基于MK10的PKE系统设计

1、-PAGE . z.开题报告PKE系统设计基于飞思卡尔K10单片机*黄光黔专业电子信息科学与技术毕业院校*工业大学所属部门工程技术支持中心指导工程师白金龙/杨澎湃提交时间2014年03月05日-. z.目 录TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc3817174741. 工程概述 PAGEREF _Toc381717474 h 1HYPERLINK l _Toc3817174751.1工程背景 PAGEREF _Toc381717475 h 1HYPERLINK l _Toc3817174761.2工程描述 PAGEREF _Toc381717476 h 1HYPERLI

2、NK l _Toc3817174772. 技术指标 PAGEREF _Toc381717477 h 3HYPERLINK l _Toc3817174782.1关键技术指标 PAGEREF _Toc381717478 h 3HYPERLINK l _Toc3817174792.2可行性分析 PAGEREF _Toc381717479 h 3HYPERLINK l _Toc381717480钥匙方位检测(PKE模式下) PAGEREF _Toc381717480 h 3HYPERLINK l _Toc381717481验证车配的唯一钥匙 PAGEREF _Toc381717481 h 3HYPER

3、LINK l _Toc381717482防冲突访问 PAGEREF _Toc381717482 h 3HYPERLINK l _Toc381717483快速性 PAGEREF _Toc381717483 h 4HYPERLINK l _Toc381717484模式 PAGEREF _Toc381717484 h 4HYPERLINK l _Toc381717485的实现 PAGEREF _Toc381717485 h 4HYPERLINK l _Toc3817174863. 方案论证 PAGEREF _Toc381717486 h 5HYPERLINK l _Toc3817174873.1PK

4、E系统的优势 PAGEREF _Toc381717487 h 5HYPERLINK l _Toc3817174883.2PKE系统射频通信频率及模式的选择 PAGEREF _Toc381717488 h 5HYPERLINK l _Toc3817174893.3防冲突协议PAGEREF _Toc381717489 h 6HYPERLINK l _Toc381717490基于唤醒模式的AC协议 PAGEREF _Toc381717490 h 6HYPERLINK l _Toc381717491时隙AC协议 PAGEREF _Toc381717491 h 7HYPERLINK l _Toc3817

5、174923.4方位检测方案 PAGEREF _Toc381717492 h 8HYPERLINK l _Toc3817174934. 进度安排 PAGEREF _Toc381717493 h 10HYPERLINK l _Toc3817174945. 参考资料 PAGEREF _Toc381717494 h 11HYPERLINK l _Toc381717495附录A 文档撰写人员和撰写内容 PAGEREF _Toc381717495 h 12-. z.工程概述工程背景随着经济的高速增长，汽车变得越来越普及，逐步走入寻常百姓家，汽车防盗问题日渐突出。据统计，每年都有数以万计的轿车被盗，所以人

6、们往往在购车之后考虑的第一个问题就是为爱车装上一款真正平安可靠的汽车防盗器。据权威机构统计，中国目前大概有2000万辆汽车，并以年几百万辆的速度增长着，而98的车主都会安装上汽防盗器，可见中国的汽车防盗器市场越来越庞大。汽车安防产品也朝着更智能、更便捷、更平安的方向开展，电子安防产品随着电子技术的开展变得越来越普及，逐渐逐步取代了传统的机械安防系统，特别是廉价MCU的出现，使得电子安防产品变得更智能和便捷舒适。汽车安防系统从最早期的机械防盗方式逐渐开展到今天的PKE系统。无钥匙门禁系统(PKE，Passive Keyless Entry)是在RKE根底之上开展起来的一项新技术。PKE不是传统的

7、钥匙，而是一个智能钥匙，类似于智能卡。当驾驶者踏进指定*围时，该系统通过识别判断如果是合法授权的驾驶者则进展自动开门。上车之后，驾驶者只需要按一个按钮即可启动点火开关。PKE作为新一代防盗技术正在逐步开展壮大，目前已经从高档车市场逐步进入中档车市场，不仅*、宝马等高端汽车制造商已经广泛采用了PKE，像福特蒙迪欧、日产的天籁和新型马自达等中型车型也纷纷采用这一技术。因此，PKE系统具有极佳的市场前景和巨大的经济效益。工程描述PKE系统的组成如REF _Ref381630229 h图1.1所示，整个系统由安装在汽车上的基站控制器和用户携带的应答器钥匙组成。其中基站局部包括：高频接收、MCU微控制器

8、、LF发射接收和基站芯片；钥匙局部包括：高频发射、按键、LF发射接收和遥控器芯片。图STYLEREF 1 s1.SEQ 图 * ARABIC s 11 系统框图REF _Ref381630229 h图1.1显示了典型PKE无钥匙门禁系统的主构造区。上行线路往电子钥匙方向使用了一个典型的125KHz的载波频率来唤醒电子钥匙中的电子仪器，并将数据传送到电子钥匙中。下行线路往基站的数据传输主要在超高频上UHF操作通常是315/434/868MHz频带。PKE系统响应请求流程如REF _Ref381713059 h图1.2所示，下拉车门把手可唤醒基站并触发PKE系统的通信。根据触发门开关的位置，相应的

9、LF发射器天线被激活，唤醒模式WUP被传送到智能钥匙中。如果WUP与存储在电子钥匙中的*个唤醒存放器中的模式相匹配，电子钥匙中的其余局部就会被唤醒除由电池供电的接收器和WUP检测器外。电子钥匙被唤醒后就会测量其所在位置的场强并且通过高频发射相应信息给基站。如果场强值大于识别区域边沿的场强门阀值，就认为电子钥匙是在有效区域内。然后，基站解密并验证电子钥匙发射的加密信息包含钥匙ID等。这时，双向LF/UHF数据通信就可以产生并执行一些任务，例如：开门认证。图STYLEREF 1 s1.SEQ 图 * ARABIC s 12 PKE认证流程图技术指标技术指标是整个工程的目标要求，是检验工程成败的一个

10、指标。技术指标是指导工程的开展和质量管理的依据。明确的技术指标有利于给工程一个定位和要求。关键技术指标钥匙的方位检测指标：能识别钥匙在车内或车外，且在车内时不能访问PKE系统，在车门外1.5m内为PKE模式检测的有效距离，在RKE模式下，遥控汽车的距离在10m左右；能够准确唯一地验证钥匙，严格实现一车一钥匙的匹配；防冲突访问，能够在多把钥匙同时在车身附近时的不冲突验证通信；能够快速完成钥匙的验证，时间在100ms以内；同时支持PKE和REK模式的解锁方式；支持IMMO发动机启动认证。可行性分析钥匙方位检测(PKE模式下)区分特殊电子标签是在汽车内部还是外部是必需的。仅当至少一个私人电子标签在汽

11、车外部时，PKE对汽车的访问才可承受。之后该电子标签会被认证，加密验证成功后，汽车就解锁。位于汽车内的电子标签则不能承受并进展PKE访问。通常情况下，方位检测是基于磁场强度的测量，磁场由假设干个低频LF线圈产生。一局部线圈附加在汽车外部，一局部附加在汽车内部。线圈数对场强分布有影响，而线圈的位置对汽车内和外部的磁场强度的分布有着很大的影响。通过测量和处理内部天线和外部天线产生的场强值，就能确定电子标签确实切位置。因此，通过在钥匙的位置处检测车身内线圈的磁场强度是否大于*个阈值就能区分钥匙是否在车外。本工程钥匙端采用的PCF7953芯片带有RSSI测量模块，可以实现场强的测量。验证车配的唯一钥匙

12、本工程钥匙端采用的PCF7953芯片具有唯一的32位ID，其中4为产品ID。在验证过程中，只有当钥匙的ID号与基站设定中的钥匙ID相配才能通过验证。因此PCF7953芯片唯一的ID号可以使钥匙的标签是唯一的，从而实现钥匙与汽车的匹配是唯一的，不会出现车门被其他钥匙翻开的现象，保证车辆的平安性。防冲突访问PKE门禁系统通常将会与多个ID设备通信大于1，这些ID设备会一次性地出现在特殊车辆入口各自的访问区内。为了满足这个需求，就要在PKE系统中执行防冲突协议。本工程中钥匙采用的PCF7953芯片具有自由的可编程唤醒模式，协议可由软件完全控制，准确的硬件定时器/计数器，适用于ACTIC Pro三大特

13、点，因此可以通过时隙AC协议来完成防冲突访问。通常所说的防冲突时隙是一种执行多设备操作的标准途径。时隙AC协议就是一开场把感应*围内的ID设备都唤醒，之后电报的下一个模块AC Iint则发送一个时隙编号给ID设备，即进展ID设备到有效时隙的赋值操作，之后ID设备确认回复。之后的验证信息就都通过带着各自时隙编号来作为身份识别。而基站发给个ID设备的顺序根据概率来排序，即根据历史使用的概率来排序。因此基站与多个ID设备的通信在时隙编号后可以有序进展，不会冲突。快速性本PKE系统中在数据通信和数据处理方面都在高速下进展，因此快速验证的可行性得到保证。通信方面，基站到钥匙之间采用125KHz的频率，平

14、均速率为3.9Kbps；钥匙与基站采用高频433.92MHz，速率达7.8Kbps。主控MCU采用飞思卡尔的MK10，其内核为Corte*-M4，主频可达50MHz。并且验证过程的握手和验证算法都很简单，不需要复杂算法。RKE模式在RKE系统中，包括主机和钥匙两大局部，其中，主机局部包括：高频接收和微控制器；钥匙局部包括：高频发射和RKE处理芯片。在RKE工作过程中，必须先将钥匙端的ID学习到主机端，完成主机和钥匙两者之间的配对。在此之后，按下钥匙端的任意一个按键，都将会触发钥匙端发送相应的高频数据帧到主机端，主机端接收高频帧成功后，按照双方所制定的通信协议进展解析接收到的高频帧，执行约定的动

15、作。IMMO的实现现在的汽车发动机启动控制根本都是由电子设备来控制，只要在发动机启动前，即有人想发动汽车时，再进展一遍钥匙的ID验证，假设不能通过验证，则切断发动机点火设备的电源，使盗车者哪怕通过其他方式进入车内也无法启动发动机。方案论证PKE系统作为现在防盗与门禁方面的新概念、新技术，其实现方案也是存在不少。方案的选择以工程指标和功能为依据，以最低本钱来实现优秀性能是最好的选择。基于本工程的要求，关于方案的选择本章将从以下几个方面做出分析。PKE系统的优势PKE不是传统的钥匙，而是一个智能钥匙，类似于智能卡。当驾驶者踏进指定*围时，该系统通过识别判断如果是合法授权的驾驶者则进展自动开门。上车

16、之后，驾驶者只需要按一个按钮即可启动点火开关。当驾驶者离开汽车一段距离后汽车就会自动的关闭车窗和车门，从而防止汽车和车内财物的损失。PKE系统相对于RKE系统来说更智能，使用更加方便，即使钥匙端没电也可以进展认证。并且PKE系统为双向通信，平安性更高，可以进一步防止盗窃事件的发生。其优势相对于传统机械安防产品就不言而喻了。PKE系统射频通信频率及模式的选择汽车无钥匙进入系统PKE系统由智能钥匙和基站两个局部组成。对RFID系统来说，收发频率大小决定了射频识别系统的识别距离、电路实现的难易程度以及设计本钱。汽车防盗设计中，125KHz等LF频段适用于近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用；远距

17、离的射频通信则适合采用433MHz、315MHz等UHF频段。以下将讨论三种汽车射频通信频率的选择方案。方案一：如 REF _Ref381706130 h 图3.1所示钥匙与基站之间完全通过低频LF通信，这种射频识别方案可设计为无源式。电路实现较为简单，钥匙端可以不需电源供电，节省本钱，但其识别距离较近，工作方式比拟简单，适用于对数据处理能力要求并不太高的系统识别。PKE系统是一个平安性非常高的系统，此方案很难满足用户对方便性上的高要求。图STYLEREF 1 s3.SEQ 图 * ARABIC s 11 方案一方案二：如REF _Ref381706243 h图3.2所示钥匙与基站之间完全通过

18、高频UHF通信，智能钥匙在很远的地方就能被识别并工作，因此耗电量很大，并且本钱较高。由于车主距离车门还较远时就可以进展进入认证，但是车主可能并没有翻开车门的打算，这也无形之中埋下了平安隐患。因此，考虑到其在平安性、本钱、功耗等方面的劣势，本方案也不是本设计的上上之选。图STYLEREF 1 s3.SEQ 图 * ARABIC s 12 方案二方案三：如REF _Ref381706339 h图3.3所示该系统支持多种信号频率兼容工作，不同工作频率的天线独立地收发数据，该方案选择钥匙接收LF信号，发送UHF信号，基站发送LF信号，接收UHF信号。由于LF识别距离较短，车主只有走到距车门很近的地方钥

19、匙端才能接收到基站断发来的唤醒信号并工作，这很好的保证了汽车门禁的平安性。图STYLEREF 1 s3.SEQ 图 * ARABIC s 13 方案三综上所述，综合考虑系统的功能需求、设计方案以及设计本钱等各个方面，方案三综合了其他两种方案的优缺点，既实现了低功耗，节约了本钱，又能够满足平安性，是一种理想的设计方式。防冲突协议PKE门禁系统通常将会与多个ID设备通信，即当多个钥匙同时出现在基站有效*围内时。为了满足这个需求，就要在PKE系统中执行防冲突协议。否则多个钥匙同时与基站通信会发生冲突而出现异常。对冲突协议的选择主要考虑解决冲突的快速性和能够允许的最大ID设备数。目前这方面的技术有两种

20、：基于唤醒模式的AC协议时隙AC协议基于唤醒模式的AC协议基于唤醒模式的AC协议的具体过程如REF _Ref381690217 h * MERGEFORMAT 图3.4所示：图STYLEREF 1 s3.SEQ 图 * ARABIC s 14 基于唤醒的AC协议其过程为：下拉车门把手可触发第一个低频电报的传输，前同步信号将传送给访问区中的所有ID设备。在第一个低频电报的下一个块中，唤醒模式被传送。建议创立一个唯一的模式，该模式可起到WUP的作用WUP=fIDE*。特殊ID设备中的WUP存放器会根据这个模式进展初始化。因此，只有出现在访问区内的寻址ID设备于请求时才被唤醒。请求电报由基站传输的的

21、顺序将根据概率来确定，还存在一个特殊的ID设备。概率应源自认证历史，根据Last used ID device is e*pected to be the ne*t.的原则。因此可以基于唤醒模式的AC协议存在一个缺点，就是当ID设备数量比拟多时，由于该协议需要逐个唤醒，且唤醒一个设备就验证一个，再到下一个设备，这样就会造成最坏的防冲突协议可能很长。所以在汽车解锁系统中这个方案不是上选的方案。时隙AC协议时隙AC协议具体过程如REF _Ref381691225 h图3.5所示：图STYLEREF 1 s3.SEQ 图 * ARABIC s 15 防冲突时隙协议示意图通常情况下，下拉汽车门把可触发

22、第一个低频电报的传输。根据ACTIC Pro数据手册中给出的说明前同步信号会传送给所有在访问区内的ID设备。在第一个低频电报的下一个模块中，唤醒模式被传送。建议将它定义为一个唯一的汽车ID作为WUP。所有ID设备的WUP存放器属于这个特定汽车将通过这个ID值进展初始化。因此，所有出现在有效访问区中的有效ID设备将被唤醒。利用电报的AC Init模块，可进展ID设备到有效时隙的赋值操作。在AC Init中，时隙内确实认电报顺序根据概率来确定，还出现一个特殊的ID设备。概率应源自认证历史，根据Last used ID device is e*pected to be the ne*t.的原则。ID

23、设备应答请求电报的顺序在基站中计算，并保存在E2PROM表中。因此时隙AC协议是先把各ID设备统一根据时隙来编号，之后按概率来排序，并根据这个排序来验证。这样验证通信时就不会出现冲突。相比基于唤醒模式的AC协议，时隙AC协议的最坏防冲突时间明显少了，因此本工程采用此防冲突协议。方位检测方案在PKE模式下，区分特殊电子标签是在汽车内部还是外部是必需的。仅当至少一个私人电子标签在汽车外部时，PKE对汽车的访问才可承受。之后该电子标签会被认证，加密验证成功后，汽车就解锁。位于汽车内的电子标签则不能承受并进展PKE访问。通常情况下，方位检测是基于磁场强度的测量，磁场由假设干个低频LF线圈产生。一局部线

24、圈附加在汽车外部，一局部附加在汽车内部。线圈数对场强分布有影响，而线圈的位置对汽车内和外部的磁场强度的分布有着很大的影响。通过测量和处理内部天线和/或外部天线产生的场强值，就能确定电子标签确实切位置。天线的分布图如REF _Ref381693346 h * MERGEFORMAT 图3.6所示：图STYLEREF 1 s3.SEQ 图 * ARABIC s 16 场强检测的LF天线分布HI_OUT：内置天线AI产生的磁场强度，在汽车外测量；HI_IN：内置天线AI产生的磁场强度，在汽车内测量；安装在驾驶室外的天线A01，A02决不用于方位检测。PCF7952的RSSI单元测量由车内AILF天线产生的场强。如果测量的绝对场强HI大于固定阈值HT，电子标签就被假设在驾驶室内部。在这种情况下，电子标签将进入钝化状态。之后，电子