远程防盗汽车PKE系统设计

摘要 针对目前汽车PKE系统无远程防盗功能的问题，提出了一种基于STC单片机的具有远程防盗功能的汽车PKE系统设计方案。设计了钥匙模块的高频发射与低频唤醒接收电路，车载模块的高频接收与低频发射电路，以及车载模块与GSM模块的通信连接。分析了滚动码加解密过程以及钥匙模块与车载模块之间的通信协议。此设计方案完善了PKE防盗功能，能够满足实际应用中的防盗和通信要求。
关键词 远程防盗；滚动码；GSM模块；低频唤醒

    20世纪90年代以来，电子信息技术普遍应用于汽车防盗系统，促进了汽车防盗技术的智能化和功能多样化。免开启门禁系统(Passive Keyless Entry，PKE)正迅速成为汽车门禁系统应用的主流，并成为新型汽车的普遍选择。
    文中提出的远程防盗汽车PKE系统设计方案融合了网络技术、高低频双向通信等相关技术。携带钥匙的车主只需靠近车门，车门将自动打开。另外，在传统的PKE功能基础上，应用了全球移动通信系统(G1obal System for Mobile Communications，GSM)模块，弥补了现有汽车PKE系统不能实现远程防盗功能的缺陷。在国外，PKE系统已成为高档车型的主流配置，同时应用于中、低档车型上。目前该系统仍被国外的企业垄断，然而国内在此方面的研究才刚起步。随着国内汽车市场的迅速扩大，研究设计具有网络防盗功能的汽车PKE系统具有较大的实用价值。

1 PKE系统框架
    整个系统由钥匙模块和车载模块两部分组成。车载模块MCU(Micro Control Unit)每间隔一定时间通过编程自动发射125 kHz低频信号，当钥匙模块的低频唤醒芯片探测到该有效低频信号时，就唤醒钥匙模块MCU去控制高频发射模块将加密信号以315 MHz高频发送出去；车载模块接收到该315 MHz高频信息后，将其传输给车载MCU，由其负责对数据进行接收、解码、判别和相应处理，完成相应动作。当车主离开车后，只要车身的振动传感器检测到振动，就发出报警，同时车载MCU控制GSM模块发送短信到车主手机。系统的结构框图如图1所示。

2 钥匙模块硬件设计
    钥匙模块MCU选用STC12C5201AD低功耗单片机，配合低频唤醒接收电路和高频发射电路构成钥匙模块。该单片机一般处于超低功耗接收模式，采用中断方式工作。只有当检测到有效的低频信号输入或有键按下时，钥匙模块MCU才被唤醒，以降低系统功耗。
2．1 低频唤醒模块
    低频接收芯片采用ATA5283芯片，其具有唤醒功能的125 kHz超低功耗接收器。其输入端将从天线接收到的信号包放大及处理后转换为数据输出给单片机。当接收到125 kHz信号时，ATA5283便激活其N_WAKEUP(唤醒输出脚)和N_DATA(数据输出脚)。空闲时ATA5283和单片机处于待机状态，当谐振电路收到125 kHz有效信号时，N_WAKEUP唤醒单片机开始工作，然后单片机给ATA5283的RESET脚一个高电平使其复位再进入待机模式。ATA5283与单片机连接如图2所示。

2．2 高频发射模块
    高频发射模块南315 MHz的声表面波振荡电路和调制电路组成，振荡电路的振荡或停振受单片机输出的PWM信号的控制。由于STC单片机无信号加密功能，所以在钥匙模块加装Keeloq编码加密芯片以实现信号加密。

3 车载模块硬件设计
    车载模块MCU采用STC12C15204AD单片机，其具有4 kB的Flash用户应用程序空间，可以用来解码加密信号。该单片机与高频接收模块、低频发射电路、振动报警模块以及CSM通信模块构成了系统的车载模块。
3．1 低频发射电路
    低频发射模块采用专用芯片TC4422，其输出阻抗仅为1．6 Ω，驱动电流可达9 A。单片机将信号送给TC4422的IN引脚，再由其驱动天线线圈发送出125 kHz的低频信号。
3．2 高频接收电路
    高频接收采用无线接收芯片RX3400，其具有较好的抗干扰特性，适合单片机数据传输。车载模块在接收到钥匙模块发射的高频幅移键控(Amplitude ShiftKeying，ASK)信号后，传送至RX3400模块进行处理，得到数据信号，再经解码后将其送入车载模块MCU，触发中断产生，使微处理器执行相应的处理程序。考虑到成本等因素，系统采用软件方法解码。
3．3 振动报警电路
    振动检测用于在检测到车身遭受碰撞时，系统及时做出报警处理。该功能模块采用市面上常见的汽车振动传感器，传感器的输出线与车载模块MCU的IO口相连，同时上拉一个10～20 kΩ的电阻，使平时保持高电平，当振动产生的时候就被拉到低电平，从而单片机控制报警电路报警。
3．4 GSM通信模块
    GSM模块采用西门子公司的TC35i模块，可传输语音和数据信号，通过接口连线器和天线连接器分别连接SIM(Subseriber Identity Modu le)卡读卡器和天线，其数据接口通过AT指令可双向传输指令和数据，支持text和pdu格式，可通过AT指令或关断信号实现重启和恢复故障。电路连接简单，采用异步串行通信。报警短信息通过TC35i模块发送到车主手机，收到报警后，车主可以向TC35i模块发送短消息，TC35i提取短消息并译码后进行相应的操作启动执行模块。GSM模块与单片机的连接如图3所示。

4 系统软件设计
    系统的软件设计部分主要包括滚动码技术、系统的通信协议及车载模块流程设计。
4．1 滚动码技术
    滚动码(Keeloq)技术是一种非线性加密算法，其核心组成要素是：制造商代码、序号、编码密码。其中，制造商代码是由制造商决定的原始密码，用来辨别不同制造商；序号用来区别不同的钥匙，每个钥匙都有自己的序号；编码密码用来产生滚动码，储存于加密芯片片内EEPROM中。由于Keeloq算法的复杂性和16位同步码每次传输时都要更新，故每次传输代码都和上次的代码不同。只有在传输216次后才可能重复，因此在短时间内较难被破译，保证了安全性。
    车载模块接收到该高频加密信号后，先解调，再采用软件方法解码。解码步骤为：
    (1)车载模块接收到66 bit加密资料后，首先检查固定码中的序号与存储在EEPROM中的序号是否一致。
    (2)运行解密算法，得到识别码、同步计数值、功能键、溢位。
    (3)单片机将解码后的识别码与固定码中序号的低10位进行比较，其是否相等。
    (4)比较解码后的功能键数值与固定码中的功能键数值。
    (5)判断解码后的同步计数值与EEPROM中的旧的同步计数值是否合理增加。
    如果以上步骤有一个出现错误，车载MCU则不执行下一步动作，解码过程如图4所示。

4．2 通信协议
    车载模块的低频发送器与ATA5283芯片之间采用低频通信。在检测到有效低频信号之前，ATA5283处于待机模式。为防止嘈杂环境中电路误操作，报头检测电路会检查输入信号。有效的输入信号在192个无间断载波周期后被计数器检测到。在发现有效载波信号后，电路开启自动增益控制，完整的报头应该有至少704个载波周期。此后报头结束，开始数据传输过程。
    车载模块与钥匙模块之间的高频通信采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)编码方式进行半双工通信。1个逻辑数据由3个位元组成，位元周期Te的取值通常介于100～400μs之间。在接收PWM之前，车载模块MCU通过前导资料的指引做接收数据的准备。同步导引之后，微控制器检测到第一个上升沿时，等待1／2Te时间后立即取样并检测是否为高电平1，如果为0则接收资料失败，然后延时一个Te时间后立即取样作为资料位元，再延时一个Te时间取样并判断，如果为高电平1则接收资料失败，最后等待下一个上升沿的到来，若等待时间超过一个Te则接收资料失败。依此循环，直到全部资料接收完毕。

    高频码元信息由3个部分组成：每次发码的码字以引导码和头标开始，然后是66位数据，即滚动码和固定码，最后是每次发送的保护时间。滚动码为32 bit的加密数据；固定码为34 bit。高频数据发送格式如图5所示。
4．3 车载模块流程
    车载模块的功能是与钥匙模块的高、低频双向通信，控制GSM模块收发短消息，控制报警、读取SIM卡内短消息等。单片机要完成正确接收串口发送来的数据，且能够自动分析TC35i发送来的数据格式，判断发送来的命令是否需要处理。另外，如果系统检测到车身传感器的振动信息，则系统不断发送短消息到车主手机，直到车主手机回复“停止”命令为止。

5 结束语
    系统具有以下特点：一主控芯片采用中断方式工作，降低了系统功耗；二结合滚动码加密技术实现了信号加密，防止信号被截获破解，提高了安全性；三增加GSM通信模块，通过短消息控制防盗系统各项功能，解决汽车防盗装置远程遥控问题，有效提高了汽车防盗性能。