??? 摘 要： 一種汽車智能無匙門控" title="智能無匙門控">智能無匙門控系統設計方法。結合微芯公司PIC16F639微控制器" title="微控制器">微控制器的特性，設計出相應的無線收發通信系統，給出了硬件電路和軟件流程。在此基礎上，針對短程無線通信的特點提出了系統改進措施，討論了數據傳輸格式和差錯控制原理。實驗結果表明，該系統在功耗、通信距離及可靠性方面均達到較高指標。
??? 關鍵詞： 智能無匙門控? 低頻喚醒? KEELOQ滾碼編碼? 通斷鍵控? 脈寬調制
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??? 隨著汽車電子技術的發展，無匙門控系統已成為一種標準配置，這對提高汽車的防盜性、控制性有重要意義。傳統的無匙門控系統以單向通信為特征，用戶通過按鍵進行門控操作；而在新型的智能無匙門控PKE（Passive Keyless Entry)系統中，基站(車身)和收發器" title="收發器">收發器(鑰匙)可以實現雙向自動通信，不需要人機接口，用戶僅需隨身攜帶一個收發器就可以實現免提門控操作。圖1是一個PKE系統的框圖。系統由收發器（鑰匙）和基站（車身）兩部分組成。當觸發事件發生時（如用戶拉動車門把手上的開關），汽車總線會將此觸發信號送交基站，基站收到觸發信號后利用125kHz LF(低頻)發送喚醒信號，同時不斷搜索有效范圍內UHF（超高頻）頻率的收發器響應。收發器通常處于待機模式，如果接收到有效的喚醒信號，收發器將通過UHF頻率向基站發送控制命令，基站收到控制命令后送交相關機構執行。由于125kHz信號的傳播能力較弱，雙向通信的范圍通常在2米以下，但收發器本身仍然可以提供按鍵用于可選的其他操作，因此其通過UHF頻率向基站發送按鍵信息的距離可以更長。控制命令在發送前須經編碼模塊編碼加密，以提高數據傳輸的安全性；在被接收后由解碼模塊解碼。在本系統中，數據的編碼及解碼由微控制器（MCU）完成。
??? PIC16F639是微芯公司推出的針對無匙及智能無匙門控系統（RKE/PKE）設計的一款性價比較高的微控制器。其主要特點如下：（1)多種時鐘源和選擇特性，并有2個內置振蕩器可配置為系統時鐘源；(2)3.5KB FLASH存儲器；(3)128B的片上RAM存儲器；(4)256B的片上EEPROM存儲器；(5)1個8位定時器和1個16位定時器；(6)12個通用IO口，內置上拉/下拉功能，其中6個（PORTA）支持電平變化中斷；(7)1個外部中斷管腳（RA2）；(8)芯片有休眠模式，支持中斷喚醒；(9)集成了一個3通道模擬前端" title="模擬前端">模擬前端，AFE（Analog Front-End）通過SPI接口與PIC16F639通信；(10)內置1個KEELOQ硬件加密模塊。
??? 利用PIC16F639可以和簡單的收發電路或RF收發芯片相配合實現無線遙控、數據傳輸等功能，并可利用其內置KEELOQ模塊對數據進行KEELOQ滾碼加密。
1 系統硬件設計
??? 收發器原理如圖2所示。
1.1 收發器（鑰匙模塊）
??? (1)電源系統
??? 收發器采用3V鈕扣電池供電，系統時鐘為4MHz(內置振蕩器),待機時PIC16F639進入休眠模式，功耗很低，約幾納安。
??? (2)按鍵掃描
??? 收發器接入5個按鍵(S0~S4)到PORTA口，分別完成上鎖、解鎖、報警等功能。當按下任一按鍵時通過PORTA的電平變化中斷喚醒PIC16F639，并進入相應的中斷流程；處理完畢后，重新進入休眠模式。
??? (3)低頻喚醒
??? 收發器對基站低頻喚醒信號的接收是通過集成在PIC16F639上的模擬前端（AFE）實現的。通過3組相互正交放置的LC諧振線圈可以實現對低頻信號" title="低頻信號">低頻信號的全方位接收，消除了收發器的方向性。3個線圈回路分別接入模擬前端的3個輸入通道（引腳LCX，LCY，LCZ）。閑置時，模擬前端處于待機模式（大部分內部電路斷電以減少電流消耗），當任一輸入通道正確接收低頻信號達一定時間，模擬前端的其余部分才上電，有效的低頻信號會經其內部電路解調并在PORTC口RC3引腳上形成數字信號（LFDATA）輸出，并通過PORTA口RA5引腳喚醒休眠中的PIC16F639。為防止其他低頻信號干擾（如噪聲、廣播信號）致使模擬前端喚醒PIC16F639而消耗系統電量，可以配置模擬前端內置的輸出使能濾波器，設定報頭匹配序列。只有當接收到的低頻信號的報頭波形序列與之吻合時,才判為有效信號，并使能LFDATA輸出，否則無數字信號輸出。喚醒后收發器利用LFDATA數據驗證基站身份，可取收發器KEELOQ模塊序列號作為驗證信息（基站事先通過“學習”[5]過程獲得該序列號）。PIC16F639通過內部SPI接口（與RC1，RC2，RC3復用）對其模擬前端進行配置。
??? (4)LED指示
??? PORTC口的RC0、RC4作為輸出控制LED，用以指示UHF信號的發射和LF喚醒信號的接收。
??? (5)KEELOQ硬件加密
??? 收發器收到有效的低頻喚醒信號或按鍵信息后，須向基站發送相應的控制命令；控制命令在發送前須編碼加密。傳統的用于單向傳輸的安防產品主要采用固定編碼集成電路，其編解碼芯片的編碼長度有限，碼形格式固定不變，通過捕捉波形和跟蹤掃描等方法易于破解，安全性不高。采用基于KEELOQ算法的滾動碼編碼技術，克服了以上缺點，在傳輸代碼之前通過非線性位加密技術產生高保密性的滾動編碼，每次發送的代碼（滾動碼）都是唯一的、不規則的，且不重復。其技術核心是用64位的加密密鑰去加密32位的待加密信息（按鍵信息、識別碼、同步計數值）得到32位滾動碼[6]，再加上固定碼（32～34位）構成完整數據幀。
??? (6)高頻發射
??? 高頻發射電路如圖3，調制方式為OOK(通斷鍵控)，發射頻段為433MHz，采用聲表面波器件穩頻，頻率一致性好，頻穩度高。控制命令經KEELOQ滾碼編碼，PWM（脈寬調制）編碼后成為待發射數據UHFDATA，并由PIC16F639 PORTC口的RC5輸出進行移位發射。當輸出為高電平時，驅動發射電路工作，輸出為低電平時，發射電路截止。
1.2 基站（車身接收模塊）
??? 基站由UHF接收模塊、LF發射模塊、微控制器及汽車總線接口等組成，如圖4所示。UHF接收模塊將接收到的OOK調制數據解調為PWM數據送交微控制器，微控制器通過軟件方式解碼PWM數據，再解碼滾碼數據得到原控制命令，并通過汽車總線送給相關執行機構。同樣，若收到來自汽車總線的有效觸發信號，微控制器將組織喚醒信號并送交低頻發射模塊發射。本系統的UHF接收模塊采用臺灣HIMARK的RX3310A組成超外差接收電路，RX3310A是一款性價比高的超外差ASK接收芯片，工作在250MHz～450MHz頻段，具有-104dBm的高靈敏度，正常平均工作電流2.6mA,功耗低。實驗中測得有效通信距離可達10～15米。
2 系統軟件設計
2.1 通信協議
??? (1)PWM編碼
發送方和接收方之間采用PWM(脈寬調制)編碼方式進行半雙工通信，PWM信號的產生及解碼由微控制器通過軟件方式實現。碼元周期Te(一般取100μs～400μs），則傳輸波特率=1/Te。用3碼元表示1位數據,中間碼元作為信息碼元。
??? (2)數據格式
??? 如圖5，滾碼數據構成為：32位滾動碼+34位固定碼，模擬前端穩定時間TSTAB=4ms,間隔脈沖TGAP=500μs，輸出使能匹配序列TOEH=2ms，TOEL=2ms。
??? (3)PWM信號的接收與解碼
??? 微控制器通過軟件方式按以下步驟接收PWM信號：①根據引導位開始準備接收；②利用同步頭作為接收速率校正，并計算出Te的值；③同步頭結束后，在偵測的第一個上升沿，延時0.5Te后取樣(取樣點A)，并測試是否為1，如果為0則接收失敗；④延時1Te后取樣(取樣點B)，若測試為1則存為‘0’，測試為0則存為‘1’，實現解碼；⑤延時1Te后取樣(取樣點C)并測試，如果為1則接收失敗;⑥等待下一個上升沿到來，如果等待時間超過1Te則接收失敗；⑦重復3～6步，直到完成所有數據位接收。采用PWM編碼，接收方可以自適應地校正接收速率，通信雙方無須事先約定傳輸速率，提高了系統的靈活性。
2.2 流程圖
??? 收發器流程圖如圖6所示。
3 系統的改進措施
3.1 數據傳輸的差錯控制
??? 盡管滾碼編碼技術的引入提高了數據傳輸的安全性，但對傳輸過程中可能出現的誤碼檢錯能力弱，特別是當控制命令的關鍵數據位出錯時，對系統的可靠性將產生很大影響。為此，考慮引入ARQ（自動請求重發）：在控制命令經滾碼編碼后，再加入一級循環冗余校驗(CRC)；當接收端（基站）發現差錯時，就通過低頻信號請求發送端（收發器）重發，直到收到正確的碼字為止。
3.2 UHF信號的接收
????基站對UHF信號的接收可用ASH（時分放大器序列混合）接收機取代超外差接收機。超外差接收機靈敏度高、穩定性好、抗干擾能力強。但超外差接收對天線阻抗的的匹配要求較高，偏離50Ω會導致靈敏度急劇降低。近年來無線接收機家族的新成員ASH接收機，可以在任何天線阻抗下(35~72?贅)穩定工作。在UHF的鏈路應用中，這種穩定性非常重要。ASH接收機還有很強的頻道捕捉性，在UHF場合內最強的信號就能對接收機起主導作用；對較弱的信號，接收機就加以忽略，從而避免PKE系統間的同頻干擾。
3.3 滾碼編碼的軟件實現
??? 微芯公司基于KEELOQ加密算法的滾碼技術是一項封裝在芯片中的技術，用戶基于硬件進行開發，成本高、靈活性差、易受制于人[5]。用軟件手段實現滾碼技術，系統的擴展和升級將更方便，但在單片機上用軟件實現滾碼技術，必須考慮芯片的時空資源并選取合適的加密算法。
3.4 本系統與其他汽車電子系統的集成
??? 無匙/智能無匙門控、無線倒車雷達、胎壓監測系統（TPMS）都是近年汽車電子行業的熱點。由于它們的UHF模塊（LF模塊）工作在不同的時間段，因此完全有可能實現復用，這樣不僅節約了系統硬件開銷，也提高了系統的集成度。
??? 智能無匙門控系統是當前汽車電子技術的熱點應用，符合未來汽車智能安全的發展方向，將成為未來汽車必備的安全駕駛配備之一。通過對MICROCHIP公司微控制芯片PIC16F639及無線接收芯片RX3310A等的應用，得出一套較完整的PKE系統原理和設計方案，該系統在成本、功耗、通信距離及可靠性方面均達到較高指標；同時，還可用于遙控車庫門控、引擎啟動控制、停車位控制等系統中。
參考文獻
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[5] 李福平，金偉正，鄧德祥.KEELOQ技術的軟件實現.電子技術應用,2002，(6)：10-13.
[6] 董輝，盧建剛.一種基于KEELOQ的改進加密算法及其在單片機中的實現技術.電子技術應用，2004，(9)：14-17.