當今70%的汽車商選用RKE(Remote Keyless Entry,遠程無鑰匙進入)系統(tǒng)，或將其作為一個標準。RKE系統(tǒng)主要由按鍵加密發(fā)送器和車內內置接收器組成，結構框圖如圖1所示。它們主要用在汽車門 控制、無線傳感器、汽車無線胎壓監(jiān)測TPMS(Tire Pressure Monitor System)等方面，使用的頻率是315 MHz(美國和日本地區(qū))、433.92 Hz(歐洲地區(qū))。歐洲同時開放了868 MHz頻率來適應RKE系統(tǒng)的增長需求。
圖1 RKE系統(tǒng)結構框圖
RKE系統(tǒng)的用戶可以通過鑰匙鏈發(fā)送數(shù)據(jù)來打開和關閉汽車門。圖1中，用戶可以按下按鍵開關來發(fā)起與接收機的通信，通過一串64～128位長度 的數(shù)據(jù)流進行發(fā)送器和接收器的會話。該數(shù)據(jù)流包括前引導碼、命令碼和一串加密滾動碼。通信速率通常選用2～20 kHz之間，采用ASK調制方式，主要為了延長發(fā)送部分鑰匙鏈中電池的使用壽命。
1 系統(tǒng)設計
1.1 功率設計
設計中主要考慮的是低電流消耗情況下的高可靠性、系統(tǒng)的成本以及發(fā)送器和接收器的壽命。對于發(fā)送器，電池壽命在3~5年是可以滿足要求的。電池 壽命對于接收器件也很重要，因為接收器件必須總是在線偵聽發(fā)送端數(shù)據(jù)，典型的電流要求不超過1 mA。一個設計方法是，在一定時間內,接收端保證能夠檢測到有效的發(fā)送信號;為了最大限度地節(jié)約電量，接收器在其他的時間睡眠。
1.2 安全性設計
系統(tǒng)的安全性也是一項主要考慮的因素。通過采用Microchip公司專為RKE系統(tǒng)設計的使用DES算法的安全密鑰芯片HCS300來實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全加密，防止發(fā)送的數(shù)據(jù)被惡意盜取拷貝;同時在接收端使用MC9RS08KA2進行解密和繼電器控制。
HCS300的操作電壓為2.0~6.3 V,是一個可編程28位串行碼、64位加密鍵值、66位發(fā)送長度、32位跳頻碼、4位按鍵碼、2位狀態(tài)碼，具有鍵值讀保護措施的芯片。
DES編碼、解碼圖如圖2和圖3所示。
圖2 DES編碼圖
圖3 DES解碼圖
16位的同步計算器,在每次發(fā)送代碼后都要發(fā)生改變。它隨按鍵的次數(shù)而增加。根據(jù)DES算法加密,在每次發(fā)送的代碼中，由于同步計數(shù)器的變化而 使得每次發(fā)送的代碼有大于50%的部分不一樣。圖2說明在編碼過程中如何使用HCS300的內部可編程EEPROM，一旦編碼器檢測有按鍵按下，它就立即 讀鍵值，同時刷新同步計數(shù)器。按鍵和同步計數(shù)器經過加密算法處理，輸出數(shù)據(jù)是32位的加密信息。攜帶按鍵信息的32位代碼和串行碼組成了整個發(fā)送碼，將被 接收部分接收到。
解碼部分必須先學習發(fā)送端的數(shù)據(jù)碼，學習包括計算發(fā)送端的鍵值、解密32位的加密信息和可編程陣列中的串行碼、同步計數(shù)器以及鍵值。在正常的操 作模式中，每次接收到的有效格式的信息都被計算。串行碼用于表示發(fā)送碼是否被學習過。如果發(fā)送碼被學習過，那么它的信息被解密和同步計數(shù)器值校驗，最后接 收系統(tǒng)執(zhí)行按鍵操作請求。圖3表示了接收部分接收到的信息和它的可編程EEPROM(設計中使用AT24C02)中存儲信息的關系。
1.3 射頻收發(fā)器件和微處理器特性
為了保證系統(tǒng)能夠在較低電流消耗的情況下，有較高的發(fā)射功率和接收靈敏度，系統(tǒng)選用了Maxim公司的MAX1473接收芯片和MAX7044發(fā)射芯片。
MAX7044發(fā)射芯片工作電壓為+2.1~6.0 V，7.7 mA的低工作電流，250 μs的啟動時間。通信速率能達到100 kbps,小封裝3 mm×3 mm，8引腳SOT23封裝。它消除了基于SAW發(fā)送器設計的問題;采用晶體結構，提供了更大的調制深度和快速的頻率響應機制;降低了溫度的影響，溫度范 圍可達-40~125 ℃。
MAX1473接收芯片采用3.3 V鋰電池供電，250 μs啟動時間，小于2.5 μA的待機模式工作電流，-114 dBm的靈敏度;采用TSSOP 28引腳封裝設計。
MC9RS08KA2作為Freescale公司新推出的一款集成多個功能的高性價比MCU，具有鍵盤中斷和高達20 MHz的內部時鐘，以及8位模計數(shù)器，2 KB Flash空間，63字節(jié)RAM;同時有等待和3種停止模式，滿足系統(tǒng)的超低功耗設計(設計中電流小于1 μA)，以及簡易的6引腳BDM編程調試接口，便于系統(tǒng)的實時升級。設計中采用6引腳DFN精密小引腳封裝，滿足系統(tǒng)的小體積要求。
1.4 硬件設計圖
按鍵DES硬件加密部分電路如圖4所示。發(fā)送部分射頻前端電路如圖5所示。
接收部分射頻前端電路如圖6所示，元器件參數(shù)如表1所列。接收部分微處理器控制電路如圖7所示。
圖4 按鍵DES硬件加密部分電路
圖5 發(fā)送部分射頻前端電路
1.5 軟件設計
編碼加密操作流程如圖8所示。
如果有按鍵按下，HCS300將被喚醒，同時通過10 ms延時消抖。同步計數(shù)器、描述信息、按鍵信息被編碼形成跳頻碼。每次發(fā)送跳頻碼都會不一樣，即便是同一個按鍵按下，在64K次按鍵過程中發(fā)送的跳頻碼也 不會發(fā)生重復，因此在較長的時間內，按鍵密鑰信息不會被盜取。如果在發(fā)送的過程中檢測到新的按鍵按下，那么將會立即復位，而且當前的代碼將不會繼續(xù)執(zhí)行; 離開按鍵后，對代碼字是沒有影響的，除非沒有按鍵繼續(xù)保持按下狀態(tài)，在任何情況下傳輸代碼都會完成，同時系統(tǒng)下電。
接收部分解碼解密流程如圖9所示。
上電后，MC9RS08KA2開始判斷系統(tǒng)是否有I/O中斷產生。如果沒有，則系統(tǒng)進入低功耗睡眠模式(停止模式3);如果有I/O中斷產生， 那么進入中斷，喚醒MCU，同時進行軟件DES算法解密。如果解密不成功，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù);如果解密成功，則執(zhí)行相應的繼電器操作(如開/關門等)，然后 系統(tǒng)繼續(xù)進入睡眠狀態(tài)。
2 結論
通過結合多家外圍器件和微處理器件，利用Microchip KEELOQ芯片的安全性，Maxim的射頻芯片的可靠性、穩(wěn)定性和Freescale微處理器的高集成度及性價比，整合各家優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的整體性 能。通過實際運行，系統(tǒng)達到了預先設計的要求。本次設計只使用了2個按鍵，根據(jù)需要可以外擴功能按鍵達到15個，用于實現(xiàn)不同的控制信息要求。設計人員可 以根據(jù)自行需要進行相應的擴展。