無(wú)鑰匙系統的中心議題：

• RKE系統的設計

無(wú)鑰匙系統的解決方案：

• 選取MAX1473接收芯片和MAX7044發(fā)射芯片
• 選取MC9RS08KA2 作為微處理器

當今70%的汽車(chē)商選用RKE(Remote Keyless Entry,遠程無(wú)鑰匙進(jìn)入)系統，或將其作為一個(gè)標準。RKE系統主要由按鍵加密發(fā)送器和車(chē)內內置接收器組成，結構框圖如圖1所示。它們主要用在汽車(chē)門(mén) 控制、無(wú)線(xiàn)傳感器、汽車(chē)無(wú)線(xiàn)胎壓監測TPMS(Tire Pressure Monitor System)等方面，使用的頻率是315 MHz(美國和日本地區)、433.92 Hz(歐洲地區)。歐洲同時(shí)開(kāi)放了868 MHz頻率來(lái)適應RKE系統的增長(cháng)需求。
 

RKE系統的用戶(hù)可以通過(guò)鑰匙鏈發(fā)送數據來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉汽車(chē)門(mén)。圖1中，用戶(hù)可以按下按鍵開(kāi)關(guān)來(lái)發(fā)起與接收機的通信，通過(guò)一串64～128位長(cháng)度 的數據流進(jìn)行發(fā)送器和接收器的會(huì )話(huà)。該數據流包括前引導碼、命令碼和一串加密滾動(dòng)碼。通信速率通常選用2～20 kHz之間，采用ASK調制方式，主要為了延長(cháng)發(fā)送部分鑰匙鏈中電池的使用壽命。

1 系統設計

1.1 功率設計
設計中主要考慮的是低電流消耗情況下的高可靠性、系統的成本以及發(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(mǎn)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(xiàn)偵聽(tīng)發(fā)送端數據，典型的電流要求不超過(guò)1 mA。一個(gè)設計方法是，在一定時(shí)間內,接收端保證能夠檢測到有效的發(fā)送信號;為了最大限度地節約電量，接收器在其他的時(shí)間睡眠。

1.2 安全性設計
系統的安全性也是一項主要考慮的因素。通過(guò)采用Microchip公司專(zhuān)為RKE系統設計的使用DES算法的安全密鑰芯片HCS300來(lái)實(shí)現系統數據的安全加密，防止發(fā)送的數據被惡意盜取拷貝;同時(shí)在接收端使用MC9RS08KA2進(jìn)行解密和繼電器控制。

HCS300的操作電壓為2.0~6.3 V,是一個(gè)可編程28位串行碼、64位加密鍵值、66位發(fā)送長(cháng)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。

[page]16位的同步計算器,在每次發(fā)送代碼后都要發(fā)生改變。它隨按鍵的次數而增加。根據DES算法加密,在每次發(fā)送的代碼中，由于同步計數器的變化而 使得每次發(fā)送的代碼有大于50%的部分不一樣。圖2說(shuō)明在編碼過(guò)程中如何使用HCS300的內部可編程EEPROM，一旦編碼器檢測有按鍵按下，它就立即 讀鍵值，同時(shí)刷新同步計數器。按鍵和同步計數器經(jīng)過(guò)加密算法處理，輸出數據是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(gè)發(fā)送碼，將被 接收部分接收到。

解碼部分必須先學(xué)習發(fā)送端的數據碼，學(xué)習包括計算發(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)習過(guò)。如果發(fā)送碼被學(xué)習過(guò)，那么它的信息被解密和同步計數器值校驗，最后接 收系統執行按鍵操作請求。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(dòng)時(shí)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)送器設計的問(wèn)題;采用晶體結構，提供了更大的調制深度和快速的頻率響應機制;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(dòng)時(shí)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引腳封裝設計。

MC9RS08KA2 作為Freescale公司新推出的一款集成多個(gè)功能的高性?xún)r(jià)比MCU，具有鍵盤(pán)中斷和高達20 MHz的內部時(shí)鐘，以及8位模計數器，2 KB Flash空間，63字節RAM;同時(shí)有等待和3種停止模式，滿(mǎn)足系統的超低功耗設計(設計中電流小于1 μA)，以及簡(jiǎn)易的6引腳BDM編程調試接口，便于系統的實(shí)時(shí)升級。設計中采用6引腳DFN精密小引腳封裝，滿(mǎn)足系統的小體積要求。

1.4 硬件設計圖
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，元器件參數如表1所列。接收部分微處理器控制電路如圖7所示。

[page]

1.5 軟件設計
編碼加密操作流程如圖8所示。

如果有按鍵按下，HCS300將被喚醒，同時(shí)通過(guò)10 ms延時(shí)消抖。同步計數器、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(huì )不一樣，即便是同一個(gè)按鍵按下，在64K次按鍵過(guò)程中發(fā)送的跳頻碼也 不會(huì )發(fā)生重復，因此在較長(cháng)的時(shí)間內，按鍵密鑰信息不會(huì )被盜取。如果在發(fā)送的過(guò)程中檢測到新的按鍵按下，那么將會(huì )立即復位，而且當前的代碼將不會(huì )繼續執行; 離開(kāi)按鍵后，對代碼字是沒(méi)有影響的，除非沒(méi)有按鍵繼續保持按下?tīng)顟B(tài)，在任何情況下傳輸代碼都會(huì )完成，同時(shí)系統下電。

接收部分解碼解密流程如圖9所示。

上電后，MC9RS08KA2開(kāi)始判斷系統是否有I/O中斷產(chǎn)生。如果沒(méi)有，則系統進(jìn)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(jìn)入中斷，喚醒MCU，同時(shí)進(jìn)行軟件DES算法解密。如果解密不成功，則繼續接收數據;如果解密成功，則執行相應的繼電器操作(如開(kāi)/關(guān)門(mén)等)，然后 系統繼續進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

2 結論

通過(guò)結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、穩定性和Freescale微處理器的高集成度及性?xún)r(jià)比，整合各家優(yōu)勢，提高了系統的整體性能。通過(guò)實(shí)際運行，系統達到了預先設計的要求。本次設計只使用了2個(gè)按鍵，根據需要可以外擴功能按鍵達到15個(gè)，用于實(shí)現不同的控制信息要求。設計人員可 以根據自行需要進(jìn)行相應的擴展。