摘 要： 一种汽车智能无匙门控" title="智能无匙门控">智能无匙门控系统设计方法。结合微芯公司PIC16F639微控制器" title="微控制器">微控制器的特性，设计出相应的无线收发通信系统，给出了硬件电路和软件流程。在此基础上，针对短程无线通信的特点提出了系统改进措施，讨论了数据传输格式和差错控制原理。实验结果表明，该系统在功耗、通信距离及可靠性方面均达到较高指标。
    关键词： 智能无匙门控  低频唤醒  KEELOQ滚码编码  通断键控  脉宽调制

    随着汽车电子技术的发展，无匙门控系统已成为一种标准配置，这对提高汽车的防盗性、控制性有重要意义。传统的无匙门控系统以单向通信为特征，用户通过按键进行门控操作；而在新型的智能无匙门控PKE（Passive Keyless Entry)系统中，基站(车身)和收发器" title="收发器">收发器(钥匙)可以实现双向自动通信，不需要人机接口，用户仅需随身携带一个收发器就可以实现免提门控操作。图1是一个PKE系统的框图。系统由收发器（钥匙）和基站（车身）两部分组成。当触发事件发生时（如用户拉动车门把手上的开关），汽车总线会将此触发信号送交基站，基站收到触发信号后利用125kHz LF(低频)发送唤醒信号，同时不断搜索有效范围内UHF（超高频）频率的收发器响应。收发器通常处于待机模式，如果接收到有效的唤醒信号，收发器将通过UHF频率向基站发送控制命令，基站收到控制命令后送交相关机构执行。由于125kHz信号的传播能力较弱，双向通信的范围通常在2米以下，但收发器本身仍然可以提供按键用于可选的其他操作，因此其通过UHF频率向基站发送按键信息的距离可以更长。控制命令在发送前须经编码模块编码加密，以提高数据传输的安全性；在被接收后由解码模块解码。在本系统中，数据的编码及解码由微控制器（MCU）完成。

    PIC16F639是微芯公司推出的针对无匙及智能无匙门控系统（RKE/PKE）设计的一款性价比较高的微控制器。其主要特点如下：（1)多种时钟源和选择特性，并有2个内置振荡器可配置为系统时钟源；(2)3.5KB FLASH存储器；(3)128B的片上RAM存储器；(4)256B的片上EEPROM存储器；(5)1个8位定时器和1个16位定时器；(6)12个通用IO口，内置上拉/下拉功能，其中6个（PORTA）支持电平变化中断；(7)1个外部中断管脚（RA2）；(8)芯片有休眠模式，支持中断唤醒；(9)集成了一个3通道模拟前端" title="模拟前端">模拟前端，AFE（Analog Front-End）通过SPI接口与PIC16F639通信；(10)内置1个KEELOQ硬件加密模块。
    利用PIC16F639可以和简单的收发电路或RF收发芯片相配合实现无线遥控、数据传输等功能，并可利用其内置KEELOQ模块对数据进行KEELOQ滚码加密。
1 系统硬件设计
    收发器原理如图2所示。

1.1 收发器（钥匙模块）
    (1)电源系统
    收发器采用3V钮扣电池供电，系统时钟为4MHz(内置振荡器),待机时PIC16F639进入休眠模式，功耗很低，约几纳安。
    (2)按键扫描
    收发器接入5个按键(S0~S4)到PORTA口，分别完成上锁、解锁、报警等功能。当按下任一按键时通过PORTA的电平变化中断唤醒PIC16F639，并进入相应的中断流程；处理完毕后，重新进入休眠模式。
    (3)低频唤醒
    收发器对基站低频唤醒信号的接收是通过集成在PIC16F639上的模拟前端（AFE）实现的。通过3组相互正交放置的LC谐振线圈可以实现对低频信号" title="低频信号">低频信号的全方位接收，消除了收发器的方向性。3个线圈回路分别接入模拟前端的3个输入通道（引脚LCX，LCY，LCZ）。闲置时，模拟前端处于待机模式（大部分内部电路断电以减少电流消耗），当任一输入通道正确接收低频信号达一定时间，模拟前端的其余部分才上电，有效的低频信号会经其内部电路解调并在PORTC口RC3引脚上形成数字信号（LFDATA）输出，并通过PORTA口RA5引脚唤醒休眠中的PIC16F639。为防止其他低频信号干扰（如噪声、广播信号）致使模拟前端唤醒PIC16F639而消耗系统电量，可以配置模拟前端内置的输出使能滤波器，设定报头匹配序列。只有当接收到的低频信号的报头波形序列与之吻合时,才判为有效信号，并使能LFDATA输出，否则无数字信号输出。唤醒后收发器利用LFDATA数据验证基站身份，可取收发器KEELOQ模块序列号作为验证信息（基站事先通过“学习”^[5]过程获得该序列号）。PIC16F639通过内部SPI接口（与RC1，RC2，RC3复用）对其模拟前端进行配置。
    (4)LED指示
    PORTC口的RC0、RC4作为输出控制LED，用以指示UHF信号的发射和LF唤醒信号的接收。
    (5)KEELOQ硬件加密
    收发器收到有效的低频唤醒信号或按键信息后，须向基站发送相应的控制命令；控制命令在发送前须编码加密。传统的用于单向传输的安防产品主要采用固定编码集成电路，其编解码芯片的编码长度有限，码形格式固定不变，通过捕捉波形和跟踪扫描等方法易于破解，安全性不高。采用基于KEELOQ算法的滚动码编码技术，克服了以上缺点，在传输代码之前通过非线性位加密技术产生高保密性的滚动编码，每次发送的代码（滚动码）都是唯一的、不规则的，且不重复。其技术核心是用64位的加密密钥去加密32位的待加密信息（按键信息、识别码、同步计数值）得到32位滚动码^[6]，再加上固定码（32～34位）构成完整数据帧。
    (6)高频发射
    高频发射电路如图3，调制方式为OOK(通断键控)，发射频段为433MHz，采用声表面波器件稳频，频率一致性好，频稳度高。控制命令经KEELOQ滚码编码，PWM（脉宽调制）编码后成为待发射数据UHFDATA，并由PIC16F639 PORTC口的RC5输出进行移位发射。当输出为高电平时，驱动发射电路工作，输出为低电平时，发射电路截止。

1.2 基站（车身接收模块）
    基站由UHF接收模块、LF发射模块、微控制器及汽车总线接口等组成，如图4所示。UHF接收模块将接收到的OOK调制数据解调为PWM数据送交微控制器，微控制器通过软件方式解码PWM数据，再解码滚码数据得到原控制命令，并通过汽车总线送给相关执行机构。同样，若收到来自汽车总线的有效触发信号，微控制器将组织唤醒信号并送交低频发射模块发射。本系统的UHF接收模块采用台湾HIMARK的RX3310A组成超外差接收电路，RX3310A是一款性价比高的超外差ASK接收芯片，工作在250MHz～450MHz频段，具有-104dBm的高灵敏度，正常平均工作电流2.6mA,功耗低。实验中测得有效通信距离可达10～15米。

3 系统的改进措施
3.1 数据传输的差错控制
    尽管滚码编码技术的引入提高了数据传输的安全性，但对传输过程中可能出现的误码检错能力弱，特别是当控制命令的关键数据位出错时，对系统的可靠性将产生很大影响。为此，考虑引入ARQ（自动请求重发）：在控制命令经滚码编码后，再加入一级循环冗余校验(CRC)；当接收端（基站）发现差错时，就通过低频信号请求发送端（收发器）重发，直到收到正确的码字为止。
3.2 UHF信号的接收
    基站对UHF信号的接收可用ASH（时分放大器序列混合）接收机取代超外差接收机。超外差接收机灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强。但超外差接收对天线阻抗的的匹配要求较高，偏离50Ω会导致灵敏度急剧降低。近年来无线接收机家族的新成员ASH接收机，可以在任何天线阻抗下(35~72?赘)稳定工作。在UHF的链路应用中，这种稳定性非常重要。ASH接收机还有很强的频道捕捉性，在UHF场合内最强的信号就能对接收机起主导作用；对较弱的信号，接收机就加以忽略，从而避免PKE系统间的同频干扰。
3.3 滚码编码的软件实现
    微芯公司基于KEELOQ加密算法的滚码技术是一项封装在芯片中的技术，用户基于硬件进行开发，成本高、灵活性差、易受制于人^[5]。用软件手段实现滚码技术，系统的扩展和升级将更方便，但在单片机上用软件实现滚码技术，必须考虑芯片的时空资源并选取合适的加密算法。
3.4 本系统与其他汽车电子系统的集成
    无匙/智能无匙门控、无线倒车雷达、胎压监测系统（TPMS）都是近年汽车电子行业的热点。由于它们的UHF模块（LF模块）工作在不同的时间段，因此完全有可能实现复用，这样不仅节约了系统硬件开销，也提高了系统的集成度。
    智能无匙门控系统是当前汽车电子技术的热点应用，符合未来汽车智能安全的发展方向，将成为未来汽车必备的安全驾驶配备之一。通过对MICROCHIP公司微控制芯片PIC16F639及无线接收芯片RX3310A等的应用，得出一套较完整的PKE系统原理和设计方案，该系统在成本、功耗、通信距离及可靠性方面均达到较高指标；同时，还可用于遥控车库门控、引擎启动控制、停车位控制等系统中。
参考文献
[1] Microchip Technology Inc.PIC12F635/PIC16F636/639 DataSheet.http：//ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41232B.pdf，2005.
[2] Microchip Technology Inc.Using the PIC16F639 MCU for smart wireless Applications.http：//ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00959A.pdf，2005.
[3] Microchip Technology Inc.Passive keyless entry(PKE) reference design user′s manual.http：//ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21986a_cn.pdf，2005.
[4] Microchip Technology Inc.Pke system design using the PIC16F639.http：//ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01024A.pdf，2006.
[5] 李福平，金伟正，邓德祥.KEELOQ技术的软件实现.电子技术应用,2002，(6)：10-13.
[6] 董辉，卢建刚.一种基于KEELOQ的改进加密算法及其在单片机中的实现技术.电子技术应用，2004，(9)：14-17.