汽車安全與防盜――無鑰匙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

遙控鑰匙(RKE)的出現(xiàn)為人們帶來了很好的用戶體驗(yàn)，滿足了人們對便利性及舒適性的要求，但由于其射頻單向通訊的技術(shù)限制，在安全性上有其自身的不足。恩智浦半導(dǎo)體(以下簡稱NXP)適時(shí)推出的集成方案(Combi)把引擎防盜和遙控鑰匙合二為一，用一顆芯片來實(shí)現(xiàn)，既提高了系統(tǒng)的安全性，又降低了整個(gè)鑰匙的成本，逐漸替代獨(dú)立的遙控鑰匙成為歐美日市場上的主流方案。當(dāng)然，在射頻通訊上其依然保留單向通訊，安全性并沒有本質(zhì)的提高。

圖一

2003，NXP推出了無鑰匙系統(tǒng)(PKE或稱PEPS)，徹底改變了汽車安防應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景，給用戶帶來了全新舒適與便利的體驗(yàn)：車主在整個(gè)駕車過程中都完全不需要使用鑰匙，只需要隨身攜帶。當(dāng)車主進(jìn)入車子附近的有效范圍時(shí)，車子會自動(dòng)檢測鑰匙并進(jìn)行身份識別，如成功會相應(yīng)的打開車門或后備箱；當(dāng)車主進(jìn)入車內(nèi)，只需要按引擎啟動(dòng)按鈕，車子會自動(dòng)檢測鑰匙的位置，判斷鑰匙是否在車內(nèi)，是否在主駕位置，如成功則發(fā)動(dòng)引擎。千萬不要小瞧這個(gè)看似不起眼的改變，它在簡化你的生活方面發(fā)揮著重大作用。無鑰匙系統(tǒng)絕不僅僅是帶來了舒適與方便，其在安全性方面也有了本質(zhì)的提高，通過低頻和射頻的雙向通訊，汽車與鑰匙之間可以完成復(fù)雜的雙向身份認(rèn)證，在安全性方面與引擎防盜類似，要遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的遙控鑰匙。從2003年少量高端車型成功量產(chǎn)無鑰匙系統(tǒng)開始，全球市場用了兩到三年的時(shí)間推廣普及這一技術(shù)，目前，幾乎全球每一個(gè)主流車廠都有應(yīng)用NXP的無鑰匙產(chǎn)品，覆蓋中高端的車型，甚至是低端車型。

我們一起看一下這一技術(shù)到底是如何實(shí)現(xiàn)的。如圖二所示，無鑰匙系統(tǒng)共需要檢測判斷三種區(qū)域：灰色的車外區(qū)域，淡粉色的車內(nèi)區(qū)域以及灰白色的主駕位置。其中灰色的陰影區(qū)包括三部分，分別表示主駕，副駕，后備箱的車門控制的有效區(qū)域，當(dāng)車主帶著鑰匙進(jìn)入這一位置時(shí)，車子跟鑰匙間就可以建立起有效通訊，通過低頻信號的場強(qiáng)檢測，車子可以判斷出鑰匙的相應(yīng)位置，由此決定打開對應(yīng)的車門。淡粉色的車內(nèi)區(qū)域是整個(gè)PKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，要精確的判斷鑰匙是否在車內(nèi)，來決定車門狀態(tài)以及發(fā)動(dòng)機(jī)是否可以啟動(dòng)。在一些高端車型的設(shè)計(jì)中還會檢測灰白色的主駕區(qū)域，鑰匙是否有效，主駕位置是否有人，避免諸如兒童誤操作導(dǎo)致的引擎啟動(dòng)；另外還可能包括后備箱內(nèi)區(qū)域的檢測，為防止鑰匙被誤鎖入后備箱。綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)在無鑰匙系統(tǒng)中，區(qū)域檢測是一個(gè)非常重要且區(qū)別于以往各種汽車安防產(chǎn)品的技術(shù)，因而區(qū)域檢測的精度就成為衡量一個(gè)無鑰匙系統(tǒng)好壞的重要參數(shù)。目前市場上主要有兩種相應(yīng)技術(shù)，其一是通過調(diào)節(jié)低頻信號靈敏度強(qiáng)弱進(jìn)而根據(jù)通訊是否穩(wěn)定進(jìn)行模糊判斷，其精度有限但實(shí)現(xiàn)方便；其二是基于接收低頻信號的強(qiáng)度檢測來判斷，即RSSI(Received Signal Strength Indication)，根據(jù)低頻信號的大小來計(jì)算鑰匙與車內(nèi)低頻天線的相對距離，通過多根低頻天線交叉覆蓋范圍，精確定位鑰匙的具體位置。NXP的產(chǎn)品全部采用第二種技術(shù)。為達(dá)到理想的性能參數(shù)，NXP提供了最小2.5 mV的三維低頻接受前端的信號靈敏度，而典型的靈敏度值可以達(dá)到1mV。不同于其他解決方案的逐次逼近式(Successive Approximation) ADC，NXP采用12位的Sigma-Delta (Σ-Δ) ADC，通過多點(diǎn)采樣平均來消除噪聲干擾，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的最好的車內(nèi)車外檢測精度高達(dá)2cm。目前，車廠通常要求的車內(nèi)車外檢測精度為5～10cm。

圖二

無鑰匙系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖三所示，左側(cè)為汽車端，包括主控制器(Body Control Unit)，車門把手和后備箱把手觸發(fā)模塊，引擎一鍵啟動(dòng)模塊，引擎防盜基站模塊(IMMO Basestation)，低頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊。其中三個(gè)綠色的模塊主要是用來觸發(fā)整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)車主拉動(dòng)車門或按下一鍵啟動(dòng)按鈕，相應(yīng)的模塊會發(fā)送中斷信號來喚醒主控MCU，開始整個(gè)通訊過程。常見的無鑰匙系統(tǒng)工作模式分兩大類：觸發(fā)模式和掃描模式(polling)，其中觸發(fā)模式分為機(jī)械觸發(fā)和電子感應(yīng)觸發(fā)，這里需要綜合考慮系統(tǒng)成本和系統(tǒng)性能，例如整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。引擎防盜基站模塊是低頻通訊模塊(125KHz)，用來實(shí)現(xiàn)跟鑰匙的近距離通訊，發(fā)動(dòng)引擎，這一功能是備用方案，又稱“無電模式”，只有在鑰匙電池耗盡或者有意外干擾無鑰匙系統(tǒng)導(dǎo)致無法正常工作時(shí)才會采用。這種情況下，用戶只需要手持鑰匙放在固定位置(例如凹槽)，鑰匙就可以跟基站建立通訊，進(jìn)行身份認(rèn)證來啟動(dòng)引擎。NXP的無鑰匙系統(tǒng)PCF7952和 PCF7953的一大特色就是芯片本身集成了引擎防盜功能，完全兼容NXP的所有Transponder產(chǎn)品，包含PCF7936。這極大的提高了系統(tǒng)的可靠性而且不需要額外增加成本，具體細(xì)節(jié)后續(xù)還會提到。