汽车安全与防盗——无钥匙系统的设计

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汽车安全与防盗最初的电子化开始于1994年的引擎防盗(IMMO)，恩智浦半导体(当时的飞利浦半导体)作为第一家半导体公司把RFID的电子标签技术成功的应用于汽车电子引擎锁：通过汽车与钥匙间的125kHz的无线通讯实现电子身份识别，来判断启动汽车引擎。这一技术极大的提高了汽车的安全性，很快就在欧洲以及北美地区广泛应用，并在短短几年时间内使欧洲的汽车失窃率大幅降低了90%，因而成为整个欧洲的汽车标准配置。
遥控钥匙(RKE)的出现为人们带来了很好的用户体验，满足了人们对便利性及舒适性的要求，但由于其射频单向通讯的技术限制，在安全性上有其自身的不足。恩智浦半导体(以下简称NXP)适时推出的集成方案(Combi)把引擎防盗和遥控钥匙合二为一，用一颗芯片来实现，既提高了系统的安全性，又降低了整个钥匙的成本，逐渐替代独立的遥控钥匙成为欧美日市场上的主流方案。当然，在射频通讯上其依然保留单向通讯，安全性并没有本质的提高。

  
图一

2003，NXP推出了无钥匙系统(PKE或称PEPS)，彻底改变了汽车安防应用领域的发展前景，给用户带来了全新舒适与便利的体验：车主在整个驾车过程中都完全不需要使用钥匙，只需要随身携带。当车主进入车子附近的有效范围时，车子会自动检测钥匙并进行身份识别，如成功会相应的打开车门或后备箱；当车主进入车内，只需要按引擎启动按钮，车子会自动检测钥匙的位置，判断钥匙是否在车内，是否在主驾位置，如成功则发动引擎。千万不要小瞧这个看似不起眼的改变，它在简化你的生活方面发挥着重大作用。无钥匙系统绝不仅仅是带来了舒适与方便，其在安全性方面也有了本质的提高，通过低频和射频的双向通讯，汽车与钥匙之间可以完成复杂的双向身份认证，在安全性方面与引擎防盗类似，要远好于传统的遥控钥匙。从2003年少量高端车型成功量产无钥匙系统开始，全球市场用了两到三年的时间推广普及这一技术，目前，几乎全球每一个主流车厂都有应用NXP的无钥匙产品，覆盖中高端的车型，甚至是低端车型。

我们一起看一下这一技术到底是如何实现的。如图二所示，无钥匙系统共需要检测判断三种区域：灰色的车外区域，淡粉色的车内区域以及灰白色的主驾位置。其中灰色的阴影区包括三部分，分别表示主驾，副驾，后备箱的车门控制的有效区域，当车主带着钥匙进入这一位置时，车子跟钥匙间就可以建立起有效通讯，通过低频信号的场强检测，车子可以判断出钥匙的相应位置，由此决定打开对应的车门。淡粉色的车内区域是整个PKE系统设计的难点，要精确的判断钥匙是否在车内，来决定车门状态以及发动机是否可以启动。在一些高端车型的设计中还会检测灰白色的主驾区域，钥匙是否有效，主驾位置是否有人，避免诸如儿童误操作导致的引擎启动；另外还可能包括后备箱内区域的检测，为防止钥匙被误锁入后备箱。综上所述，我们可以发现在无钥匙系统中，区域检测是一个非常重要且区别于以往各种汽车安防产品的技术，因而区域检测的精度就成为衡量一个无钥匙系统好坏的重要参数。目前市场上主要有两种相应技术，其一是通过调节低频信号灵敏度强弱进而根据通讯是否稳定进行模糊判断，其精度有限但实现方便；其二是基于接收低频信号的强度检测来判断，即RSSI(Received Signal Strength Indication)，根据低频信号的大小来计算钥匙与车内低频天线的相对距离，通过多根低频天线交叉覆盖范围，精确定位钥匙的具体位置。NXP的产品全部采用第二种技术。为达到理想的性能参数，NXP提供了最小2.5 mV的三维低频接受前端的信号灵敏度，而典型的灵敏度值可以达到1mV。不同于其他解决方案的逐次逼近式(Successive Approximation) ADC，NXP采用12位的Sigma-Delta (Σ-Δ) ADC，通过多点采样平均来消除噪声干扰，目前已经实现的最好的车内车外检测精度高达2cm。目前，车厂通常要求的车内车外检测精度为5～10cm。

  
图二

无钥匙系统的结构框图如图三所示，左侧为汽车端，包括主控制器(Body Control Unit)，车门把手和后备箱把手触发模块，引擎一键启动模块，引擎防盗基站模块(IMMO Basestation)，低频发射模块和射频接收模块。其中三个绿色的模块主要是用来触发整个系统，当车主拉动车门或按下一键启动按钮，相应的模块会发送中断信号来唤醒主控MCU，开始整个通讯过程。常见的无钥匙系统工作模式分两大类：触发模式和扫描模式(polling)，其中触发模式分为机械触发和电子感应触发，这里需要综合考虑系统成本和系统性能，例如整个系统的响应时间。引擎防盗基站模块是低频通讯模块(125KHz)，用来实现跟钥匙的近距离通讯，发动引擎，这一功能是备用方案，又称“无电模式”，只有在钥匙电池耗尽或者有意外干扰无钥匙系统导致无法正常工作时才会采用。这种情况下，用户只需要手持钥匙放在固定位置(例如凹槽)，钥匙就可以跟基站建立通讯，进行身份认证来启动引擎。NXP的无钥匙系统PCF7952和 PCF7953的一大特色就是芯片本身集成了引擎防盗功能，完全兼容NXP的所有Transponder产品，包含PCF7936。这极大的提高了系统的可靠性而且不需要额外增加成本，具体细节后续还会提到。


图3：无钥匙系统的结构框图。
低频发射模块和射频接收模块是无钥匙系统的基本通讯链路，低频发射采用125KHz，为上行链路，由车子端发送至钥匙端；射频接收采用315MHz或434MHz，为下行链路，由钥匙端发送至车子端。之所以采用125KHz，一方面是为了兼容引擎防盗的相关技术，更为重要的是125KHz的信号对距离敏感，可以实现精确的距离检测，起到关键的定位作用。射频则采用传统RKE的频段，一方面兼容遥控钥匙的基本功能，更利用了其通讯速度快的优势，这里需要着重声明的是，所谓的通讯速度是指钥匙跟车子间用于认证加密的数据传输，为保证在较短时间内完成无钥匙开门或点火的过程，需要采用较高的波特率(一般为8～20kbps)，通常不建议采用低端的SAW发射模块(1kbps左右)，而采用基于锁相环技术的发射芯片来实现，例如NXP的PCF7900，其在FSK的模式下最高波特率可达到20kbps。同样是为了这个目的，射频频段也有采用更高频的868MHz或915MHz的趋势。如图所示，低频发射模块包括多个低频天线，安装于车门把手内用来实现无钥匙进入(Keyless Entry)，安装于车身内部的用来实现无钥匙启动(一键启动Keyless Start)。

钥匙端的具体框图如图四所示，主芯片是NXP的PCF7952或PCF7953，射频发射芯片采用NXP的PCF7900，相应的在车子端的射频接收芯片是NXP的PQJ7910。PCF7952/53具有低频模拟前端(LF Front End)，用来连接外围3D天线。在无钥匙系统中，钥匙端需要外置3D低频天线，可以接收检测外部空间的3D能量场强，分别为X，Y，Z轴，通过叠加3个方向上的能量，可以保证钥匙在任何角度都能检测到同样的场强。其中的一轴天线还被复用为IMMO的功能，实现无电模式下的引擎启动。通过上行和下行链路，钥匙跟汽车可以建立起双向通讯，进行复杂的身份认证。最新的一代认证技术称为交互认证技术(Mutual-Authentication)，不仅仅需要汽车来认证钥匙，同时也需要钥匙来判断车子是否合法，任何错误都会导致整个通讯结束，以此来保证系统的安全性。通讯距离是由低频上行链路125KHz决定，通常的PKE系统工作有效距离为2.5m左右，而实际有效开关门距离为1.5m～2m。除了车内外检测精度以外，钥匙端的功耗也是衡量一个无钥匙系统好坏的重要指标，PCF7952自带的电源管理模块可以最大程度的降低整个系统功耗，一套成熟的无钥匙系统方案，钥匙端在一颗2032的3V锂电池供电的情况下，电池寿命可以长达三年。

  
图4：钥匙端的模块框图。

在无钥匙系统之后，汽车安全与防盗产品将会走向何方？NXP已经给出了确切的答案：Keylink，即下一代的汽车钥匙。它最大的突破在于，把车钥匙跟外围的智能终端联系起来，使钥匙可以跟诸如手机，PDA等设备实现近距离的无线连接，借助于手机等智能终端的显示功能和强大的处理能力，一个无比广阔的应用空间摆在了我们面前：

- 随时查询车辆状态，门窗状态，油箱油量，车内温度…手机屏幕上的显示应有尽有
- 寻找汽车，通过钥匙跟手机的配合，手机的GPS导航帮你轻松找到停车地点
- 轻松制定出行路线，在电脑前将选定的出行路线存入钥匙。进入汽车时，车载导航仪将自动导入出行信息
- 车辆维护，车辆的出厂记录，维修记录，全部都存在钥匙中，便于维护。

类似以上的应用还有很多很多，下面这则新闻则是Keylink的又一新应用，可以让我们更近距离地了解这一技术，也以此作为本文的结束：

2008年10月22日——宝马(BMW)技术研发部与恩智浦半导体(NXP Semiconductors，由飞利浦创建的独立半导体公司)推出全球第一款多功能车钥匙原型。这款产品原型具备非接触支付功能，个人进入控制以及先进的公共交通电子车票功能，以实现更强的移动性体验。配备了恩智浦的SmartMX安全芯片，这款产品原型首次实现了通过车钥匙让驾驶者进行快速、安全和便捷的电子支付，为未来的消费者开创了激动人心的全新应用环境。