汽車安全與防盜 無鑰匙系統(tǒng)篇

? 汽車安全與防盜最初的電子化開始于1994年的引擎防盜（IMMO），恩智浦半導體（當時的飛利浦半導體）作為第一家半導體公司把RFID的電子標簽技術成功的應用于汽車電子引擎鎖：通過汽車與鑰匙間的125kHz的無線通訊實現(xiàn)電子身份識別，來判斷啟動汽車引擎。這一技術極大的提高了汽車的安全性，很快就在歐洲以及北美地區(qū)廣泛應用，并在短短幾年時間內使歐洲的汽車失竊率大幅降低了90%，因而成為整個歐洲的汽車標準配置。遙控鑰匙（RKE）的出現(xiàn)為人們帶來了很好的用戶體驗，滿足了人們對便利性及舒適性的要求，但由于其射頻單向通訊的技術限制，在安全性上有其自身的不足。恩智浦半導體（以下簡稱NXP）適時推出的集成方案（Combi）把引擎防盜和遙控鑰匙合二為一，用一顆芯片來實現(xiàn)，既提高了系統(tǒng)的安全性，又降低了整個鑰匙的成本，逐漸替代獨立的遙控鑰匙成為歐美日市場上的主流方案。當然，在射頻通訊上其依然保留單向通訊，安全性并沒有本質的提高。

????? 圖一

????? 2003，NXP推出了無鑰匙系統(tǒng)（PKE或稱PEPS），徹底改變了汽車安防應用領域的發(fā)展前景，給用戶帶來了全新舒適與便利的體驗：車主在整個駕車過程中都完全不需要使用鑰匙，只需要隨身攜帶。當車主進入車子附近的有效范圍時，車子會自動檢測鑰匙并進行身份識別，如成功會相應的打開車門或后備箱；當車主進入車內，只需要按引擎啟動按鈕，車子會自動檢測鑰匙的位置，判斷鑰匙是否在車內，是否在主駕位置，如成功則發(fā)動引擎。千萬不要小瞧這個看似不起眼的改變，它在簡化你的生活方面發(fā)揮著重大作用。無鑰匙系統(tǒng)絕不僅僅是帶來了舒適與方便，其在安全性方面也有了本質的提高，通過低頻和射頻的雙向通訊，汽車與鑰匙之間可以完成復雜的雙向身份認證，在安全性方面與引擎防盜類似，要遠好于傳統(tǒng)的遙控鑰匙。從2003年少量高端車型成功量產無鑰匙系統(tǒng)開始，全球市場用了兩到三年的時間推廣普及這一技術，目前，幾乎全球每一個主流車廠都有應用NXP的無鑰匙產品，覆蓋中高端的車型，甚至是低端車型。接下來我們就一起看一下這一技術到底是如何實現(xiàn)的：

????? 如圖二所示，無鑰匙系統(tǒng)共需要檢測判斷三種區(qū)域：灰色的車外區(qū)域，淡粉色的車內區(qū)域以及灰白色的主駕位置。其中灰色的陰影區(qū)包括三部分，分別表示主駕，副駕，后備箱的車門控制的有效區(qū)域，當車主帶著鑰匙進入這一位置時，車子跟鑰匙間就可以建立起有效通訊，通過低頻信號的場強檢測，車子可以判斷出鑰匙的相應位置，由此決定打開對應的車門。淡粉色的車內區(qū)域是整個PKE系統(tǒng)設計的難點，要精確的判斷鑰匙是否在車內，來決定車門狀態(tài)以及發(fā)動機是否可以啟動。在一些高端車型的設計中還會檢測灰白色的主駕區(qū)域，鑰匙是否有效，主駕位置是否有人，避免諸如兒童誤操作導致的引擎啟動；另外還可能包括后備箱內區(qū)域的檢測，為防止鑰匙被誤鎖入后備箱。綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)在無鑰匙系統(tǒng)中，區(qū)域檢測是一個非常重要且區(qū)別于以往各種汽車安防產品的技術，因而區(qū)域檢測的精度就成為衡量一個無鑰匙系統(tǒng)好壞的重要參數(shù)。目前市場上主要有兩種相應技術，其一是通過調節(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，其精度有限但實現(xiàn)方便；其二是基于接收低頻信號的強度檢測來判斷， 即RSSI(Received Signal Strength Indication)，根據(jù)低頻信號的大小來計算鑰匙與車內低頻天線的相對距離，通過多根低頻天線交叉覆蓋范圍，精確定位鑰匙的具體位置。NXP的產品全部采用第二種技術。為達到理想的性能參數(shù)，NXP提供了最小2.5 mV 的三維低頻接受前端的信號靈敏度，而典型的靈敏度值可以達到1mV。不同于其他解決方案的逐次逼近式(Successive Approximation) ADC，NXP采用12-bit的Sigma-Delta (Σ-Δ) ADC，通過多點采樣平均來消除噪聲干擾，目前已經實現(xiàn)的最好的車內車外檢測精度高達2cm。目前，車廠通常要求的車內車外檢測精度為5～10cm。

????? 圖二

無鑰匙系統(tǒng)的結構框圖如圖三所示，左側為汽車端，包括主控制器（Body Control Unit），車門把手和后備箱把手觸發(fā)模塊，引擎一鍵啟動模塊，引擎防盜基站模塊(IMMO Basestation），低頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊。其中三個綠色的模塊主要是用來觸發(fā)整個系統(tǒng)，當車主拉動車門或按下一鍵啟動按鈕，相應的模塊會發(fā)送中斷信號來喚醒主控MCU，開始整個通訊過程。常見的無鑰匙系統(tǒng)工作模式分兩大類：觸發(fā)模式和掃描模式(polling)，其中觸發(fā)模式分為機械觸發(fā)和電子感應觸發(fā)，這里需要綜合考慮系統(tǒng)成本和系統(tǒng)性能，例如整個系統(tǒng)的響應時間。引擎防盜基站模塊是低頻通訊模塊(125KHz)，用來實現(xiàn)跟鑰匙的近距離通訊，發(fā)動引擎，這一功能是備用方案，又稱“無電模式”，只有在鑰匙電池耗盡或者有意外干擾無鑰匙系統(tǒng)導致無法正常工作時才會采用。這種情況下，用戶只需要手持鑰匙放在固定位置(例如凹槽)，鑰匙就可以跟基站建立通訊，進行身份認證來啟動引擎。NXP的無鑰匙系統(tǒng)PCF7952和 PCF7953的一大特色就是芯片本身集成了引擎防盜功能，完全兼容NXP的所有Transponder產品，包含PCF7936。這極大的提高了系統(tǒng)的可靠性而且不需要額外增加成本，具體細節(jié)后續(xù)還會提到。

????? 圖三

????? 低頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊是無鑰匙系統(tǒng)的基本通訊鏈路，低頻發(fā)射采用125KHz，為上行鏈路（up-link），由車子端發(fā)送至鑰匙端；射頻接收采用315MHz或434MHz，為下行鏈路（down-link），由鑰匙端發(fā)送至車子端。之所以采用125KHz，一方面是為了兼容引擎防盜的相關技術，更為重要的是125KHz的信號對距離敏感，可以實現(xiàn)精確的距離檢測，起到關鍵的定位作用。射頻則采用傳統(tǒng)RKE的頻段，一方面兼容遙控鑰匙的基本功能，更利用了其通訊速度快的優(yōu)勢，這里需要著重聲明的是，所謂的通訊速度是指鑰匙跟車子間用于認證加密的數(shù)據(jù)傳輸，為保證在較短時間內完成無鑰匙開門或點火的過程，需要采用較高的波特率（一般為8～20kbps），通常不建議采用低端的SAW發(fā)射模塊（1kbps左右），而采用基于鎖相環(huán)技術的發(fā)射芯片來實現(xiàn)，例如NXP的PCF7900，其在FSK的模式下最高波特率可達到20kbps。同樣是為了這個目的，射頻頻段也有采用更高頻的868MHz或915MHz的趨勢。如圖所示，低頻發(fā)射模塊包括多個低頻天線，安裝于車門把手內用來實現(xiàn)無鑰匙進入（Keyless Entry），安裝于車身內部的用來實現(xiàn)無鑰匙啟動（一鍵啟動Keyless Start）。

?鑰匙端的具體框圖如圖四所示，主芯片是NXP的PCF7952或PCF7953，射頻發(fā)射芯片采用NXP的PCF7900，相應的在車子端的射頻接收芯片是NXP的PQJ7910。PCF7952/53具有低頻模擬前端（LF Front End），用來連接外圍3D天線。在無鑰匙系統(tǒng)中，鑰匙端需要外置3D低頻天線，可以接收檢測外部空間的3D能量場強，分別為X，Y，Z軸，通過疊加3個方向上的能量，可以保證鑰匙在任何角度都能檢測到同樣的場強。其中的一軸天線還被復用為IMMO的功能，實現(xiàn)無電模式下的引擎啟動。通過上行和下行鏈路，鑰匙跟汽車可以建立起雙向通訊，進行復雜的身份認證。最新的一代認證技術稱為交互認證技術(Mutual-Authentication)，不僅僅需要汽車來認證鑰匙，同時也需要鑰匙來判斷車子是否合法，任何錯誤都會導致整個通訊結束，以此來保證系統(tǒng)的安全性。通訊距離是由低頻上行鏈路125KHz決定，通常的PKE系統(tǒng)工作有效距離為2.5m左右，而實際有效開關門距離為1.5m～2m。除了車內外檢測精度以外，鑰匙端的功耗也是衡量一個無鑰匙系統(tǒng)好壞的重要指標，PCF7952自帶的電源管理模塊可以最大程度的降低整個系統(tǒng)功耗，一套成熟的無鑰匙系統(tǒng)方案，鑰匙端在一顆2032的3V鋰電池供電的情況下，電池壽命可以長達三年。

?????

????? 圖四

????? 在無鑰匙系統(tǒng)之后，汽車安全與防盜產品將會走向何方？作為業(yè)界的領導者，NXP已經給出了確切的答案：Keylink，即下一代的汽車鑰匙。它最大的突破在于，把車鑰匙跟外圍的智能終端聯(lián)系起來，使鑰匙可以跟諸如手機，PDA等設備實現(xiàn)近距離的無線連接（link），借助于手機等智能終端的顯示功能和強大的處理能力，一個無比廣闊的應用空間擺在了我們面前：

- 隨時查詢車輛狀態(tài)，門窗狀態(tài)，油箱油量，車內溫度…手機屏幕上的顯示應有盡有

- 尋找汽車，通過鑰匙跟手機的配合，手機的GPS導航幫你輕松找到停車地點

- 輕松制定出行路線，在電腦前將選定的出行路線存入鑰匙。進入汽車時，車載導航儀將自動導入出行信息

- 車輛維護，車輛的出廠記錄，維修記錄，全部都存在鑰匙中，便于維護。

類似以上的應用還有很多很多，下面這則新聞則是Keylink的又一新應用，可以讓我們更近距離地了解這一技術，也以此作為本文的結束：

????? 2008年10月22日——寶馬（BMW）技術研發(fā)部與恩智浦半導體（NXP Semiconductors，由飛利浦創(chuàng)建的獨立半導體公司）推出全球第一款多功能車鑰匙原型。這款產品原型具備非接觸支付功能，個人進入控制以及先進的公共交通電子車票功能，以實現(xiàn)更強的移動性體驗。配備了恩智浦的SmartMX安全芯片，這款產品原型首次實現(xiàn)了通過車鑰匙讓駕駛者進行快速、安全和便捷的電子支付，為未來的消費者開創(chuàng)了激動人心的全新應用環(huán)境。