被動(dòng)門禁系統(tǒng)中RF設(shè)計(jì)

被動(dòng)門禁 (Passive Entry, PE)系統(tǒng)在汽車舒適度和安全性方面正在引領(lǐng)一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。盡管這種技術(shù)幾年前就已經(jīng)問(wèn)世了，但直到最近才開始快速流行，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)集成度不斷提高，使系統(tǒng)成本得以大幅度降低。

就完全性而言，遙控?zé)o匙門禁(Remote Keyless Entry, RKE)系統(tǒng)是交互式的，即用戶必須按下鑰匙才能打開車門；而被動(dòng)門禁系統(tǒng)則是被動(dòng)式的，也就是說(shuō)，它們無(wú)需用戶做出任何交互式動(dòng)作就可以打開車門。當(dāng)用 戶準(zhǔn)備進(jìn)入車輛時(shí)，通過(guò)拉門柄的動(dòng)作觸發(fā)PE系統(tǒng)發(fā)射低頻Low frequency, LF)信號(hào)。幾毫秒內(nèi)密鑰卡接收到LF信號(hào)，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密，然后經(jīng)由射頻(RF)信道把加密信號(hào)發(fā)送給車輛作確認(rèn)。

被動(dòng)門禁系統(tǒng)還可以包含一個(gè)被動(dòng)式引擎發(fā)動(dòng)功能，即被動(dòng)門禁啟動(dòng)(Passive Entry Go, PEG)。只要系統(tǒng)確認(rèn)密鑰卡在車輛里面，則駕駛員一坐上駕駛席就會(huì)觸發(fā)LF電路。在驗(yàn)證確認(rèn)并且完成位置測(cè)量之后，只需按下啟動(dòng)鍵就可以發(fā)動(dòng)引擎。

這兩種情況都是通過(guò)密鑰卡來(lái)接收純文本數(shù)據(jù)，并利用功能強(qiáng)大的硬件加密模塊(如AES-28模塊)對(duì)之進(jìn)行加密，然后再把加密數(shù)據(jù)返回給車輛以做驗(yàn)證。

PE密鑰卡采用小型鋰電池，為數(shù)據(jù)接收、加密及傳輸提供電源。被動(dòng)門禁系統(tǒng)中的密鑰卡經(jīng)專門設(shè)計(jì)來(lái)確保盡可能長(zhǎng)的電池壽命。如果電池快將用完，密鑰卡就會(huì)進(jìn)入一個(gè)緊急模式，通過(guò)LF線圈獲得足夠的磁場(chǎng)能量來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)電池工作。這時(shí)需要把密鑰卡放置在車門線圈附近的位置。在這種情況下，系統(tǒng)只會(huì)通過(guò)LF信道進(jìn)行

通信。

典型的PE系統(tǒng)

一個(gè)典型的PE系統(tǒng)是由汽車車內(nèi)部分和一個(gè)密鑰卡子系統(tǒng)組成，這兩者作為通信對(duì)等點(diǎn)，建立有兩條通信鏈路：(1) LF上行鏈路：車輛到密鑰卡，(2) 超高頻(UHF)下行鏈路：密鑰卡到車輛 (見圖1)。

圖1 被動(dòng)門禁系統(tǒng)的模塊示意圖

車內(nèi)部分

當(dāng)用戶拉動(dòng)汽車門柄時(shí)，車輛中的天線驅(qū)動(dòng)器便會(huì)產(chǎn)生LF場(chǎng)。這種變化激活中央儀 表板的控制器，請(qǐng)求密鑰卡啟動(dòng)LF通信。通常每扇車門內(nèi)都安裝有LF天線線圈，由天線驅(qū)動(dòng)器單元驅(qū)動(dòng) (一個(gè)天線驅(qū)動(dòng)器單元可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)天線線圈，比如，ATA5279就能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)6個(gè)不同的天線線圈)。系統(tǒng)采用一個(gè)UHF接收器模塊來(lái)接收從密鑰卡發(fā)出 的RF數(shù)據(jù)，以支持RF鏈路。接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)加密后再被發(fā)送回儀表板控制器，然后通過(guò)軟件進(jìn)行解密(AES-128)。

密鑰卡

在任何PE系統(tǒng)中，密鑰卡都必須能夠測(cè)量LF信號(hào)在三個(gè)正交軸(X、Y和Z方向)上的強(qiáng)度，并能利用UHF發(fā)射器， 通過(guò)RF信道把這一信息發(fā)回給車輛，以確定密鑰卡的位置。這種信號(hào)強(qiáng)度信息 (也被稱為遠(yuǎn)程信號(hào)強(qiáng)度指示器，即RSSI) 由與3D LF接收器相連接的三個(gè)正交天線線圈收集。任何數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，比如喚醒數(shù)據(jù)模式(前導(dǎo)碼，ID)、系統(tǒng)命令或作為協(xié)議載荷的純文本數(shù)據(jù)口令，將會(huì)被接收并傳送 給密鑰卡中的微控制器(MCU)處理(返回信息包，加密)。為了節(jié)能，LF接收器帶有一個(gè)專用的控制邏輯，能夠以極低功耗來(lái)分析和檢測(cè)喚醒信號(hào)，故無(wú)需全 面喚醒整個(gè)系統(tǒng)，這樣可以大大延長(zhǎng)密鑰卡的電池壽命。密鑰卡數(shù)據(jù)流量的進(jìn)出可通過(guò)一個(gè)小型8位超低功耗MCU(如ATtiny44)來(lái)控制。接收到的數(shù)據(jù) 可以通過(guò)軟件進(jìn)行加密，也可以通過(guò)帶有功能強(qiáng)大的加密功能的硬件加密模塊(如AES-128)進(jìn)行加密。為提高安全性，一個(gè)加密機(jī)制會(huì)同時(shí)用在硬件內(nèi)部和 嵌入在MCU上。加密后的數(shù)據(jù)被傳送到UHF發(fā)射器，并以很高的波特率向車輛發(fā)射。

在電池完全耗盡的情況下，發(fā)射應(yīng)答器可以作為一個(gè)無(wú)電池的無(wú)源設(shè)備進(jìn)行工作，這時(shí)被稱為緊急模式工作。在此模式下，正交線圈中只有一個(gè)與LF磁場(chǎng)耦合，從中獲得足夠的能量，并以電荷的形式存儲(chǔ)在外部電容器 里。發(fā)射應(yīng)答器通過(guò)LF鏈路與基站通信來(lái)打開車門，并被用作一個(gè)防盜鎖止裝置，可阻止發(fā)動(dòng)引擎(參見圖1，其中X軸線圈相當(dāng)于一個(gè)3D LF接收器線圈和一個(gè)緊急/防盜鎖止收發(fā)器天線)。模擬前端(AFE)模塊被用于LF通信，而功率管理(PM)模塊用來(lái)管理場(chǎng)電源，即存儲(chǔ)在外部電容器Cbuf上的電荷。在緊急模式下，RSSI測(cè)量、3D LF數(shù)據(jù)接收和RF發(fā)射都被禁用。

　　表1：PE系統(tǒng)密鑰卡的基本參數(shù)

圖2 3D LF接收器的喚醒

圖3 RSSI定位測(cè)量