收數據;如果解密成功，則執行相應的繼電器操作(如開/關門等)，然后 系統繼續進入睡眠狀態。 2 結論 通過結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、穩定性和Freescale微處理器的高集成度及性價比，整合各家優勢，提高了系統的整體性能。通過實際運行，系統達到了預先設計的要求。本次設計只使用了2個按鍵，根據需要可以外擴功能按鍵達到15個，用于實現不同的控制信息要求。設計人員可 以根據自行需要進行相應的擴展。 |
