摘 要：為解決現(xiàn)有普通汽車電子防盜器采用固定頻率通信容易被破解及復(fù)制的問(wèn)題，利用具有載波頻率調(diào)制功能的射頻收發(fā)芯片nRF905 設(shè)計(jì)了一款新的防盜器，該防盜器在通信過(guò)程中不斷改變通信頻率，使信息無(wú)法被干擾或截獲，防盜器很難被復(fù)制、破解，通過(guò)通信方案的優(yōu)化和程序設(shè)計(jì)增加了跳頻通信的可靠性，增加的雙向通信功能使車主能及時(shí)掌握汽車狀況及報(bào)警信息，并通過(guò)多傳感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)增加了防盜器的可靠性，經(jīng)測(cè)試達(dá)到了良好的防盜效果。

0 引言

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，汽車已逐步進(jìn)入家庭，而如何有效防止汽車被盜也成為車主比較關(guān)心的問(wèn)題。目前在汽車防盜器中，普通的電子遙控防盜器由于價(jià)格便宜占有很大的市場(chǎng)分額。但普通的電子遙控防盜器多為固定載波頻率通信，容易被干擾、截獲和破解。有報(bào)道說(shuō)一般的遙控鎖在30 s 內(nèi)就可被專用的解碼器復(fù)制，1 min 內(nèi)就可破解。普通的電子遙控防盜器多為單向通信，車主可以遙控汽車上鎖、解鎖，但汽車信息不能及時(shí)反饋給車主。

　　針對(duì)普通電子防盜器的不足，我們將軍事通信中應(yīng)用的跳頻通信技術(shù)應(yīng)用到汽車智能遙控防盜器的設(shè)計(jì)中。在通信過(guò)程中不斷改變雙方的通信頻率，使信息傳遞難以被跟蹤、干擾或截獲、破解，將有效提高防盜系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)由車載終端、人持終端兩部分構(gòu)成。車載終端主要完成人機(jī)控制指令的接收?qǐng)?zhí)行，執(zhí)行汽車上鎖解鎖指令，并完成對(duì)汽車防盜信息的檢測(cè)發(fā)送;人持終端主要完成車主對(duì)汽車的上鎖、解鎖的控制指令的發(fā)送，并接收車載終端發(fā)來(lái)的汽車相關(guān)報(bào)警信息及指令執(zhí)行情況信息。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 車載終端的電路設(shè)計(jì)

　　車載終端主要完成汽車防盜信息的監(jiān)測(cè)并將汽車異常狀況信息發(fā)送給車主，接收?qǐng)?zhí)行人持終端控制指令如對(duì)汽車上鎖解鎖等，針對(duì)目前防盜器主要依賴振動(dòng)傳感器檢測(cè)盜竊信息存在不可靠的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了多信息融合的傳感器電路，通過(guò)監(jiān)測(cè)車門、車窗、車座位來(lái)提高防盜器的可靠性，增加的備用電源管理功能保證防盜器在主電源線被剪的情況下仍能正常工作，主要由主控MCU 模塊、無(wú)線跳頻通信模塊、汽車門窗監(jiān)測(cè)、電源監(jiān)控、振動(dòng)檢測(cè)、車內(nèi)是否有人監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成。

　　2.1.1 主控MCU 模塊電路

　　主控MCU 主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，傳感器信息的檢測(cè)處理，跳頻通信模塊的配置、信息發(fā)送接收等，采用C8051F340 實(shí)現(xiàn)。C8051F340 是美國(guó)Cygnal 公司的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)集成芯片， 具有與8051 兼容的高速CIP-51 內(nèi)核，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，內(nèi)部時(shí)鐘頻率可達(dá)到48 MHz。具有增強(qiáng)型的SPI 接口，可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)nRF905 的控制。

　　2.1.2 跳頻通信模塊硬件電路

　　跳頻通信模塊硬件電路采用Nordic 公司推出的單片射頻收發(fā)器芯片nRF905 實(shí)現(xiàn)，其功耗非常低，以–10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，在接收模式時(shí)電流為12.5 mA，傳輸距離大于100 m。工作于433/868/915 MHz3 個(gè)ISM 頻道(可以免費(fèi)使用)。nRF905 可以自動(dòng)完成處理字頭和循環(huán)冗余碼校驗(yàn)的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI 接口與微控制器通信，配置非常方便，性能可靠，并可以實(shí)現(xiàn)人工載波頻率控制，具有128 個(gè)可選頻點(diǎn)，頻點(diǎn)間隔100 kHz，頻點(diǎn)切換時(shí)間為650 μs，可快速實(shí)現(xiàn)頻點(diǎn)切換。使用該芯片可構(gòu)成無(wú)線跳頻通信的收發(fā)模塊，模塊電路及單片機(jī)接口電路如圖2，通過(guò)PWR_UP,TRX_CE 和TX_EN 與單片機(jī)連接實(shí)現(xiàn)工作模式配置。通過(guò)CD,AM,DR 進(jìn)行載波檢測(cè)、地址檢測(cè)、中斷檢測(cè)，通過(guò)SPI 接口與單片機(jī)通信實(shí)現(xiàn)載波頻率、通信指令數(shù)據(jù)格式的配置及數(shù)據(jù)的接收。

　　
圖2 nRF905 與單片機(jī)接口電路

　　2.1.3 車門車窗監(jiān)測(cè)模塊

　　通過(guò)將光電檢測(cè)二極管置于車門車窗關(guān)口，當(dāng)車門或門窗沒(méi)有鎖緊時(shí)，對(duì)應(yīng)的光電檢測(cè)電路會(huì)檢測(cè)到相關(guān)信息，在車內(nèi)無(wú)人時(shí)車載終端通過(guò)汽車主控接口通知汽車微處理系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)關(guān)門關(guān)窗電路，并提醒車主車門或車窗沒(méi)有鎖好，在防盜狀態(tài)下車門車窗被打開則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　2.1.4 車內(nèi)有無(wú)人檢測(cè)模塊

　　通過(guò)放置在汽車座位下的應(yīng)變電阻設(shè)計(jì)的壓力測(cè)量裝置，判斷車內(nèi)是否有人，如車內(nèi)無(wú)人，車防盜鎖系統(tǒng)未啟動(dòng)，則延時(shí)1 min 自動(dòng)上鎖;若汽車防盜鎖啟動(dòng)狀態(tài)下，如若有人，即有可能是有人盜車，防盜器立刻進(jìn)行報(bào)警。

　　2.1.5 車外振動(dòng)檢測(cè)模塊

　　車外振動(dòng)檢測(cè)用來(lái)檢測(cè)當(dāng)車處于防盜狀態(tài)時(shí)，是否有人對(duì)汽車進(jìn)行碰撞，如有則報(bào)警。它采用了振動(dòng)傳感器Z04B，它是一種高靈敏振動(dòng)模塊, 能檢測(cè)極其微弱的震動(dòng)波;安裝簡(jiǎn)便，不受任何角度限制;抗干擾性好，對(duì)外界聲響無(wú)反應(yīng)，具有抗雷電及鞭炮干擾能力，輸出為瞬態(tài)脈沖，用來(lái)構(gòu)成可靠的汽車振動(dòng)檢測(cè)模塊。

　　2.1.6 電源測(cè)控模塊

　　設(shè)計(jì)了備用電源管理功能，在汽車主電源被剪斷時(shí)，備用電源供電并將該情況反饋給車主，提高防盜系統(tǒng)的安全性和可靠性。

　　2.2 人持終端的電路設(shè)計(jì)

　　人持終端完成對(duì)汽車的上鎖、解鎖等控制指令發(fā)送，并接收車機(jī)發(fā)來(lái)的汽車相關(guān)信息，如振動(dòng)情況、車門車窗開關(guān)情況信息，并發(fā)出語(yǔ)音提示。由主控單片機(jī)電路和跳頻通信模塊、人機(jī)接口模塊構(gòu)成，其中主控單片機(jī)電路和跳頻通信模塊與車載終端部分相同。

　　人機(jī)交互接口模塊電路主要由按鍵電路完成人操作指令的發(fā)送，采用LCD 液晶顯示電路使操作更為方便，采用ISD1820 設(shè)計(jì)語(yǔ)音提示電路進(jìn)行報(bào)警提示及車載終端指令執(zhí)行情況提示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 nRF905 的配置過(guò)程及跳頻通信的實(shí)現(xiàn)

　　3.1.1nRF905 的配置過(guò)程

　　如圖2 所示，nRF905 通過(guò)CPU 控制nRF905 的3 個(gè)引腳PWR_UP,TRX_CE 和TX_EN 的高低電平來(lái)決定其4種工作模式(如表1所示)，通過(guò)nRF905 的CD,AM,DR 三個(gè)引腳進(jìn)行載波檢測(cè)、地址檢測(cè)、中斷檢測(cè)，在表1中的前兩種模式下，MCU 通過(guò)SPI 接口配置nRF905 的5 個(gè)內(nèi)部寄存器(狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器、接收數(shù)據(jù)寄存器)。其中狀態(tài)寄存器包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳狀態(tài)信息和地址匹配引腳狀態(tài)信息;射頻配置寄存器包含收發(fā)器配置信息，如頻率和輸出功能等;發(fā)送地址寄存器包含接收機(jī)的地址和數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù);發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器包含待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的信息，如字節(jié)數(shù)等;接收數(shù)據(jù)寄存器包含要接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)等信息。

　　表1 nRF905 的工作模式

　　3.1.2 nRF905 的無(wú)線收發(fā)過(guò)程

　　1) 發(fā)射模式設(shè)置及過(guò)程

　　a) 上電以后MCU 首先配置nRF905 模式，先將PWR_UP,TX_EN,TRX_CE 設(shè)為(10X)配置模式。

　　b) MCU 通過(guò)SPI 將RF 寄存器的頻率配置數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)移入nRF905 模塊。

　　c) 當(dāng)MCU 有數(shù)據(jù)需要發(fā)往規(guī)定節(jié)點(diǎn)時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)的地址(TX-address)和有效數(shù)據(jù)(TX-payload)通過(guò)SPI 接口傳送給nRF905。

　　d) MCU 設(shè)置TRX_CE,TX_EN 為高啟動(dòng)傳輸。

　　e) nRF905 內(nèi)部處理：無(wú)線系統(tǒng)自動(dòng)上電、數(shù)據(jù)包完成(加前導(dǎo)碼和CRC 校驗(yàn)碼)、數(shù)據(jù)包發(fā)送(1000kbps,GFSK,曼切斯特編碼)。

　　2) 接收模式

　　a) 上電以后MCU 首先配置nRF905 模式，先將PWR_UP,TX_EN,TRX_CE 設(shè)為(10X)配置模式。

　　b) MCU 通過(guò)SPI 將RF 寄存器的頻率配置數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)移入nRF905 模塊。

　　c) 設(shè)置TRX_CE 高，TX_EN 低來(lái)選擇RX 模式，nRF905 監(jiān)測(cè)空中的信息。

　　d) 當(dāng)nRF905 發(fā)現(xiàn)和接收頻率相同的載波時(shí)，載波檢測(cè)(CD)被置高。

　　e) 當(dāng)nRF905 接收到有效的地址時(shí)，地址匹配(AM)被置高。

　　f) 當(dāng)nRF905 接收到有效的數(shù)據(jù)包(CRC 校驗(yàn)正確)時(shí)，nRF905 去掉前導(dǎo)碼、地址和CRC 位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)被置高。

　　g) MCU 設(shè)置TRX_CE 低，進(jìn)入standby 模式(待機(jī)模式)。

　　h) MCU 可以以合適的速率通過(guò)SPI 接口讀出有效數(shù)據(jù)。

　　i) 當(dāng)所有的有效數(shù)據(jù)被讀出后，nRF905 將AM 和DR 置低。

　　3.1.3 跳頻的實(shí)現(xiàn)

　　nRF905 可以實(shí)現(xiàn)人工載波頻率控制，只需要修改nRF905 的RF 工作頻率寄存器的CH_NO 和HFREQ_PLL就可以選擇不同的載波頻率，實(shí)現(xiàn)跳頻。位變量HFREQ_PLL 為0，表示工作在430 MHz 頻段，頻道差為100 kHz;為1，則表示工作在868/915 MHz 頻段，頻道差為200 kHz。因此共有1 024 種通信頻率。通信頻率(H)為H=(422.4+(CH_NO)10/10)×(1+HFREQ_PLL)。

　　例如CH_NO=(001001100)2=(76)10，HFREQ_PLL=0，則H=(422.4+76/10)×(1+0)=430.0 MHZ。

　　本系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)置為工作頻段為430 MHz，頻道差為100 kHz，每一個(gè)頻點(diǎn)間隔為100 kHz，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生于0~128之間，跳頻帶寬為12.8 MHz，完成一次跳頻時(shí)間T≤800μs 。

　　3.2 基于跳頻通信遙控防盜器的可靠性設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　3.2.1 生成隨機(jī)跳頻表增強(qiáng)安全性

　　為了增加安全性，每對(duì)密碼鎖除具有唯一對(duì)應(yīng)的32 位加密地址外還增加了一一對(duì)應(yīng)的隨機(jī)跳頻表，第一次使用時(shí)，將車機(jī)、人機(jī)對(duì)應(yīng)的設(shè)置開關(guān)打開，人持終端可以產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的跳頻表，并將該跳頻表通過(guò)握手頻率發(fā)送給車載終端，經(jīng)返回校驗(yàn)無(wú)誤時(shí)將該跳頻表存儲(chǔ)在掉電保護(hù)的非易失FLASH 存儲(chǔ)器中，關(guān)閉設(shè)置開關(guān)，在保證兩機(jī)有一一對(duì)應(yīng)的跳頻頻率表的同時(shí)又很好地保護(hù)了頻率表的安全性，只要雙方按照事先約定的與跳頻表對(duì)應(yīng)設(shè)置一致的CH_NO 和HEFREQ_PLL 的數(shù)值便可實(shí)現(xiàn)跳頻通信，增加了無(wú)線通信的可靠性、安全性。

　　3.2.2 設(shè)定握手及出錯(cuò)、丟包回歸頻率，保證通信可靠

　　跳頻通信的一個(gè)突出問(wèn)題就是盡管可靠性高，但一旦通信雙方通信錯(cuò)誤，引發(fā)跳頻表讀取數(shù)據(jù)不一致， 系統(tǒng)將發(fā)生混亂，無(wú)法通信。為解決這一問(wèn)題，提高防盜器安全性和可靠性，系統(tǒng)設(shè)定了一個(gè)固定頻率作為握手頻率，人機(jī)和車機(jī)之間的通信是先從一個(gè)雙方設(shè)定的握手頻率來(lái)進(jìn)行握手連接，該頻率僅攜帶目標(biāo)地址和握手請(qǐng)求或應(yīng)答信號(hào)，即使被截獲也不影響系統(tǒng)的安全性。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題雙方通信不成功時(shí)，馬上回到握手頻率，從跳頻表初始值重新開始通信。在一次指令信息傳輸進(jìn)行過(guò)程中屏蔽中斷，保證信息的可靠傳輸。

　　3.2.3 系統(tǒng)工作過(guò)程

　　系統(tǒng)上電初始化跳頻表后，人機(jī)和車機(jī)都通過(guò)設(shè)定系統(tǒng)的工作模式(Set nRF905 Mode)，配置nRF905 的寄存器(Configure Register)，使其工作在握手頻率，接收模式(RX Mode)。當(dāng)其中一端收到中斷請(qǐng)求時(shí)(車主指令/報(bào)警信息等)，便發(fā)起握手請(qǐng)求，握手完成后，進(jìn)行兩次跳頻通信過(guò)程，完成信息的發(fā)送及反饋，在發(fā)送過(guò)程中，發(fā)送方發(fā)出握手請(qǐng)求或指令后等待響應(yīng)或反饋的時(shí)間不超過(guò)200 ms，否則便認(rèn)為通信出錯(cuò)，發(fā)起方重新發(fā)起請(qǐng)求。

　　以車主發(fā)出上鎖指令為例，系統(tǒng)整個(gè)工作過(guò)程如圖3，其他車主指令發(fā)送、車載報(bào)警信息的發(fā)送過(guò)程類似。

　　
圖3 防盜器工作流程圖

4 結(jié)論

　　經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)在小區(qū)內(nèi)的可靠通信距離可達(dá)到150 m，滿足一般汽車防盜器的實(shí)際應(yīng)用要求，采用跳頻通信保證了防盜器不易被截獲破解，通過(guò)通信方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了跳頻的通信可靠性，進(jìn)一步提高了防盜器的安全性和可靠性。將該系統(tǒng)簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)后也可用于摩托車防盜及其他防盜系統(tǒng)。