PKE系統的防沖突設計

2014-04-29 00:00:00章宇杰

電子產品世界 2014年6期

摘要：本文設計的PKE系統在通訊上采用高頻和低頻相結合的方式。在有效范圍如果有多個標簽，可以使用該方法解決標簽的防沖突。本文主要介紹了AC協議設計的基本信息和注意事項，討論了AC協議中使用二種不同的喚醒方式對PKE系統的不同時間響應。使用這二種喚醒方案都可以實現標簽的防沖突，根據使用環境的不同可以選擇不同的喚醒方式來提高系統的響應時間。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/247463.htm

關鍵詞：PKE；標簽；防沖突

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.009

引言

使用RFID 技術的免持式被動無鑰匙門禁系統PKE（passive keyless entry），作為新一代防盜技術正逐漸成為汽車門禁系統應用的主流，成為新車型的普遍選項。該方法無需用手按動發送器按鈕來鎖上或者打開車門，只要擁有一個有效的應答器就可方便地進出車輛。

1 RKE和PKE的區別

傳統RKE（remote key entry）鑰匙系統，是通過車主在找到自己的車輛時，主動在鑰匙端按一下開鎖鍵，由鑰匙端主動發送打開車門的命令到車身控制模塊，車身控制模塊在識別該條開門指令后，通過解密驗證后，車身控制模塊發出車門鎖打開指令給汽車，從而實現開車門。關車門時，也是通過車主在鑰匙端按一下上鎖鍵，鑰匙端主動發送上鎖指令，車身控制模塊收到指令后，給汽車上鎖。

PKE開鎖過程是：由車主拉一下門把手使車身控制模塊發送激活命令，從而激活汽車周圍的鑰匙，被激活的鑰匙主動發送開鎖指令到車身控制模塊，車身控制模塊打開車鎖。當汽車熄火后，鑰匙離開汽車有效范圍，因負載調制原理觸發車身控制模塊發送掃描車身周圍是否有鑰匙存在，如果鑰匙已離開車身周圍，則車身控制模塊發出關鎖指令，關上車門。

可見PKE和RKE不同之處在于PKE開鎖或上鎖都不需要車主按相應的按鍵，控制模塊會自動判斷鑰匙是否在有效范圍并進行開鎖或上鎖操作。

2 PKE工作原理

車主拉門把手讓汽車產生開門的觸發條件。控制模塊接收到觸發輸入條件后，基站系統將發送一條編碼的低頻報文（喚醒碼）。在該低頻信號范圍內的所有電子標簽均會被這條報文喚醒，喚醒后，標簽會對編碼的數據段進行驗證，如果基站發射的信息被識別，標簽會使用高頻發送一條加密的回答信號。基站如果接收到這條回復的信號，并對其解碼，如果這條回答能被識別，那基站和標簽之間就會建立起通訊，并進行后繼的操作，并打開車門鎖。

當車主拉一下車門把手時，便觸發了PKE系統內的雙向通信，相應的低頻發射器天線被激活并發出低頻信號。車主攜帶的標簽接收基站發出的低頻信號。如果這個信號與標簽中保存的身份信息一致，標簽就會被喚醒。這個過程可以防止噪聲或干擾信號錯誤喚醒標簽，延長電池壽命。標簽被喚醒后將分析由汽車上的基站發出的認證口令，并發送相應的高頻信號作為應答。這些信號都經過了加密處理。汽車將收到的應答信號和自己預存的信息進行對比，如果驗證成功，則打開車門。在這個通訊過程中，雙向低頻（LF）/高頻（UHF）數據產生并執行了一系列任務：防沖突，認證和場強測量。為了完成這些任務，其它的低頻（LF）發射器天線可能會通過PKE基站模塊順次激活，并進行相同的通訊。如圖1。

通信由輪詢喚醒模式觸發，喚醒模式被傳送到當前LF場內所有電子標簽中。響應時，在一個隨機的時隙中，特殊電子標簽的身份號（ID）通過高頻（UHF）發送。假如特殊電子標簽是該時隙中傳輸的唯一一個電子標簽，其ID就可以被基站UHF接收器安全接收。接收到的ID會用來屏蔽之后的電子標簽。

3 標簽的備份和恢復

一般每個標簽有2 5 6 b i t的EEPROM作為存儲系統ID使用。其中128bit由車廠使用，在出廠前由汽車制造商定義，該儲存空間燒寫完成后無法更改。另外128bit由用戶定義，該儲存空間可以反復燒寫。由這128bit區分為每個系統ID。車廠會根據每輛汽車的不同編號（例如汽車的發動機編號），記錄對應的每個PKE系統的ID號。如果車主在使用過程中鑰匙丟失或者損壞，想要重新配置一把新的鑰匙，可以通過汽車的唯一編號，重新將相應的程序及密鑰燒寫進新的鑰匙中，該鑰匙就可以成為這個PKE系統中可用的新鑰匙。

4 標簽的防沖突

PKE 系統通常將會與多個ID 設備通信（大于1），這些ID 設備會一次性地出現在特殊車輛入口各自的訪問區內。為了滿足這個需求，就要在PKE系統中執行防沖突協議。

由于RFID受到各種約束，傳統的信道爭用解決技術不能直接在RFID系統中應用。這些約束主要有：標簽的電源有限，不能用復雜度高的算法；標簽的數量可能是未知的；標簽間不能互相通訊；標簽的存儲容量有限；RFID系統帶寬有限。目前廣泛使用的防沖突算法主要有：基于樹的算法和基于Aloha的算法。具體實現方式為優先級算法，隨機二杈樹等。綜合考慮算法的復雜度和成本要求，本方案主要使用基于時隙的輪詢算法。輪詢方案可以使用標簽ID作的喚醒碼或使用全局喚醒碼（WAKE_ALL）來喚醒標簽。

采用標簽ID作為喚醒碼的方式：通常情況下拉一下車的門把手可觸發基站發送喚醒碼。當PKE系統的兩個遙控器都在激活區時，基站首先發送第一個標簽的ID碼，然后再發送認證請求碼，將第一個標簽喚醒；第一個標簽被喚醒并接收到請求碼后，回送認證信息，結束認證過程。而處于激活區內的第二個標簽不會被喚醒，維持在休眠狀態。和處于激活區內兩個遙控器必需同時喚醒且都要響應應答信號相比，可以采用這種認證時序的方案無疑可以節省大量功耗，延長電池的使用壽命；同時可以減小LF發射時間，減少基站功率消耗。如果不采用或無法采用標簽ID作為喚醒碼，基站必須發送WAKE_ALL信號以喚醒處于激活區內的所有標簽，然后再發送標簽1和標簽2的ID，之后再發送認證請求碼。處于激活區內的所有標簽必須按接收到的ID順序延時等待發射響應信息。這無疑加長了認證的時間并增加了標簽電池消耗。

以下分別討論使用ID作為喚醒碼和使用wake_all作為喚醒碼時，第一標簽在或者不在有效區的通訊情況。

● 如果使用標簽ID作為喚醒碼，當有標簽1在激活區的時候，PKE系統很快就進入雙向通訊，不必再去喚醒第二個或第三個標簽。這樣大大縮短了系統響應時間。

● 如果標簽1不在激活區，標簽2在激活區時，使用標簽ID作為喚醒碼時，系統就會等待一個通訊周期的時間（系統等待第一個標簽應答的最長時間）。然后再激活第二個標簽，進入和第二個標簽的雙向通訊。

● 如果使用wake_all作為喚醒碼，當標簽1在激活區時，先要等待系統將所有標簽都激活后，才能接收第一個標簽的應簽，再進入到雙向通訊期。

● 如果使用wake_all作為喚醒碼，當標簽1不在激活區時。系統要等待屬于第一個標簽的通訊時隙結束后，才能響應第二個標簽的響應，然后再進入到和第二個標簽的雙向通訊周期。

經上討論：采用ID碼作為喚醒碼時，基站發送第一個標簽ID碼后，基站在應該接收到標簽頭碼時間內，沒有接收到頭碼信息時，可以立即發送第二個標簽ID碼（不需要等待超過一幀完整UHF數據時間）；在收到第二個標簽ID碼之前，第二個標簽一直處于休眠狀態。第二個標簽被喚醒且收到認證請求碼后，回送應答信號。認證結束后，根據“last used ID device is expected to be the next”的原則，第二個標簽自動升級為第一個標簽，之后在認證時，首先發送此標簽ID作為喚醒碼。

不采用或無法采用ID碼作為喚醒碼時，基站發送喚醒碼同時喚醒兩個標簽，等待標簽CPU初始化后再發送第一、第二個標簽序列碼和認證請求碼。為了避免高頻信號沖撞，第二個標簽必須等待足夠的時間（超過一幀完整UHF數據時間）才能發送UHF信號。在被喚醒后到發送UHF這段時間內CPU一直運行，浪費電池。認證結束后，下次再需要認證時將最近認證通過的標簽ID首先發送。

對比以上四種情況，使用標簽的ID碼作為換醒碼可以減小系統等待時間，加快系統反應速度。

5 反應時間計算

如果使用ID作為喚醒碼，可以用式（1）作為反應時間的計算。

6 結論

在PKE系統中使用防沖突協議，下列參數對系統反應時間和時序有很大的影響：

1. 采用的AC方案（可使用鑰匙ID作為喚醒碼或基于wake up all）；

2. 在PKE系統中有效的ID設備（鑰匙）的最大數；

3. LF和UHF通道的數據速率；

4. ID設備在通訊過程中所占的位數；

5. 協議初始化在通訊過程中的位數。

在同樣情況下使用鑰匙ID作為喚醒碼可有效提高系統的反應速度。

參考資料：