遠程防盜汽車PKE系統設計

丁 飛，余水寶

(浙江師范大學數理與信息工程學院，浙江金華321004)

20世紀90年代以來，電子信息技術普遍應用于汽車防盜系統，促進了汽車防盜技術的智能化和功能多樣化。免開啟門禁系統(Passive Keyless Entry，PKE)正迅速成為汽車門禁系統應用的主流，并成為新型汽車的普遍選擇。

文中提出的遠程防盜汽車PKE系統設計方案融合了網絡技術、高低頻雙向通信等相關技術。攜帶鑰匙的車主只需靠近車門，車門將自動打開。另外，在傳統的 PKE功能基礎上，應用了全球移動通信系統(Global System for Mobile Communications，GSM)模塊，彌補了現有汽車PKE系統不能實現遠程防盜功能的缺陷。在國外，PKE系統已成為高檔車型的主流配置，同時應用于中、低檔車型上。目前該系統仍被國外的企業壟斷，然而國內在此方面的研究才剛起步。隨著國內汽車市場的迅速擴大，研究設計具有網絡防盜功能的汽車PKE系統具有較大的實用價值。

1 PKE系統框架

圖1 PKE系統框圖

2 鑰匙模塊硬件設計

鑰匙模塊MCU選用STC12C5201AD低功耗單片機，配合低頻喚醒接收電路和高頻發射電路構成鑰匙模塊。該單片機一般處于超低功耗接收模式，采用中斷方式工作。只有當檢測到有效的低頻信號輸入或有鍵按下時，鑰匙模塊MCU才被喚醒，以降低系統功耗。

2.1 低頻喚醒模塊

低頻接收芯片采用ATA5283芯片，其具有喚醒功能的125 kHz超低功耗接收器。其輸入端將從天線接收到的信號包放大及處理后轉換為數據輸出給單片機。當接收到125 kHz信號時，ATA5283便激活其N_WAKEUP(喚醒輸出腳)和N_DATA(數據輸出腳)。空閑時ATA5283和單片機處于待機狀態，當諧振電路收到125 kHz有效信號時，N_WAKEUP喚醒單片機開始工作，然后單片機給ATA5283的RESET腳一個高電平使其復位再進入待機模式［1］。ATA5283與單片機連接如圖2所示。

圖2 ATA5283與單片機連接圖

2.2 高頻發射模塊

高頻發射模塊由315 MHz的聲表面波振蕩電路和調制電路組成，振蕩電路的振蕩或停振受單片機輸出的PWM信號的控制。由于STC單片機無信號加密功能，所以在鑰匙模塊加裝Keeloq編碼加密芯片以實現信號加密。

3 車載模塊硬件設計

車載模塊MCU采用STC12C5204AD單片機，其具有4 kB的Flash用戶應用程序空間，可以用來解碼加密信號。該單片機與高頻接收模塊、低頻發射電路、振動報警模塊以及GSM通信模塊構成了系統的車載模塊。

3.1 低頻發射電路

低頻發射模塊采用專用芯片TC4422，其輸出阻抗僅為1.6Ω，驅動電流可達9 A［2］。單片機將信號送給TC4422的 IN引腳，再由其驅動天線線圈發送出125 kHz的低頻信號。

3.2 高頻接收電路

高頻接收采用無線接收芯片RX3400，其具有較好的抗干擾特性，適合單片機數據傳輸。車載模塊在接收到鑰匙模塊發射的高頻幅移鍵控(Amplitude Shift Keying，ASK)信號后，傳送至RX3400模塊進行處理，得到數據信號，再經解碼后將其送入車載模塊MCU，觸發中斷產生，使微處理器執行相應的處理程序。考慮到成本等因素，系統采用軟件方法解碼。

3.3 振動報警電路

振動檢測用于在檢測到車身遭受碰撞時，系統及時做出報警處理。該功能模塊采用市面上常見的汽車振動傳感器，傳感器的輸出線與車載模塊MCU的IO口相連，同時上拉一個10～20 kΩ的電阻，使平時保持高電平，當振動產生的時候就被拉到低電平，從而單片機控制報警電路報警。

3.4 GSM通信模塊

GSM模塊采用西門子公司的TC35i模塊，可傳輸語音和數據信號，通過接口連線器和天線連接器分別連接SIM(Subscriber Identity Module)卡讀卡器和天線，其數據接口通過AT指令可雙向傳輸指令和數據，支持text和pdu格式，可通過AT指令或關斷信號實現重啟和恢復故障。電路連接簡單，采用異步串行通信［3－4］。報警短信息通過 TC35i模塊發送到車主手機，收到報警后，車主可以向TC35i模塊發送短消息，TC35i提取短消息并譯碼后進行相應的操作啟動執行模塊。GSM模塊與單片機的連接如圖3所示。

在切割伸縮縫施工以前，要根據道路橋梁表面的平整度準確計算出切割面的實際寬度，因此就需要準確的測量出整個橋梁的瀝青表面的平整度。在道路橋梁表面切割以后，如果發現即使加寬切割也還是不能滿足伸縮縫對道路橋梁表面平整度的要求，就必須要重鋪，使道路橋梁表面較以前更加平整，以便達到伸縮縫施工的要求。在開槽作業時，一定要保證開槽過程中放樣的準確性，從而確定合理的開槽實際寬度。在鋸縫作業時切割機一定要沿著鋸縫線進行作業，不能有絲毫偏差。而且為了道路橋梁表面的干凈整潔，作業過程中可以用遮蓋物在表面進行遮擋，在切縫結束后，立刻對施工場地進行打掃，以保證橋梁表面的清潔。

圖3 GSM模塊與單片機之間的連接

4 系統軟件設計

系統的軟件設計部分主要包括滾動碼技術、系統的通信協議及車載模塊流程設計。

4.1 滾動碼技術

滾動碼(Keeloq)技術是一種非線性加密算法，其核心組成要素是:制造商代碼、序號、編碼密碼。其中，制造商代碼是由制造商決定的原始密碼，用來辨別不同制造商;序號用來區別不同的鑰匙，每個鑰匙都有自己的序號;編碼密碼用來產生滾動碼，儲存于加密芯片片內EEPROM中。由于Keeloq算法的復雜性和16位同步碼每次傳輸時都要更新，故每次傳輸代碼都和上次的代碼不同。只有在傳輸216次后才可能重復，因此在短時間內較難被破譯，保證了安全性。

車載模塊接收到該高頻加密信號后，先解調，再采用軟件方法解碼。解碼步驟為:

(1)車載模塊接收到66 bit加密資料后，首先檢查固定碼中的序號與存儲在EEPROM中的序號是否一致。

(2)運行解密算法，得到識別碼、同步計數值、功能鍵、溢位。

(3)單片機將解碼后的識別碼與固定碼中序號的低10位進行比較，其是否相等。

(4)比較解碼后的功能鍵數值與固定碼中的功能鍵數值.

(5)判斷解碼后的同步計數值與EEPROM中的舊的同步計數值是否合理增加。

如果以上步驟有一個出現錯誤，車載MCU則不執行下一步動作，解碼過程如圖4所示。

圖4 滾動碼解碼過程

4.2 通信協議

車載模塊的低頻發送器與ATA5283芯片之間采用低頻通信。在檢測到有效低頻信號之前，ATA5283處于待機模式。為防止嘈雜環境中電路誤操作，報頭檢測電路會檢查輸入信號。有效的輸入信號在192個無間斷載波周期后被計數器檢測到。在發現有效載波信號后，電路開啟自動增益控制，完整的報頭應該有至少704個載波周期。此后報頭結束，開始數據傳輸過程。

車載模塊與鑰匙模塊之間的高頻通信采用脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)編碼方式進行半雙工通信。1個邏輯數據由3個位元組成，位元周期Te的取值通常介于100～400μs之間。在接收PWM之前，車載模塊MCU通過前導資料的指引做接收數據的準備。同步導引之后，微控制器檢測到第一個上升沿時，等待1/2Te時間后立即取樣并檢測是否為高電平1，如果為0則接收資料失敗，然后延時一個Te時間后立即取樣作為資料位元，再延時一個Te時間取樣并判斷，如果為高電平1則接收資料失敗，最后等待下一個上升沿的到來，若等待時間超過一個Te則接收資料失敗。依此循環，直到全部資料接收完畢［5－7］。

高頻碼元信息由3個部分組成:每次發碼的碼字以引導碼和頭標開始，然后是66位數據，即滾動碼和固定碼，最后是每次發送的保護時間。滾動碼為32 bit的加密數據;固定碼為34 bit。高頻數據發送格式如圖5所示。

圖5 高頻發碼格式

4.3 車載模塊流程

車載模塊的功能是與鑰匙模塊的高、低頻雙向通信，控制GSM模塊收發短消息，控制報警、讀取SIM卡內短消息等。單片機要完成正確接收串口發送來的數據，且能夠自動分析TC35i發送來的數據格式，判斷發送來的命令是否需要處理。另外，如果系統檢測到車身傳感器的振動信息，則系統不斷發送短消息到車主手機，直到車主手機回復“停止”命令為止。

圖6 車載模塊工作流程圖

5 結束語

系統具有以下特點:一主控芯片采用中斷方式工作，降低了系統功耗;二結合滾動碼加密技術實現了信號加密，防止信號被截獲破解，提高了安全性;三增加GSM通信模塊，通過短消息控制防盜系統各項功能，解決汽車防盜裝置遠程遙控問題，有效提高了汽車防盜性能。

［1］Atmel.Interface ICfor 125 kHz Wake － up Function ATA5283 Preliminary［EB/OL］.(2004－08－26)［2011－12－21］http://www.atmel.com.

［2］Microchip Technology Inc.TC4421/4422 9A 高速 MOSFET驅動器［EB/OL］.(2006－12－15)［2011－12－21］http://www.microchip.com.cn.

［3］張俊林，譚昊.基于GSM網絡的汽車防盜系統研制［J］.重慶科技學院學報:自然科學版，2010，12(3):149－152.

［4］高放，杜云，馮建武，等.基于GSM網絡短消息的汽車防盜報警系統設計［J］.河北工業科技，2009，26(3):182 －184.

［5］孔慧芳，丘宇寧.PKE智能鑰匙系統設計［J］.微型機與應用，2010(20):103 －106.

［6］石幸利，楊浩.基于滾動碼技術的汽車防盜系統研究［J］.重慶科技學院學報:自然科學版，2007，9(1):61－64.

［7］黃彩虹，鄭崇蘇.基于PIC16C57單片機的KEELOQ安防系統設計［J］.福州大學學報:自然科學版，2005，33(1):38－42.