當(dāng)今70%的汽車商選用RKE（Remote Keyless Entry,遠程無鑰匙進入）系統(tǒng),，或?qū)⑵渥鳛橐粋€標(biāo)準(zhǔn)。RKE系統(tǒng)主要由按鍵加密發(fā)送器和車內(nèi)內(nèi)置接收器組成,，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。它們主要用在汽車門控制、無線傳感器,、汽車無線胎壓監(jiān)測TPMS(Tire Pressure Monitor System）等方面,，使用的頻率是315 MHz(美國和日本地區(qū))、433.92 Hz(歐洲地區(qū)),。歐洲同時開放了868 MHz頻率來適應(yīng)RKE系統(tǒng)的增長需求,。

                                     圖1 RKE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

 　　RKE系統(tǒng)的用戶可以通過鑰匙鏈發(fā)送數(shù)據(jù)來打開和關(guān)閉汽車門。圖1中，用戶可以按下按鍵開關(guān)來發(fā)起與接收機的通信,，通過一串64～128位長度的數(shù)據(jù)流進行發(fā)送器和接收器的會話。該數(shù)據(jù)流包括前引導(dǎo)碼,、命令碼和一串加密滾動碼,。通信速率通常選用2～20 kHz之間，采用ASK調(diào)制方式,，主要為了延長發(fā)送部分鑰匙鏈中電池的使用壽命,。

　　1  系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1  功率設(shè)計

　　設(shè)計中主要考慮的是低電流消耗情況下的高可靠性、系統(tǒng)的成本以及發(fā)送器和接收器的壽命,。對于發(fā)送器,，電池壽命在3~5年是可以滿足要求的。電池壽命對于接收器件也很重要,，因為接收器件必須總是在線偵聽發(fā)送端數(shù)據(jù),，典型的電流要求不超過1 mA。一個設(shè)計方法是,，在一定時間內(nèi),接收端保證能夠檢測到有效的發(fā)送信號,；為了最大限度地節(jié)約電量，接收器在其他的時間睡眠,。

　　1.2  安全性設(shè)計

　　系統(tǒng)的安全性也是一項主要考慮的因素,。通過采用Microchip公司專為RKE系統(tǒng)設(shè)計的使用DES算法的安全密鑰芯片HCS300來實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全加密，防止發(fā)送的數(shù)據(jù)被惡意盜取拷貝,；同時在接收端使用MC9RS08KA2進行解密和繼電器控制,。

　　HCS300的操作電壓為2.0~6.3 V,是一個可編程28位串行碼、64位加密鍵值,、66位發(fā)送長度,、32位跳頻碼、4位按鍵碼,、2位狀態(tài)碼,，具有鍵值讀保護措施的芯片。

　　DES編碼,、解碼圖如圖2和圖3所示,。

                                        圖2  DES編碼圖

                                              圖3  DES解碼圖

　　16位的同步計算器,在每次發(fā)送代碼后都要發(fā)生改變。它隨按鍵的次數(shù)而增加,。根據(jù)DES算法加密,在每次發(fā)送的代碼中,，由于同步計數(shù)器的變化而使得每次發(fā)送的代碼有大于50%的部分不一樣。圖2說明在編碼過程中如何使用HCS300的內(nèi)部可編程EEPROM,，一旦編碼器檢測有按鍵按下,，它就立即讀鍵值，同時刷新同步計數(shù)器。按鍵和同步計數(shù)器經(jīng)過加密算法處理,，輸出數(shù)據(jù)是32位的加密信息,。攜帶按鍵信息的32位代碼和串行碼組成了整個發(fā)送碼，將被接收部分接收到,。

　　解碼部分必須先學(xué)習(xí)發(fā)送端的數(shù)據(jù)碼,，學(xué)習(xí)包括計算發(fā)送端的鍵值、解密32位的加密信息和可編程陣列中的串行碼,、同步計數(shù)器以及鍵值,。在正常的操作模式中，每次接收到的有效格式的信息都被計算,。串行碼用于表示發(fā)送碼是否被學(xué)習(xí)過,。如果發(fā)送碼被學(xué)習(xí)過，那么它的信息被解密和同步計數(shù)器值校驗,，最后接收系統(tǒng)執(zhí)行按鍵操作請求,。圖3表示了接收部分接收到的信息和它的可編程EEPROM（設(shè)計中使用AT24C02）中存儲信息的關(guān)系。

 　　1.3  射頻收發(fā)器件和微處理器特性

　　為了保證系統(tǒng)能夠在較低電流消耗的情況下,，有較高的發(fā)射功率和接收靈敏度,，系統(tǒng)選用了Maxim公司的MAX1473接收芯片和MAX7044發(fā)射芯片。

　　MAX7044發(fā)射芯片工作電壓為+2.1~6.0 V,，7.7 mA的低工作電流,，250 μs的啟動時間。通信速率能達到100 kbps,小封裝3 mm×3 mm,，8引腳SOT23封裝,。它消除了基于SAW發(fā)送器設(shè)計的問題；采用晶體結(jié)構(gòu),，提供了更大的調(diào)制深度和快速的頻率響應(yīng)機制,；降低了溫度的影響，溫度范圍可達-40~125 ℃,。

　　MAX1473接收芯片采用3.3 V鋰電池供電,，250 μs啟動時間，小于2.5 μA的待機模式工作電流,，-114 dBm的靈敏度,；采用TSSOP 28引腳封裝設(shè)計。

　　MC9RS08KA2作為Freescale公司新推出的一款集成多個功能的高性價比MCU,，具有鍵盤中斷和高達20 MHz的內(nèi)部時鐘,，以及8位模計數(shù)器，2 KB Flash空間,，63字節(jié)RAM,；同時有等待和3種停止模式,，滿足系統(tǒng)的超低功耗設(shè)計（設(shè)計中電流小于1 μA），以及簡易的6引腳BDM編程調(diào)試接口,，便于系統(tǒng)的實時升級,。設(shè)計中采用6引腳DFN精密小引腳封裝，滿足系統(tǒng)的小體積要求,。

 　　1.4  硬件設(shè)計圖

　　按鍵DES硬件加密部分電路如圖4所示,。發(fā)送部分射頻前端電路如圖5所示。

　　接收部分射頻前端電路如圖6所示,，元器件參數(shù)如表1所列。接收部分微處理器控制電路如圖7所示,。

                           圖4  按鍵DES硬件加密部分電路

                             圖5  發(fā)送部分射頻前端電路

                             圖6  接收部分射頻前端電路

表1  典型電路的元器件參數(shù)

圖7  接收部分微處理器控制電路

　　1.5  軟件設(shè)計

　　編碼加密操作流程如圖8所示,。

                                     圖8  編碼加密操作流程

　　如果有按鍵按下，HCS300將被喚醒,，同時通過10 ms延時消抖,。同步計數(shù)器、描述信息,、按鍵信息被編碼形成跳頻碼,。每次發(fā)送跳頻碼都會不一樣，即便是同一個按鍵按下,，在64K次按鍵過程中發(fā)送的跳頻碼也不會發(fā)生重復(fù),，因此在較長的時間內(nèi)，按鍵密鑰信息不會被盜取,。如果在發(fā)送的過程中檢測到新的按鍵按下,，那么將會立即復(fù)位，而且當(dāng)前的代碼將不會繼續(xù)執(zhí)行,；離開按鍵后,，對代碼字是沒有影響的，除非沒有按鍵繼續(xù)保持按下狀態(tài),，在任何情況下傳輸代碼都會完成,，同時系統(tǒng)下電。

　　接收部分解碼解密流程如圖9所示,。

  圖9  解碼解密流程          上電后,，MC9RS08KA2開始判斷系統(tǒng)是否有I/O中斷產(chǎn)生。如果沒有,，則系統(tǒng)進入低功耗睡眠模式（停止模式3）,；如果有I/O中斷產(chǎn)生，那么進入中斷,，喚醒MCU,，同時進行軟件DES算法解密。如果解密不成功，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù),；如果解密成功,，則執(zhí)行相應(yīng)的繼電器操作（如開/關(guān)門等），然后系統(tǒng)繼續(xù)進入睡眠狀態(tài),。

　　2  結(jié)論

　　通過結(jié)合多家外圍器件和微處理器件,，利用Microchip KEELOQ芯片的安全性，Maxim的射頻芯片的可靠性,、穩(wěn)定性和Freescale微處理器的高集成度及性價比,，整合各家優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的整體性能,。通過實際運行,，系統(tǒng)達到了預(yù)先設(shè)計的要求。本次設(shè)計只使用了2個按鍵,，根據(jù)需要可以外擴功能按鍵達到15個,，用于實現(xiàn)不同的控制信息要求。設(shè)計人員可以根據(jù)自行需要進行相應(yīng)的擴展,。

　　參考文獻

［1］  www.semiconductors.philips.com,；www.freescale.com.
［2］  www.maxim-ic.com;www.microchip.com.