交互式無線汽車智能鑰匙研究

楊洋

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，為提高生活水平居民對(duì)物質(zhì)需求提出了更高的要求，在交通出行方面，汽車則逐漸成為不少家庭的必需品。隨著汽車的數(shù)量和使用人數(shù)的增加，其安全問題逐漸為人們所關(guān)注，因此汽車安全設(shè)備也成為專業(yè)人員的研究重點(diǎn)。交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)就是其中一類安全設(shè)備，它具有無線通訊功能，對(duì)滾動(dòng)代碼的編碼和解碼的加密和傳輸功能等多種功能，最重要的是，它可以有效提高汽車整體的安全性能。此外，該系統(tǒng)還具有許多優(yōu)勢(shì)，主要包括低耗能，較長(zhǎng)的接收和發(fā)信有效距離和極高的安全性。將無線通訊技術(shù)和滾動(dòng)碼技術(shù)融合應(yīng)用于汽車防盜預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)是當(dāng)前汽車智能安全領(lǐng)域的研究方向。

關(guān)鍵詞：交互式;無線通訊;滾動(dòng)碼技術(shù);汽車智能鑰匙

隨著居民生活水平的不斷提高，在交通出行方面，越來越多的家庭將汽車列作出行必需品。隨著社會(huì)汽車數(shù)量和使用人數(shù)的逐年增加，汽車安全逐漸成為社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)問題，研發(fā)并普及安全可靠的汽車安全系統(tǒng)的具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。電子汽車鑰匙則是實(shí)現(xiàn)汽車防盜保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，本文主要介紹了一種結(jié)合了滾動(dòng)代碼技術(shù)和無線通訊技術(shù)的新型汽車智能鑰匙系統(tǒng)，即交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需用戶干預(yù)，用戶只需要呆在車門附近，門鎖就可以自動(dòng)打開。該系統(tǒng)安全便捷且能耗低，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并且能夠自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別用戶，具有極高的安全性，可應(yīng)用于汽車安全系統(tǒng)，值得大力推廣。本文介紹了上述系統(tǒng)的工作原理，整體結(jié)構(gòu)及其硬件設(shè)計(jì)，以及與滾動(dòng)代碼加密相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容。

1 系統(tǒng)工作原理和整體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的汽車無線門禁系統(tǒng)功能存在許多局限，新型的交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)則是在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善的成果。該系統(tǒng)是滾動(dòng)代碼技術(shù)和無線通信技術(shù)的結(jié)合，作為汽車的門禁系統(tǒng)使用單芯片和無線接收器模塊來開發(fā)用于無源無鑰匙進(jìn)入汽車的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使用高頻和低頻雙向進(jìn)行通訊。

上述的交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)具有一個(gè)車載模塊和一個(gè)智能鑰匙模塊，這兩個(gè)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)都包括微型處理器，無線的接收和發(fā)射器以及控制按鈕等。使用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的最主要的功能便是，當(dāng)持有智能鑰匙的駕駛員距離車輛兩米范圍內(nèi)時(shí)，車門可以自動(dòng)解鎖并開放。隨后，車門會(huì)在駕駛員坐上汽車并啟動(dòng)汽車后自動(dòng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。如果駕駛員在距車輛的一米距離以外使用智能鑰匙，則車門將自動(dòng)鎖定并立即回到防盜狀態(tài)。

通常，如果沒有特殊情況發(fā)生，兩個(gè)模塊始終處于運(yùn)作的狀態(tài)，保證低頻編碼信息的傳輸。其中，車載模塊作為發(fā)送的一方，其運(yùn)行間隔是固定的，一般為幾百毫秒，而智能鑰匙模塊則是接收信息的一方。若兩者相距不遠(yuǎn)，則信息傳輸?shù)臅r(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)，智能鑰匙模塊在接收信息后隨之迅速完成對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息的檢查工作。經(jīng)檢查，若為有效編碼信息，則智能鑰匙模塊會(huì)使用微型處理器中的滾動(dòng)碼加密模塊完成驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置或命令的加密，以形成相應(yīng)的編碼命令，然后重新加密要發(fā)送的命令。如果車輛模塊的高頻接收器成功檢測(cè)到此信號(hào)，它將進(jìn)行適當(dāng)切換，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到車輛模塊的微型處理器。集成微型處理器首先解碼數(shù)據(jù)的連續(xù)代碼并接受確切的命令，然后將它們發(fā)送到適當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)以完成下一個(gè)處理步驟。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

合理選擇適用于智能鑰匙模塊和車載模塊的單片機(jī)是該交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。只有做出科學(xué)合理的選擇，該系統(tǒng)才能具備下列完善的功能：高低頻交互式通訊功能，滾動(dòng)碼編碼和解碼功能，輸入并執(zhí)行用戶的特定命令功能。此外，還可以使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)體積小，能耗低等優(yōu)勢(shì)。

在交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)中，作為控制信息傳輸?shù)膬纱竽K，智能鑰匙模塊和車載模塊的硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。其中，智能鑰匙模塊的小體積和低能耗是其硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。至于車載模塊的硬件設(shè)計(jì)，完善滾動(dòng)碼解碼器部分的功能是其關(guān)鍵，其硬件部分由微處理器單片機(jī)，接收器模塊，低頻率發(fā)送模塊，控制電路和檢測(cè)單元由五個(gè)模塊組成。

2.1 智能鑰匙模塊的硬件設(shè)計(jì)

智能鑰匙模塊的主要構(gòu)成包括單片機(jī)，低頻高頻傳輸電路和按鈕開關(guān)等部分。成功的硬件設(shè)計(jì)能使智能鑰匙模塊成功完成其一系列操作，包括接收并處理低頻信息，對(duì)用戶輸入的滾動(dòng)碼加密，并且傳輸該高頻加密信息。為此，其硬件設(shè)計(jì)需要使用集成滾動(dòng)碼加密功能和三相低頻輸入電路的微控制器芯片，并且由于該微控制器芯片具備體積小，能耗低，適用于硬件電路設(shè)計(jì)，因此可以將該微控制器芯片用作智能鑰匙模塊硬件電路設(shè)計(jì)的核心單片機(jī)。

上述電路下面的三個(gè)電感器是標(biāo)準(zhǔn)的125 kHz低頻接收電路。三個(gè)電感器分別正交布置在三維空間的三個(gè)不同方向上，以便車載模塊可以隨時(shí)捕獲沿任何方向入射的低頻信號(hào)。為保證車載模塊可以對(duì)低頻諧振頻率做出正確選擇，這些線圈需要與電容器維持并聯(lián)狀態(tài)。接收線圈感應(yīng)的電壓沿三個(gè)不同的方向直接發(fā)送到芯片的三相低頻模擬輸入端，然后其內(nèi)部電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。高頻傳輸電路主要功能是對(duì)頻率為315 MHz的高頻信息進(jìn)行傳輸。高頻振動(dòng)傳輸電路的主要組成部分包括埋弧焊諧振器，三極管，電容器和發(fā)射天線，并且電路的振蕩或停止由該芯片輸出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)控制。使用此幅度鍵調(diào)制方法傳輸加密和編碼的命令。該微控制器芯片為維持其功耗極低的特性，通常僅在電路中斷模式下進(jìn)行工作，防止能源的浪費(fèi)。每當(dāng)輸入標(biāo)準(zhǔn)的低頻率信號(hào)或按下了開關(guān)按鈕時(shí)，則意味著控制器將被激活以處理相應(yīng)的指令。對(duì)于輸入的命令信息，單片機(jī)使用獨(dú)特的滾動(dòng)碼加密模塊自動(dòng)執(zhí)行復(fù)雜的操作。對(duì)于接收天線輸入的標(biāo)準(zhǔn)低頻模擬信號(hào)，它使用內(nèi)部專用模擬電路將輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行處理。

2.2 車載模塊的硬件設(shè)計(jì)

車載模塊使用如上所述的相同的微控制器芯片作為核心單片機(jī)，其具有足夠數(shù)量的輸入和輸出連接口，并且速度快和體積小是其突出優(yōu)勢(shì)。車載模塊中的低頻傳輸電路根據(jù)磁感應(yīng)原理進(jìn)行發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)的低頻。提高低頻發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)功率和低頻輸出電路的Q值，可以保證能夠獲得至少兩米的通信距離。為此，低頻發(fā)射器的發(fā)射天線最好采用鐵氧材料的線圈，而使用的芯片則要求具有低輸出的電阻和高驅(qū)動(dòng)的電流兩種特性。單片機(jī)將信號(hào)發(fā)送至該芯片，然后經(jīng)由發(fā)射天線整合處理成為具有標(biāo)準(zhǔn)頻率的低頻信號(hào)并發(fā)送出去。至于高頻接收電路則采用內(nèi)部集成了各種電路的集成芯片。智能鑰匙模塊發(fā)送的高頻信號(hào)由車載模塊接收并通過該集成芯片處理相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送至微控制器芯片，引起電路中斷使微控制器芯片進(jìn)入工作狀態(tài)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 滾動(dòng)代碼關(guān)鍵技術(shù)

隨著現(xiàn)代信息社會(huì)的發(fā)展，加密是作為實(shí)現(xiàn)安全和保密功能的主要途徑，在人們的生活中起著越來越重要的作用。交互式無線智能鑰匙系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用滾動(dòng)碼加密技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的安全性能。傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)的工作原理使單向傳輸，因此提高的安全和保密服務(wù)具有較大的局限性。傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)通過增加傳輸代碼的長(zhǎng)度和不同的排列組合以實(shí)現(xiàn)其安全性，但由于代碼的長(zhǎng)度有上限，因此其排列組合的種類也是有限的，最終導(dǎo)致其安全性能不高，并且該代碼通常被稱為固定代碼。固定代碼具有編譯次數(shù)少，代碼重復(fù)多，易于掃描和解密之類的缺點(diǎn)，并且容易在空中被攔截，因此難以滿足車輛安全要求。

KEELOQ技術(shù)是一種復(fù)雜的非線性加密算法，經(jīng)由該算法加密后的代碼稱為跳躍代碼或滾動(dòng)代碼，由該技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)安全性能高。使用KEELOQ滾動(dòng)代碼加密算法可以對(duì)原始代碼進(jìn)行加密，從而生成嚴(yán)格保密的滾動(dòng)代碼，每次傳輸?shù)臐L動(dòng)代碼都是唯一的。即使原始代碼相同，但在不同時(shí)間發(fā)送的代碼都是不會(huì)重復(fù)的，因此上述攔截和掃描都是徒勞的。該滾動(dòng)碼安全系統(tǒng)由一個(gè)滾動(dòng)碼接收器和一個(gè)滾動(dòng)碼發(fā)送器組成，其主要組件分別是滾動(dòng)碼編碼器和滾動(dòng)碼解碼器。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，隨著中國(guó)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車銷售量的猛增帶動(dòng)了汽車安全系統(tǒng)市場(chǎng)的發(fā)展，因此研究汽車安全系統(tǒng)具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，該領(lǐng)域汽車安全技術(shù)的研究也在繼續(xù)取得進(jìn)展。另外，基于滾動(dòng)碼的無線遠(yuǎn)程控制技術(shù)目前已經(jīng)成熟，將該技術(shù)集成到車輛安全系統(tǒng)中是未來車輛安全系統(tǒng)發(fā)展的新方向。智能鑰匙技術(shù)的發(fā)展與未來汽車智能安全的發(fā)展相吻合，因此交互式無線汽車智能鑰匙系統(tǒng)將成為具有良好市場(chǎng)前景和巨大潛力的汽車必備安全設(shè)備之一。

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