汽车无钥匙进入系统的研究背景及其意义

汽车无钥匙进入系统的研究背景及其意义随着科学技术的不断的开展，汽车上的辅助功能越来越多，无钥匙进入是这么多辅助功能中开展最快的。车主希望能够越来越方便的行车，顾客的需要也就是是汽车厂家努力的方向。无钥匙进入系统正好迎合了车主们的这个要求。以前人们总会把车钥匙遗漏在车中，而将车子锁上，自己被锁在车外面，不得不费很多事将车子翻开。或者人们身上带着钥匙但是不知道钥匙在哪里，找起来很费事。无钥匙进入系统就可以很好的解决这些麻烦。汽车无钥匙进入系统采用的是当今世界最先进的无线信号技术，系统的工作原理是通过与车主口袋或者身上其他位置带的钥匙端与车载基站进行信号匹配来实现开锁。系统的运行方式如下，当车主走进靠近感应去内的时候，门就会自动开锁再也不需要手动开锁了；当钥匙端不再感应区内的情况，门锁会自动锁上并进入防盗状态。当车主坐进车内时，车内装有的特殊感应器就能感应到钥匙的存在，这时只需轻轻按动启动按钮，就可以正常启动车辆。整个过程，车主再也不用去找钥匙了，带来了极大的方便。目前，“无钥匙进入系统”对大多数消费者而言还很陌生，但是这将会是一个极大的热卖点。随着现代技术的不断开展，汽车钥匙已经从原来传统的插入式钥匙变成现在高科技含量的感应钥匙，今后无线技术还将不断开展，人们的要求也越来越高，汽车无钥匙进入系统将会成为主流。目前，中高级轿车的顶级配置都采用了无钥匙进入系统，例如：日产天籁、丰田卡罗拉、福特致胜、本田雅阁，并且市场销售和客户反应都非常好，它所带来的便利和平安已经被用户接受和认可[1]。安装了汽车无钥匙进入系统，车主只需要轻轻按下门上的按钮，只要车载基站检测到钥匙在一定范围之内就自动将车门翻开，车主就可进进入车内，方便快捷。现在，西方国家大多采用了PKE系统。在国内汽车行业虽然不像国外汽车那样大量安装了汽车无钥匙进入系统，但是一些高档的汽车已经将汽车无钥匙系统作为汽车配置的一项根本配置。由于汽车无钥匙系统的极其实用性，相信国内汽车行业在不久的将来也会大量普及汽车无钥匙系统的安装。汽车无钥匙系统也将成为所以汽车的一项标准配置。TheDesignofAutomotiveKeylessentrysystemAbstract:Withthecontinuousdevelopmentoftheworldautomotiveindustry,moreandmoreelectronicproductsareusedintheautomotiveindustry.Automotivekeylessentrysystemiswidelyusedduetotheadvantagesofconvenientandsafety.Automotivekeylessentrysystemisdesignedinthispaper.Hardwaremoduleisdividedintotwomodules:thekey,andthebasestation.Thehardwareofkeycanbedividedintofiltercircuit,alow-frequencyreceivecircuit,ahigh-frequencytransmittingcircuit.Thebasestationcanalsobedividedintotheappropriatevehiclefiltercircuit,thelowfrequencytransmissioncircuitandthehighfrequencyreceptioncircuitLINbusmodule.Thekeyandbasestationhavethesimilararchitecture,whicharecomposedofthemainprogramandinterruptsubroutine.Takingthesafetyintoaccount,rollingcodeencryptionmodeisadoptedtopreventvehicletheft.Keywords:keylessentrysystem,lowfrequencysignal,highfrequencysignal,Rollingcodeencryption.1绪论1.1本课题的研究背景及其意义随着科学技术的不断的开展，汽车上的辅助功能越来越多，无钥匙进入是这么多辅助功能中开展最快的。车主希望能够越来越方便的行车，顾客的需要也就是是汽车厂家努力的方向。无钥匙进入系统正好迎合了车主们的这个要求。以前人们总会把车钥匙遗漏在车中，而将车子锁上，自己被锁在车外面，不得不费很多事将车子翻开。或者人们身上带着钥匙但是不知道钥匙在哪里，找起来很费事。无钥匙进入系统就可以很好的解决这些麻烦。汽车无钥匙进入系统采用的是当今世界最先进的无线信号技术，系统的工作原理是通过与车主口袋或者身上其他位置带的钥匙端与车载基站进行信号匹配来实现开锁。系统的运行方式如下，当车主走进靠近感应去内的时候，门就会自动开锁再也不需要手动开锁了；当钥匙端不再感应区内的情况，门锁会自动锁上并进入防盗状态。当车主坐进车内时，车内装有的特殊感应器就能感应到钥匙的存在，这时只需轻轻按动启动按钮，就可以正常启动车辆。整个过程，车主再也不用去找钥匙了，带来了极大的方便。目前，“无钥匙进入系统”对大多数消费者而言还很陌生，但是这将会是一个极大的热卖点。随着现代技术的不断开展，汽车钥匙已经从原来传统的插入式钥匙变成现在高科技含量的感应钥匙，今后无线技术还将不断开展，人们的要求也越来越高，汽车无钥匙进入系统将会成为主流。目前，中高级轿车的顶级配置都采用了无钥匙进入系统，例如：日产天籁、丰田卡罗拉、福特致胜、本田雅阁，并且市场销售和客户反应都非常好，它所带来的便利和平安已经被用户接受和认可[1]。安装了汽车无钥匙进入系统，车主只需要轻轻按下门上的按钮，只要车载基站检测到钥匙在一定范围之内就自动将车门翻开，车主就可进进入车内，方便快捷。现在，西方国家大多采用了PKE系统。在国内汽车行业虽然不像国外汽车那样大量安装了汽车无钥匙进入系统，但是一些高档的汽车已经将汽车无钥匙系统作为汽车配置的一项根本配置。由于汽车无钥匙系统的极其实用性，相信国内汽车行业在不久的将来也会大量普及汽车无钥匙系统的安装。汽车无钥匙系统也将成为所以汽车的一项标准配置。1.2国内外开展的现状由于西方国家此项研究进行的比拟早，到现在无钥匙进入系统也比拟成熟，很多知名企业都已经开发研究了无钥匙进入系统。国内的市场开展的时间较国外晚，所以开展的水平自然就比国外低了。一些很有名气的汽车例如雷诺、奔驰、宝马等高端大气上档次的汽车制造商早都已经引进了PKE系统。这些汽车的PKE系统可以简要描述成这样：当你走进汽车基站一个可以有效监测的范围内是，只要你身上带有有效地钥匙端，车门就会自动为你开锁，就不再需要你去手动扭开车门了。当你进入车内以后，你只要按一下车内的一个点火按钮车子就自动点火了，也不需要插钥匙。还有一个很强大的功能就是可以防止你把车钥匙所在车内，因为如果钥匙在车内，车门你是锁不上的，这就为那些容易丢三落四的人提供了极大的方便。科技的开展能够推动产品的不断更新这是必然的，正是由于科技水平的不断开展，进入汽车的方式才由原来古老的手动开锁到现在的无钥匙进入系统，随着科学水平的开展特别是无线技术的飞跃，越来越多的高科技技术会被用在汽车上，可以预见在不就的将来PKE系统终将全部取代古老的插钥匙进入，目前，中高级轿车的顶级配置都采用了无钥匙进入系统，例如：日产天籁、丰田卡罗拉、福特致胜、本田雅阁，并且市场销售和客户反应都非常好，这为这些汽车的销售带来了很大的优势[2]。半导体生产商恩智浦公司是第一个开发无钥匙进入系统的，具有了完整的无钥匙进入系统的方案。采用的主流芯片是PCF952，它具有高集成度，功耗低的优点。PCF952沿用了MRK内核结构，兼容了PCF7861，减少了开发的本钱。美国的公司Microchip也同样研发出了用于无钥匙进入系统的专用芯片PIC16F639。包括数字局部和模拟前端局部，用于多种检测和智能双向通信应用。[3]虽然国外的无钥匙进入系统已经问世，而且产品已经比拟成熟。但是国内的汽车领域，无钥匙进入系统还依然处于研发阶段。对于某些关键的技术还处于摸索过程中，还有待于研究人员继续研究开发[3]。国内的PKE技术目前根本还处于模仿制造阶段,研究设计所需要的芯片大都来自于国外,由于国外半导体厂商和汽车厂商拥有专利权，对国内行业实行垄断,所以当前只有一些比拟高档车才会配备PKE系统。据调查，国内汽车行业中，在PKE系统方面走在前列的应该属于比亚迪，但是比亚迪公司都是购置国外的一些高价产品，从而导致一个难以解决的问题就是高本钱,国内其他知名汽车企业也将PKE系统作为未来竞争的一项有利的竞争优势。显然汽车使用越要舒适，所需要的技术本钱必然就越高,当前我国汽车无钥匙进入系统还处于开展阶段。汽车厂商要想给用户带来更舒适体验，这必然还有很长的道路需要技术人员去探索,本次设计就是在这样一个国内外大背景下,参考有关邻域顶尖人才的论文及技术研究力争设计出一种平安、舒适、可行性较强的汽车通信系统,为我国汽车无钥匙进入系统的开展尽自己的一份力。1.3本课题的主要研究内容本次课题研究的主要内容包括有：相关硬件电路的设计，无线通信数据的了解与实现，控制芯片的低功耗方案的实现，系统软件流程设计，通信加密技术以及通信过程中抗干扰的设计。选用相关芯片，根据PKE系统所需要的功能来设计相关电路，将电路分为车载基站端和钥匙端两个主要局部进行电路设计[4]。车载基站端与钥匙端之间的通信采用如下模式，由车载基站发送低频信号给钥匙端，钥匙端接收到相关信号以后，发出高频信号作为应答从而实现两个模块之间的双向通信功能，同时利用滚码加密技术可以确保系统在双向通信时的平安可靠性[5]。由于安装了PKE系统，此系统自然会消耗能耗，为了尽量减小能量损耗同样为了保证钥匙端能够长时间的工作，系统必须要实现低功耗的最根本的功能。首先我们必须采用低功耗器件，其次要采用睡眠-唤醒的模式。在系统闲置时候控制芯片必须处于睡眠状态，只有在接收到相应的唤醒信号后才将控制芯片唤醒工作，从而实现低功耗的功能。抗干扰技术是为了确保通信过程中有效信号可以准确无误的传送，为了实现这些目在硬件设计的时候要充分考虑到硬件抗干扰技术的应用。PKE系统需要软件程序的支持，故系统设计中需要设计软件流程。软件设计同样分为两个局部进行设计。由于钥匙端和车载基站都是采用睡眠-唤醒模式，所以需要中断程序来中断控制芯片的睡眠状态。虽然硬件设计中考虑到了抗干扰技术，但是在软件设计中同样要考虑到干扰信号的影响，所以要进行必要的软件抗干扰设计[6]。1.4论文结构安排第一章：绪论。首先对汽车无钥匙进入系统进行概述。阐述了PKE系统的简要功能，分析了国内外PKE系统开展的不同层次，指出了国内汽车行业PKE系统开展的相对落后。说明了本文设计的主要目标，说明了进行PKE系统设计的必要性与重要性。第二章：阐述汽车无钥匙进入系统的主体设计结构。并分析设计中可能会遇到的一些困难，以及一些核心问题的解决方法，从整体结构的方面完成了系统的初步设计工作为后面工作的进行打下铺垫。第三章：设计汽车无钥匙进入系统的硬件电路图。指出将系统分为钥匙端以及车载基站端两个局部进行电路设计。并详细介绍系统的滤波电路，钥匙端低频接收电路和高频发射电路，以及车载基站端的低频发射电路和高频接收电路。第四章：进行PKE系统的软件流程设计。详细介绍了钥匙端和车载基站软件流程，并采取睡眠和中断模式到达低功耗的目。分别设计了车载基站端与钥匙端的主流程图，并且设计了车载基站与钥匙端的中断程序流程图。结论：对本次设计工作进行了一些总结，回忆了系统设计过程中遇到的一些难以解决的困扰设计的问题以及努力去解决的方法。然后对未来的工作进行了进一步的展望，指出系统设计过程中必然还存在的一些不完善的地方，并大胆的想象了汽车无钥匙进入系统的开展趋势。1.5本章小结本章分析了课题研究的意义和国内外PKE系统开展的不同状况，并详细说明了此次设计的主要内容。对文章的结构进行了确定2PKE系统方案的总体设计在出现PKE系统之前，传统的钥匙都是车主将钥匙插入车身钥匙孔翻开车门。而汽车无钥匙进入系统的出现那么可以更加解放车主的双手。车主不需要拿出钥匙，只要车主身上带有钥匙，车主就可以直接拉车门翻开车门而不需要再去拿钥匙翻开车门，这为车主提供了极大的方便，特别是当车主双手被占用的时候。2.1汽车无钥匙系统所具有的功能PKE系统可以分为4个最根本的功能：首先是一键寻车功能，然后还自动省电功能，远程遥控开开后备箱功能，当然最主要的是近距离无钥匙进入功能。(1)当车辆停靠在大型停车场里面或者停靠在附近地方忘记具体在哪里了，又或者车辆附近有几辆车不知道哪个是自己的爱车时，可以使用一键寻车功能。车主在较远的位置按下一键寻车按钮，爱车就会发车声音告诉车主车的具体位置。一键寻车的功能设计时方案能在70m左右的距离寻找到爱车的位置。(2)省电模式：系统采用自动唤醒方式控制，在平时不需要钥匙端与车载基站端进行双向通信时，钥匙端和车载基站段的控制器都处于睡眠状态，只要控制器的外围电路处于工作状态。当钥匙端的遥控按钮被按下时并且钥匙端在车载基站的有效范围内饰，车载基站控制器PIC18F2680被唤醒执行相应指令。或者当车载基站的门把手上的触碰按钮被按下后，车载基站端被主动唤醒，并向钥匙端发射一个低频信号。当钥匙端在有效范围内时，钥匙端控制器PIC16F639被唤醒。这种模式可以确保系统的低功耗要求[7]。(3)无钥匙进入功能，当车主携带钥匙靠近车门时，可能由于车主双手不方便拿出钥匙，也可能车主知道钥匙在身上但不知道具体在哪里，只要车主用身体轻轻触碰车门上的按钮。车门就将为车主自动翻开，从而实现了免钥匙进入。(4)远程遥控开后备箱功能。当车主距离车子较远的时候如果有别人需要翻开后备箱取东西的时候，车主不再需要走到车后备箱后面才能翻开车后备箱，只需要按下远程遥控开后备箱按钮，车后备箱自动为车主翻开，方便快捷。2.2PKE系统的总体设计车载基站端钥匙端图2.1PKE系统的总体结构框图系统结构可以分为两个主要局部一个是车载基站局部另一个是钥匙局部。钥匙端也可以主要分为3个工作模块：低频接收端，高频发射端，微控制器PIC16F639。低频接收端用于接收车载基站发送来的低频信号，作为应答从高频发射端发送一个信号给车载基站，从而实现了双向通信，微控制器PIC16F639用于信号的处理是一个核心部件,用于信号的处理[8]。车载基站端也可以分为4个主要局部：低频发射端，高频接收端，微控制器PIC18F2680，LIN总线模块。低频发射电路用于发射低频信号给钥匙端。为了到达低能耗的目的，低频发射电路只有当门控触发按钮被按下时才发射低频信号。高频接收电路用于接收钥匙端的信号。当钥匙端有按钮按下或者钥匙端接收到低频信号给以高频信号作为相应时，高频电路才接收信号。微控制器PIC18F2680是车载基站局部的核心部件，用于信号的处理，控制器平时处于睡眠状态，只有有中断信号时才唤醒工作[9]。汽车无钥匙进入的开锁功能流程如下：图2.2开锁流程图汽车无钥匙系统的开锁功能流程图详细描述了汽车无钥匙系统开锁的功能流程，以流程图的形式表现出来简洁明了[10]。PKE系统执行一键寻车功能流程如下：图2.3一键寻车流程图由于无钥匙进入系统的开锁功能信号的传送距离较近在2m以内，而一键寻车功能的距离比拟远设计值在70M左右，可以让车主们准确定位自己爱车位置，寻找到爱车后近距离开锁功能自然就可以生效了。2.3设计中遇到的难题及解决方法系统在设计过程中有些核心问题必须解决，这些问题包括：微功耗技术,通信距离，器件的小型化，以及平安性[11]。微功耗技术：由于系统都是由电池供电，所以车主会追求低功耗，以确保系统可以长时间工作。为了到达微功耗在选择芯片材料的时候，就必须选择功耗低的控制器件和控制电路，本文采用的是休眠-唤醒的模式来进一步降低功耗。此次设计低频采用125kz在基站和钥匙端之间收发命令。在125KHZ低频条件下的信号传送时通过3副正交交变磁场来实现耦合，这样钥匙端就可以利用基站附近的耦合磁场能量，而不需要消耗钥匙端的内部电池的能量。为了进一步实现为功耗，系统设计成在平时都处于休眠状态，只有在需要工作是蔡处于唤醒状态。即只有当基站接收到高频信号或者门控触发信号时才处于唤醒状态，钥匙端只有接收到低频信号或者按键信号时才处于唤醒状态。在睡眠状态，处于低电流模式，可以减少电流损耗。器件小型化：由于钥匙端要做的很小，且被装进口袋中信号接收面随意性很大，基站与钥匙端的低频通信采用的是125KHZ，为了能很好的接收信号如果用普通天线的话，天线的体积要求做的很大，所以不适用，因此我们采用小型全向天线。采用3对相互正交的天线，这样的话钥匙端不管朝向什么方向，正交天线都可以很好的接收信号。小型化天线的制作材料不同于普通天线的材料，是特殊的超高磁导率的材料。通信距离：低频信号采用的是125KHZ频率，衰减很快。为了使钥匙在有效范围内及2M左右可以接收到有效信号，必须要求钥匙端极其灵敏。高频信号采用的是433MKZ，可以传送较远距离，可以用在一键寻车功能上。平安性问题：无钥匙进入系统的平安性问题是一个核心问题。平安性问题要求基站与钥匙端通信时，传递的数据必须有很高的保密性，以防止汽车被盗。为了解决这个问题通信过程中的加密可以使用滚码技术，每次车载基站与钥匙端通信都是发送的不同的编码，从而使专业盗车贼也无法获得有效密码[12]。2.4系统设计期望到达的目标(1)低功耗：PKE系统钥匙端电池期望可以工作5年以上，所以必须采用一系列措施降低系统功耗，从而延长钥匙端电池的寿命。可以从器件的选择，系统的工作方式，电路的设计等角度减少能耗。(2)设计本钱：因为PKE系统只是让车主体验更舒适的行车感觉，所以不能让系统的本钱太高，不然会给车主造成额外较多负担，此外如果同样是PKE系统而别的设计者设计的系统本钱低，那么就会影响次PKE系统的推广，失去市场的竞争力。(3)信号传递质量：因为外界各种干扰因素，必然使基站与钥匙端信号的传递受到一定的干扰，我们不能通过提高发送信号的功率来抑制干扰信号，否那么有悖于低功耗的原那么。因此只能通过加强接收电路接收信号时候的灵敏度来提高信号传递的质量。(4)防盗问题：汽车防盗是问题的重中之重，为了实现防盗功能，系统采用PWM波调制技术，在钥匙端与车载基站端进行双向通信时采用了滚码加密的加密方法，从而实现了汽车无钥匙进入系统很高的平安性，可靠性，微系统的推广提供了可靠的技术保障。2.5本章小结本章对汽车无钥匙进入系统的主体结构进行了设计，介绍了系统的车载基站和钥匙端的主要工作流程，解决了系统设计过程中遇到的一些核心问题如：微功耗问题，器件小型化问题，通信距离以及平安性问题。并确定了系统设计所期望到达的低功耗，低设计本钱，高质量信号传递，平安可靠防盗性的目标。3PKE系统的硬件设计本章主要对PKE系统的硬件电路进行了详细设计，详细介绍了钥匙端所用控制器PIC16F639特性功能，外部电路，高频发射电路以及低频接收电路[13]。同样也介绍了车载基站端所用芯片PIC18F26820，外部滤波电路，低频发射电路以及高频接收电路。同时介绍了系统电路整体工作原理，并对LIN总线的设计进行了详细的介绍。3.1硬件总体设计的根本原那么PKE系统一个单片机系统，硬件电路在设计的时候要充分考虑到单片机系统的一些设计根本原那么。系统设计是要尽量做到实用平安可靠，并尽可能的减少系统设计的本钱，所以选择器件的时候需要遵循一些标准的原那么：(1)普遍性原那么：所选用的一些器件尽量使市场上大量使用的不要选一些冷门的器件，难以购置替换的时候更加困难，选用普遍存在的器件比拟方便，能够降低本钱；高性价比原那么：同样的规格的芯片，选用廉价的，相同价格的芯片选用相对质量较好，实用的，这样可以提高系统的整体性价比。(2)采购方便原那么：尽量选购方便买到的，比方可以在自己工作附近就可以购置的，减少因为器件采购而花费的不必要的本钱；(3)持续开展原那么：选择器件的时候不可以选择那种已经停产的或者即将停产的，不然的话会为后续维护工作带来极大的不方便；(4)可替代原那么：尽量选择pintopin兼容种类比拟多的元器件；(5)向上兼容原那么：如果已经有一些器件了，在购置其他器件的时候尽量使后购置的器件兼容之前的老器件，不要造成不必要的浪费；(6)资源节约原那么：尽量最大化的利用器件，如果控制器之用了几个引脚，其他上百个引脚都是悬空的这必然造成极大的浪费；功耗问题：由于本系统要求低功耗，所以尽量选择低功耗器件。3.2PKE系统钥匙端硬件设计钥匙端系统整体结构图如下:图3.1钥匙端整体结构图3.2.1控制器PIC16F639芯片的介绍：钥匙端控制芯片使用的是PIC16F639，此芯片功耗低，本钱低，易购置，根本符合PKE系统控制器的要求，所以本文选择PIC16F639作为钥匙端控制器进行电路设计[13]。微控制器的特殊功能：1.精确的内部振荡器，出场前已经调试在1%以内，所以误差很少。2.具有极宽的工作频率高频可达30MHZ,低频都可低至31khz。3.可以实现模式切换，让控制芯片工作在极低的能耗状态下，省电休眠状态为钥匙端低功耗的要求提供了可能性。4.KEELOQ兼容的硬件加密模块PIC16D639引脚功能表如下：表3.1PIC16F639引脚功能表引脚序号引脚名称引脚功能1VDD微控制器的电源2RA5/T1CKI/OSC1/CLKIN通用I/O单独控制变化中断，单独启用上拉或下拉。/定时器1时钟/晶体连接/TOSC4的参考时钟3RA4/T1G/OSC2/CLKOUT通用I/O单独制变化中断，单独启用上拉或下拉。/定时器1门/晶体连接/TOSC参考时钟4RA3/MCLR/VPP通用输入，控制的变化中断。/去除复位，拉起时启用配置MCLR。/编程电压。5RC5通用I/O端口6RC4/C2OUT通用I/O端口/比拟器2输出端口7RC3/LFDATA/RSSI/CCLK/SDIO通用I/O端口/模拟输入信号的数字引脚输出/接收信号强度指示器，模拟电流与输入振幅成正比/载波时钟输出/SPI通信的输入输出8VDDT模拟前端电源9LCZ125KHZ的Z通道模拟输入10LCY125KHZ的Y通道模拟输入11LCX125KHZ的x通道模拟输入12LCCOM模拟量输入共同参考端13VSST模拟前端接地参考端14RC2/SCLK/ALERT通用I/O端口//SPI通信数字时钟输入/输出与AFE内部上拉电阻的误差信号15RC1/C2IN-/CS通用I/O端口/比拟器输入负端/芯片选择输入与内部上拉电阻的SPI通信16RC0/C2IN+通用I/O端口/比拟器1输入正端17RA2/T0CKI/INT/C1OUT通用I/O单独控制变化中断，单独用上拉或下拉/外部时钟信号1/外部中断/比拟器1输出18RA1/C1IN-/VREF/ICSPCLK通用I/O单独控制变化中断，单独启用上拉或下拉/比拟器1输入负端。/串行编程时钟。19RA0/C1IN+/ICSPDAT/ULPWU通用I/O单独控制变化中断，单独启用上拉或者下拉，可选的超低功耗醒来引脚。/比拟器1输入正端/串行编程数据输入输出/超低功耗唤醒输入20微控制器的接地参考PIC16F639在钥匙端所接电路如下列图：图3.2钥匙端控制器电路图PIC16F639控制器的16脚RC0经过470欧母上拉电阻接到VCC上，5脚RC5接高频发射电路放大器端。PKE系统设计在设计钥匙端主控制器电路的时候加上了两个主动地按钮，按钮的作用是：一个是为了一键寻车，另一个是为了遥控开后车厢。遥控开后车厢可以免去必要要拿钥匙走到后车厢附近才能开后车厢的困难，虽然只是安装了一个按钮但也带来了一定的方便[14]。3.2.2钥匙端低频接收电路低频接收电路由芯片上所接的3对正对天线构成，分别接在9脚LCA，10脚LCY，11脚LCX。三对天线公共端与12脚LCCOM相接通后经过滤波电路接地。低频信号由于比拟微弱，所以需要接收端有很强的灵敏度，这在设计过程中是一个难题。所以在设计过程中采用了3副正交的天线，而且天线的材料也是特殊的超高磁导的材料，这可以有效地提高信号接收时候的灵敏度，为系统的可靠性，接收信号的灵敏性提供保证[15]。钥匙低频接收端与控制芯片PIC16F639所接电路图如下：图3.3低频接收端电路图三副天线两两正交相对，分别置于x轴，y轴，z轴上，将低频接收信号频率定制在125KHZ。通过在X，Y，Z轴设置两两正对的天线可以接收任意方向的信号，天线必需选用小型化高灵敏度器件，选取125kHZ的低频信号可以确保接收时的灵敏度。3.2.3钥匙端高频发射电路钥匙高频发射端当接受到低频有效信号或者有主动的按键信号时，PIC16F639控制芯片才会唤醒，发射一个高频信号。高频发射端发射的信号频率是433MHZ。高频端发射的是调制波，所谓调制就是用低频信号去控制高频信号，高频信号称为载波。此高频信号用于与车载基站端进行通信，发射高频信号，车载基站端接收识别次高频信号。钥匙高频发射端电路图如下：图3.4高频发射端电路图高频发射电路发射频率为433mHZ，通过预先设置好的滚码加密方式进行编码，在通过PWM进行编码，形成高频发射信号高频发射电路信号断与控制器PIC16F639的RC5相接。并通过控制器进行移位发射。高频发射电路通过发射高频载波PWM波与车载基站端的高频接收端进行通信。3.3PKE系统车载基站硬件设计本节对PKE系统的车载基站端硬件进行了设计，并将车载基站端分为3个局部进行介绍，分别为：控制器PIC16F2680，低频发射端，高频接收端[16]。这三个局部组成了完整的车载基站端可以完成。图3.5车载基站电路整体结构3.3.1PIC18F2680芯片的介绍车载基站端选用的控制器是PIC18F2680，它具有系统所需要的根本功能，并且具有低功耗特性，所以本文选用它作为控制芯片进行电路设计。PIC18F2680特点如下：内部晶振可提供8种频率选择,从SMHZ到3IKHZ平时状态休眠，工作是唤醒，省电模式工作电压范围为3.6V一5.5V;提供SPI接口PIC18F2680引脚功能表如下：表3.2PIC18F2680引脚功能表管脚标号管教名称管教功能1MCLR/VPP/RE3主去除〔输入〕或编程电压〔输入〕。主去除〔复位〕输入。此引脚是一个低有效复位的装置。编程电压输入。数字输入。2RA0/AN0数字端口0/模拟输入端口03RA1/AN1数字端口1/模拟输入端口14RA2/AN2/VREF-数字端口2/模拟输入端口2/A/D输入参考低电压5RA3/AN3/VREF+数字端口3/模拟输入端口3/A/D输入参考高电压6RA4/T0CK1数字端口4/定时器的外部时钟输入7RA5/AN4/SS/HLVDIN数字端口5/模拟输入端口4/SPI附属选择输入高。低电压检测输入8VSS接地参考逻辑和I/O引脚9OSC1/CLK1/RA7晶体震荡器或外部时钟输入/外部时钟源输入1/通用I/O端口10OSC2/CLK0/RA6晶体震荡器或外部时钟输出/外部时钟源输入2/通用I/O端口11RC0/T1OSO/T13CK1双向输入端口0/定时器1振荡器输出/定时器外部时钟输入12RC1/T1OSI双向输入端口1/定时器1输入13RC2/CCP1双向输入端口2/capture1输入/输出/PWM1输出14RC3/SCK/SCL双向输入端口3/同步串行输入/输出SPI™模式。15RC4/SDI/SDA数字I/O端/SPI数据输入16RC5/SDO数字I/O端/SPI数据输出17RC6/TX/CK数字I/O端/异步收发器异步传输/异步收发器同步时钟18RC7/RX/DT数字I/O端/异步收发器异步接收/异步收发器的数据同步19VSS接地参考逻辑和I/O引脚20VDD逻辑正电源和I/O引脚21RB0/INT0/AN10数字I/O。/外部中断0。/模拟输入1022RB1/INT1/AN8数字I/O。/外部中断1。/模拟输入823RB2/INT2/CANTX数字I/O。/外部中断2。/can总线发送。24RB3/CANRX数字I/O。/can总线接收。25RB4/KBI0/AN9数字I/O。/模拟输入926RN5/KBI1/PGM数字I/O。/在改变引脚中断。/低电压ICSP™编程使能引脚27RB6/KBI2/PGC数字I/O。改变引脚中断/在电路调试和ICSP编程时钟引脚。28RN7/KBI3/PGD数字I/O。改变引脚中断/在电路调试和ICSP编程数据引脚。控制器PIC18F2680在车载基站端电路接线图如下列图所示：图3.6车载基站控制器PIC18F2680电路图PIC18F2680控制器13脚RC2与TC4422芯片IN；25脚RB4与RX3100的8脚；17，18脚TX，DT与LIN总线TLE6258TX，DT相接。车载基站端与钥匙短的控制器都采用PIC系列是考虑到同是一个系列系统在配合方面会更好，采购简单。3.3.2低频发射端电路的设计车载基站低频发射端采用TC4422进行电路设计。TC4422的特性如下所列：〔1〕顶峰值输出电流：9A〔2〕有一个较宽的工作电压：-4.5V至18V〔3〕输出电流较大可到达2A〔4〕快速升高和降低：〔5〕传输延迟时间短：30ns〔典型值〕〔6〕供电电流小：〔7〕逻辑“1”输入——200μA〔典型值〕TC4422引脚功能表如下：表3.3TC4422引脚功能表：引脚标号引脚名称引脚功能1VDD电源电压，4.5V至18V2INPUT控制输入，TTL/CMOS兼容输入3NC无连接4GND接地5GND接地6OUTPUTCMOS推挽式输出7OUTPUTCMOS推挽式输出8VDD电源电压，4.5V至18V硬件电路图连接如下列图：图3.8低频发射端电路图TC4422的2脚IN与控制器PIC18F2680的130/RC2脚相连接，当车载基站检测到门控触发输入时,系统会将识别码,经PWM调制后由13脚(RC2脚)输出到TC4422的2脚IN，在有低频发射电路将车载基站端的低频信号发射出去。3.3.3高频接收端电路的设计高频信号频率定制在433MHZ，高频接收电路采用RX3310作为无线接收芯片。RX3310内部集成了系统所需要的滤波电路，这使得系统设计电路更加方便，简单。RX3310无线接收芯片的特点如下：〔1〕工作频率为250MHZ~450MHZ〔2〕具有-168dBm的高灵敏度〔3〕低功耗正常平均工作电流为2.6MA〔4〕高集成度，外围元件少。〔5〕采用20脚封装，体积小。所用无线接收芯片的引脚功能表如下：表3.4TC4422引脚功能表：管脚序号管教名称功能描述1OSC2外接震荡电感或者谐振器2FO中频滤波输出3CPA比拟器输入端A4CPB比拟器输入端B5CPO比拟器调06,7VSS电源地8DATA数据输出9DISABLE低电平有效，高电平时芯片停止工作10CPC比拟器输入端C11LIN限幅器输入端12VCC正电源〔2~6V〕13LFB限幅器反应端B14VIRF射频放大器输入端15VEE电源地16VORF射频放大器输出端17MIXIN混频器输入端18,19VCC正电源〔2~6V〕20OSC1外接震荡电感或者谐振器高频接收端电路图如下列图所示：图3.8高频接收电路图RX3310无线接收芯片的8脚DATA脚与主控芯片的25脚RB4相连接。高频接收端将接收到高频信号传送到主控制芯片相应输入端。3.4LIN总线硬件设计LIN总线模块通信电路在设计时我们使用的芯片是tle6258，此芯片结构简单，封装体积小，相当实用。TLE6258个引脚功能如下表；表3.5TLE6258个引脚功能：引脚号符号功能1RxD接收输出数据，集成上拉，低显性状态2ENN不输入；集成30KΩ拉3Vcc5V输入4TxD传输数据输入；集成上拉，低显性状态5GND接地6Bus总线输出/输入；内部30KΩ拉起，低显性状态7Vs电池电源输入8N.c不接TLE6258在车载基站端的接线电路图如下：图3.10LIN总线模块电路图TLE6258引脚1脚RXD与控制器PIC18F2680引脚18脚RX相接，4脚TXD与控制器17脚TX相接。Bus端接到控制总线，通过LIN总线发送相应名字，锁控机构执行相应的上锁或者开锁命令。3.5系统电路抗干扰的设计干扰时系统必然存在的，也是设计系统时必须要考虑到的，在设计系统时必须考虑到干扰的影响。干扰：又称电路噪声，是电磁兼容设计中的“效劳对象”。干扰的来源很多比方大地磁场，电路结构带来的微弱磁场以及电路中电流的不断变化。干扰信号自然是正常控制中不希望存在却又经常存在的电信号。抗干扰是为了减少甚至消除电路噪声的手段。下面简要介绍抗干扰的方法：地线措施，阻容措施，隔离措施，电流措施，电压措施。信号走线分布方法：并排、平行原那么，直线原那么，躲避大电流区原那么，躲避大电流区原那么。排线、信号线注意：排线、信号线长度不宜过长，超过一定长度时，应充分考虑信号的失真可能性和干扰的强度。在焊制电路板的时候要注意线路的排版，尽量使得线路不要交叉，排版分区要合理。〔3〕尽量采用抗干扰性能强的单片机。3.6车载基站供电电路图前面已经介绍了钥匙端以及车载基站端电路的各个电路局部，也给出了设计电路是应该注意的问题。下面介绍下两个局部的供电电源。车载基站采用的是12V车载电池供电，由于电路还需要5V电压所以需要12V转5V电路，系统设计时设计了12V转5V电路。钥匙端采用纽扣电池供电，电路不在表达。12V转5V电路如下：图3.11车载基站端12V转5V电路图3.7本章小结本章对PKE系统的硬件电路图进行了详细的设计。综合考虑到系统的低功耗，接收信号时的高灵敏度，抗干扰等因素，设计了车载基站以及钥匙端的电路图。在可以到达预期的功能的前提下，尽量对电路的结构进行了精简。选择了适宜的控制芯片是系统更加节能，平安可靠。同时参加了LIN总线用于控制锁控机构的动作。4PKE系统的软件设计方案前一章已经对汽车无钥匙进入系统的硬件电路进行了设计，本章将对PKE系统的软件进行必要的设计。对软件的设计依然分为两个模块，车载基站模块和钥匙端模块。由于车载基站和钥匙端都工作在睡眠唤醒的模式下，所以要采用中断的方式来控制控制芯片的状态。4.1系统软件设计应该遵守的必要原那么:〔1〕设计程序时候尽量使程序层次化，结构清晰，流程明确。〔2〕设计程序时候，尽量使程序一个一个的模块化，一个功能一个模块，便于设计与修改。〔3〕设计程序的流程必须明确，不能出现摩棱两可得分支走向。〔4〕设计程序时每个功能模块的功能必须是独立的有特点的的。4.2系统通信协议及加密技术PKE系统中，车载基站与钥匙端的通信，采用PWM波编码。PWM波的编码解码有软件实现[17]。车载基站端发送的低频信号LF数据帧的格式可以表示成下列图：图4.1LF数据帧格式LF数据是车载基站发送给钥匙端的信号，用于唤醒钥匙端主控芯片PIC16F639.当钥匙端芯片被LF数据唤醒后，会发射一个高频信号作为应答。钥匙端发送的高频信号UFH数据帧格式如下列图：图4.2UHF数据帧格式本系统采用的是滚码加密的方法。滚码技术是一种高级平安的加密技术，代号为KEELOQ。它实际上是一种符合ASIC的特别设计，内含加密和解密技术，可与红外遥控技术结合使用，应用范围很广。KEELOQ滚动码算法，是数据在车载基站与钥匙端之间的传送有极高的保密性，且每次传送的代码都是不一样的。本系统利用修改后的DES加密算法实现了滚码加密技术算法在设计时,注重平安，可靠性的同时,己经充分考虑到低端单片机空间小,执行速度慢的特点修改后的加密算法是一种平安的，可靠性高的，RAM使用率低，执行速度快，便于在低端单片机上实现的加密算法。表4.1编码结构第1-3字节第4-7字节第8字节识别码，基站和钥匙段对码跳码，每次发射后加1命令与校验信息第8字节位分配结构第7位第6-1位第0位跳码是否有效命令信息校验信息滚码发射流程图如下：图4.3滚码发射流程滚码接收端流程图如下：图4.4滚码接收流程图滚码在发射命令之前必须先从EEPROM中读取识别码,和跳码信息,完成编码和奇偶校验信息的填充,加密后发射。在发射完成后,32位的跳码信息加1在保存到EEPROM中去。在对接收到的编码解码后,除了判断奇偶校验位是否正确,识别码是否匹配外,还须确保本次编码中的跳码信息大于EEPROM中保存的跳码信息(上次通讯保存的)这便保证了每个有效编码只能使用一次上述分析可以看出,保证平安性的另外一个关键便是加密算法[18]。4.3PKE系统钥匙端软件流程钥匙端硬件电路控制器采用的是PIC1F16F639作为主控芯片，所以软件的编写也要用PIC汇编语言编写。钥匙端的工作状况可以描述成如下情况：为了实现低功耗的目标，芯片平时处于睡眠状态，当芯片接收到来自于车载基站的低频信号或者钥匙端主动按钮被按下后，采用中断模式中断芯片的睡眠状态，将芯片唤醒，并发送相应的高频信号[19]。钥匙端软件的主流程图如下：图4.5钥匙主流程图因为钥匙端平时处于睡眠状态所以工作是需要中断信号中断睡眠模式。中断流程图如下：图4.6钥匙端中断流程图钥匙端平时处于睡眠状态，只有当收到中断信号后，系统进入中断程序，唤醒钥匙控制芯片PIC16F639[19]。4.4PKE系统车载基站端软件流程车载基站采用的是PIC18F2680作为控制芯片。车载基站工作流程可以描述成如下过程：在平时为了到达低功耗的目的，控制芯片处于睡眠状态，当高频接收端接收到钥匙端按键按下所发送来的高频信号后，控制器结束休眠状态，被唤醒接收信号，对信号进行解码匹配成功后，执行相应按键操作。或者当车门门把手上安装的触碰按钮被按下后，唤醒控制器，控制器发送低频信号，钥匙端接收到低频信号后，解码匹配成功后，发送编码后的高频信号，接收电路接收到高频信号后在解码匹配成功后执行相应操作[20]。车载基站端的主程序流程图如下：图4.7车载基站主流程图由于车载基站端也工作在睡眠-唤醒模式下，所以必须有中断信号中断控制芯片的睡眠状态，那么必须有中断程序。系统车载基站端中断程序流程图如下列图所示：图4.8车载基站端中断流程图车载基站端平时处于睡眠状态，只有当收到中断信号后，系统进入中断程序，唤醒车载基站控制芯片PIC18F2680。4.5LIN总线软件流程LIN总线模块采用的是TLE6258.。LIN总线功能主要是采用总线控制的方法来控制锁门装置。当车载基站解码通过后需要相应的动作执行的时候就通过LIN总线模块发送动作执行命令。LIN总线软件流程如下列图所示：图4.9LIN总线模块软件流程图通过LIN总线模块的指令发送可以很好的实现车门控制机构的动作。4.6软件抗干扰技术由于系统所要求的精度很高，所以在软件设计过程中也要注意抗干扰。我们可以采用软件滤波技术来抑制系统所受到的干扰信号[21]。下面简要介绍几项软件滤波技术及特点和其主要应用场合：

(1)限幅滤波法。方法：根据经验判断，首先设定允许的最大误差范围和参考值，用取得的值与参考值进行取相对差值，用相对差值与最大允许误差进行比拟，如果小于最大允许误差那么保存，否那么的话就舍去本次的值。优点：能够有效地消除因为外部干扰因素造成的脉动误差。缺点无法抑制周期性的干扰。(2)消抖滤波法。设置一个滤波计数器,将每次采样值与当前有效值比拟"如果采样值等于当前有效值,那么计数器清零;如果采样值不等于当前有效值,那么计数器加1,并判断计数器是否大于上限N;如果计数器溢出,那么将本次值替换当前有效值,并清0计数器。该方法对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果,但对于快速变化的参数不宜,如果在计数器溢出的那一次样到的值恰好是干扰值,那么会将干扰值当作有效值导入系统。本文采用的是限幅消抖滤波法，是限幅滤波与消抖滤波的结合，这个滤波方法可以吸收两种滤波方法的优点，使得两种滤波方法的缺乏之处互补。可以有效的减少干扰的影响。4.7本章小结本章对汽车无钥匙进入系统的软件流程进行了相应的设计，如同硬件电路设计时将电路的设计分为2个局部，软件流程设计时也将其跟车车载基站与钥匙端两个局部来做。由于系统要求低功耗，所以软件设计的时候希望可以使控制在睡眠与唤醒两种状态下切换工作，在设计软件流程图时设计了中断流程来实现这种切换。结论〔1〕工作总结〔a〕汽车无钥匙进入系统的开展为车主使用爱车提供了极大的方便。PKE系统的开展朝着越来越智能化，人性化，平安化。本文提出的是一种基于PIC18F2680作为车载基站的主控制器，以PIC16F639作为钥匙端的控制芯片的设计方案。回忆半年来的设计研究，将主要设计研究的工作可以总结成如下：〔b〕分析研究了汽车无钥匙进入系统的开展历程，指出了国内外无钥匙进入系统开展的差异，说明了此系统在未来开展中所占有的重要性，指出了对汽车无钥匙进入系统研究的必要性。〔c〕提出了整体的设计方案，将系统设计成车载基站与钥匙端两个模块。车载基站与钥匙端的通信依靠接收与发送电路的之间的高频或者低频信号来实现。车载基站与钥匙端的双向通信，使用PWM脉宽调制的方式，并在无限数据接收的时候参加滤波技术，提高系统的平安可靠以及灵敏性。〔d〕对系统的硬件电路进行了实际的设计，同时查阅了解到硬件设计过程中需要注意到的问题，综合考虑到信号发送与接收过中的干扰信号，在设计硬件电路是也将硬件滤波技术考虑到内。在软件和硬件设计方面都综合考虑到了抗干扰设计，是为了竭力到达系统的平安可靠性。〔e)如果说硬件是汽车无钥匙系统的骨架，那么软件设计是系统的灵魂。任何高级系统都需要软件设计来实现特定的功能。本文考虑到汽车无钥匙系统的低功耗要求，所以在设计系统时使控制芯片平时处于睡眠状态，工作时采用中断唤醒的方式。从而确保了系统的低功耗要求。未来到达平安的目的，系统通信是双向通信，使用了滚码加密方法编码，确保了系统的平安性。(2〕PKE系统开展展望虽然本文成功的提出了一个汽车无钥匙进入系统的