汽车智能无匙门控系统.docx
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汽车智能无匙门控系统.docx
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汽车智能无匙门控系统
汽车智能无匙门控系统的设计
摘要:
随着社会物质财富的不断增长和人民生活水平的不断提高,汽车逐渐成为人们生活中的一部分。
汽车防盗门控系统是汽车安全的保障,传统的遥控门禁系统已经无法满足广大用户的需求,免持式被动无匙门禁系统正迅速成为汽车远程无匙门禁应用的主流,并成为了新型汽车的普遍选择。
无线射频技术的发展和应用,特别是遥控技术和微控制技术的结合,使得汽车电子技术越来越趋于自动化、智能化和人性化。
本文设计了一种基于滚动码技术的被动式无匙门控系统,该系统无需人为干预,当配有感应钥匙的车主靠近装有无线收发器的汽车时,感应钥匙与无线收发器自动进行双向交互式通信,完成身份验证过程,从而达到自动开锁的目的。
该系统主要包括车载无线模块和钥匙模块两部分,经测试系统性能到达设计的指标,各方面均满足应用的要求。
关键词:
被动式无钥门控系统;PIC16F639;脉宽调制;滚动码
Designofintelligentvehiclekeylessentrysystem
AbstractWiththecontinuousgrowthofthematerialwealthofsocietyandtheimprovementofpeople'slivingstandards,thecarhasbecomeacommonpartofeverydaylife.Automobileanti-theftdoorcontrolsystemistheguaranteeofsafety.Remotecontroloftraditionalaccesscontrolsystemhasbeenunabletomeettheneedsofcustomers,hands-freepassivekeylessentrysystemsarerapidlybecomingthemainstreamthemainstreamofcarremotekeylessentryapplicationandbecomeacommonchoiceofthenewcar.Withthedevelopmentandapplicationofthewirelessradiofrequencytechnology,especiallywiththeremotecontroltechnologyandcontroltechnology,theautomobileelectronictechnologytendstobemoreandmoreautomation,intelligentandhumanization.
Thispaperdescribesthedesignofapassivekeylessentrysystembasedontherollingcodetechnology.Whenequippedwithinductionkeyownersnearawirelesstransceivercar,Inductionkeyandawirelesstransceiverautomaticaccomplishtwo-wayinteractivecommunicationandtheauthenticationprocesswithouthumanintervention,Soastoachievethepurposeofautomaticunlocking.Thesystemincludesvehiclewirelessmoduleandakeymodule.Afterthetest,Theperformanceofthesystemmeetthedesignindexandallrespectsmeettheapplicationrequirements.
Keywords:
Passivekeylessentrysystem,PIC16F639,PWM,rollingcode
目录
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2国内外研究现状2
1.3课题研究的目的与意义3
1.4主要研究内容3
第2章智能无匙门控系统的总体设计5
2.1引言5
2.2系统总体设计5
2.2.1系统总体结构5
2.2.2系统工作流程6
2.3车载无线模块介绍6
2.3.1PIC18F2680单片机7
2.3.2低频发射模块7
2.3.3高频接收模块8
2.4钥匙模块介绍8
2.4.1PIC16F639单片机8
2.4.2高频发射模块9
2.5滚动码加密介绍10
2.6本章小结10
第3章智能无匙门控系统的硬件设计11
3.1引言11
3.2车载无线模块设计11
3.2.1低频发射电路11
3.2.2系统电源电路12
3.3钥匙模块设计12
3.3.1低频接收电路12
3.3.2高频发射电路13
3.4系统总电路14
3.5系统硬件抗干扰设计14
3.6本章小结16
第4章智能无匙门控系统的软件设计17
4.1引言17
4.2程序编写规范17
4.3系统通信协议17
4.3.1脉宽调制17
4.3.2编码方式与实现18
4.3.3脉宽调制信号的接收与解码20
4.4KEELOQ加密的硬件实现21
4.5KEELOQ解密的软件实现22
4.6系统软件设计流程22
4.6.1钥匙模块程序流程23
4.6.2车载无线模块程序流程24
4.7系统软件抗干扰设计25
4.8本章小结26
第5章系统测试与分析27
5.1引言27
5.2系统通信数据格式27
5.3系统能耗分析28
5.4系统通信距离测试29
5.5本章小结29
第6章总结与展望30
6.1工作总结30
6.2展望30
致谢31
参考文献32
附录133
第1章绪论
1.1课题背景
随着中国经济不断的发展以及人民生活水平不断的提高,汽车已经逐渐的普及。
同时,人们对汽车的性能和功能的要求也越来越高。
其中汽车防盗门禁系统的安全性和智能化最具有代表性。
近年来,汽车电子行业的迅猛发展使得这种系统成为可能。
传统的门控系统称作遥控门禁系统,即所谓的RKE(RemoteKeylessEntry),目前被大多数汽车使用,但其要求驾驶员按下开锁按钮,方可进入汽车。
但在驾驶员不方便拿出钥匙按下按钮时,比如驾驶员刚从商场出来,双手都拿了东西。
再比如驾驶员一手抱小孩,一手拿雨伞,就显得十分麻烦。
而被动无匙门禁系统则能很好的解决以上问题,被动无匙门禁系统即所谓的PKE(PassiveKeylessEntry),该系统无需人为干预,当配有感应钥匙的车主靠近装有无线收发器的汽车时,感应钥匙与无线收发器自动进行双向交互式通信,完成身份验证过程,从而达到自动开锁的目的。
很多的遥控门禁系统使用的加密技术是固定码加密技术,它依靠增加固定码的长度和加密算法的复杂度来保证安全性。
这显然不能满足人们对于汽车安全的要求。
而基于滚动码加密技术的被动无匙门禁系统则能很好的解决安全性方面的问题。
滚动码加密的原始代码虽相同,但每次所传输的代码却千差万别,其安全性取决于加密密匙的安全性。
这种加密技术已经发展得较为成熟,有些芯片厂商已经这种数据加密技术集成于芯片内部[1]。
随着电子技术和汽车行业的迅猛发展,传统的遥控门禁系统已经无法满足广大用户的需求。
免持式被动无匙门禁系统正迅速成为汽车远程无匙门禁应用的主流,并成为了新型汽车的普遍选择。
在汽车装配有PKE智能钥匙系统的情况下,车主只要靠近汽车或者轻碰一下汽车门,车门就能自动打开。
PKE智能钥匙系统是汽车智能化、信息化、电子化的具体体现,提高了汽车整体的安全性、可靠性、舒适性,具有极佳的应用市场前景和巨大的潜在经济效益。
1.2国内外研究现状
在汽车电子方面,国外起步比较早,对被动门禁系统的研究和开发也比较成熟。
各大半导体公司根据自己的芯片的特点,设计了各种专门的芯片,并且提供了各自的被动门禁系统的解决方案。
国内汽车电子的起步比较晚,被动门禁系统的技术也相对不成熟,目前国内该系统还没有大规模的装车使用[2]。
汽车安全与电子化开始于1994年的引擎防盗,NXP(恩智浦半导体公司)是第一家把RFID(RadioFrequencyIdentification)电子标签技术成功的应用于汽车电子引擎中的半导体公司,这种系统是通过汽车与钥匙间的125KHz的无线通信实现电子身份识别,来控制汽车的引擎。
这一技术极大的提高了汽车的安全性,很快它就在欧洲以及北美地区广泛应用,并在后来短短几年时间内让欧洲的汽车失窃率大幅降低了90%,因而成为了整个欧洲的汽车标准配置。
遥控钥匙的出现为人们带来了很好的用户体验,满足了人们对便利性及舒适性的要求,但是由于其采用的是射频单向通讯的技术,所以在安全性上有其自身的不足。
恩智浦半导体公司适时推出的集成方案把引擎防盗和遥控钥匙集成在一起,用一个集成芯片来实现,这样既提高了系统的安全性,又降低了整个钥匙的成本,因此这种方案逐渐替代独立的遥控钥匙成为欧美日市场上的主流方案。
TI(德州仪器公司)推出的新一代低功耗PKE加密收发器方案,不仅具有身份识别的功能,而且还能验证这种识别的正确性,在这一系统中存储有经授权的备用钥匙数目、学习过程的日期和时间以及其它背景信息,更加增添了收发器的安全特性。
此外,通过集成的RFID器件,TI的这一方案还实现了无钥匙进入的功能,驾驶者只要随身携带的识别器内含一个或多个与RFID器件相连的天线,即可在车主接近或触摸门把手时自动识别驾驶者并打开车锁。
Microchip公司推出了基于PIC16F639单片机的解决方案。
PIC16F639芯片是专门为被动门控系统而设计的一款芯片。
其中集成的模拟前端用于接收汽车收发器发出的低频信号。
而且芯片集成的滚动码加密芯片HCS365能对发送的数据进行快速的加密。
有效的保证了数据的安全性。
此外,除了汽车电子防盗以外,在一些高档车中还出现了密码锁、生物锁和GPS卫星定位系统等更为先进的防盗方式。
比如雪铁龙休旅车Evasion在每次启动前都需要输入密码,在经确认无误后才能启动车辆,车主可以随时更改密码,以防密码被他人破解。
生物锁则是将声音、指纹等人体的生物特征作为输入密码信息,由计算机进行识别并控制开锁。
与此同时,还有一些汽车制造商将GPS卫星定位技术与全球移动通信系统GSM(globalsystemformobilecommunications)结合在一起,实现车辆的定位、网络防盗、远程熄火与远程操控车辆等功能,达到进一步提升了汽车的防盗能力的目的。
1.3课题研究的目的与意义
为了解决传统汽车门控系统诸多的性能问题,提高系统的可靠性和便捷性。
本文将基于单片机的无线通信技术与滚动码加密技术相结合,设计了新型的被动无匙系统。
该系统应解决以下几个问题[3]:
1、实现被动式的自动开锁和关锁功能。
2、达到用户可以接受的系统功耗。
3、系统有一定的抗干扰性能。
4、在恶意数据攻击下保证一定的数据安全性。
5、系统具有一定的可扩展性。
被动式体现了自能化,滚动码加密技术保证了系统的安全性。
因此,被动无匙门禁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。
1.4主要研究内容
本课题将短距离无线电技术与滚动码加密技术相结合,设计了一种基于低功耗单片机的被动无匙门禁系统。
系统由无线车载模块和钥匙模块组成。
将低频唤醒功能加入传统的无线遥控器中,实现了将单向的主动无线通信转变成双向的被动无线通信,并利用滚动码加密数据,从而实现了被动无匙门禁系统。
本文先给出了具体的硬件电路设计并详细的分析了电路的原理。
然后给出了系统软件实现的流程并根据流程设计了程序代码,其中给出了滚动码加密和解密的具体算法。
然后根据实际的硬件调试结果及系统的性能分析,探讨了无线通信中的硬件和软件抗干扰技术。
最后对本课题所做的全部工作做了个总结,并对系统的应用前景做了展望。
本课题涉及到了无线数据的发射接收,因此对系统的抗干扰性能有一定的要求,无线通信与有线通信最大的难点和区别在于,无线通信容易受到干扰,数据接受容易出错,甚至数据通信中断。
因此必须在系统的硬件和软件设计时考虑增加系统抗干扰的性能。
低功耗是系统的重要指标,钥匙模块要求携带方便,所有必须做得尽可能的小,这就决定了钥匙工作时要尽可能的低功耗,而且在大多数时间中钥匙处于休眠模式,只有当有需要时才被唤醒。
同时由于所传输的数据涉及到用户的敏感信息,所以必须对数据进行安全的加密措施,防止由于信息泄露造成的损失。
滚动码技术克服了固定码的缺点,并且硬件的实现很方便,不需要编写软件算法。
第2章智能无匙门控系统的总体设计
2.1引言
基于单片机的短距离无线数据通信技术,一般使用数字信号单片射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件构成。
低成本,低功耗,对等通信是其三个重要特点。
因其功率小,开发简单而应用广泛,但其传输速率、流量都较小,较适合搭建小型网络,在工业,民用领域使用较广[4]。
实际上PKE系统是RKE系统的进化的下一代产品,PKE系统继承了RKE系统的绝大多数的功能与特点,同时还添加了被动式自动开启门锁等功能,其作为下一代的防盗技术正在不断发展壮大。
目前其应用不仅在高端档次车市厂,而且逐渐地在中端档次车型应用,不仅奔驰、宝马等豪华车,而且奥迪、丰田等中档次车也相继采用此种防盗技术,就连奇瑞、江淮等国内的汽车生产商也开始研究和装配该种防盗技术产品。
2.2系统总体设计
本被动无钥匙门禁系统在传统的遥控门禁系统的基础上发展而来,通过引入低频唤醒来实现高低频双向通信,以到达自动开锁的功能。
因为电路中有高频通信,所以对于微控制芯片的选择十分重要。
由于51单片机工作时会产生较大的高频干扰信号,对系统信号的影响十分明显,而PIC系列的单片机就不存在这样的问题。
另一方面,由于系统对于功耗的要求十分敏感,系统的功耗不能太大,而PIC系列的单片机普遍的功耗都不是很的,所有十分适合用来设计高频电子电路。
2.2.1系统总体结构
本系统将无线电通信技术与滚动码加密技术相结合,基于Microchip公司的PIC16F639单片机和无线接收模块设计了一种可以进行高频和低频双向通信的系统。
系统由车载无线模块和钥匙感应模块组成,车载无线模块由微控制器和无线低频发射模块和高频接收模块组成,钥匙感应模块由微控制器和高频发射模块组成。
低频模块的发射频率为125KHz,感应距离为1到2m。
高频发射模块发射频率为433MHz,接收模块采用超再生模块,传输距离能达到100m。
系统的总体结构图如2-1所示。
图2-1PKE系统的总体结构图
2.2.2系统工作流程
系统设计有自动开关锁的功能,在汽车门关闭且上锁后,车辆中的基站单元不停地间断发送一条编码为125KHz的低频报文以搜寻并唤醒一定范围内的应答器,如果汽车长时间没能够接收到感应钥匙发回来的响应信号,则进入休眠状态一段时间在发射唤醒信号。
一旦车主身上的应答器识别到合法的唤醒信号,它就会自动发送一条频率为433MHz的射频滚动码编码报文,基站单元在收到该报文后对其进行解码,如果识别成功,将控制指令执行机构打开车门。
在汽车开锁后若未收到应答器的响应信号,如此时汽车门关闭则关锁,如汽车门未关闭则报警提示。
其中滚动码的加密标准采用的是Microchip的Keeloq编码技术,PIC16F639已将该加密算法集成在其内部。
同时,感应钥匙具有传统钥匙的遥控功能,当感应钥匙检测到有按键被按下时,就会通过高频模块将按键信息发送出去,无线收发器收到来自合法感应钥匙的控制信号,就会执行相应的动作,比如说开锁、关锁,开尾箱等功能。
其实来自与无线收发器的合法的低频唤醒信号,就相当于按下了感应钥匙上的一个虚拟的按键。
系统留有扩展口可以通过CAN总线将模块与汽车的网络相连接,从而实现模块与汽车网络的通信。
2.3车载无线模块介绍
车载无线模块用来发射低频的唤醒信号和接收高频信号,同时还要与汽车内部网
络进行通信将接收到的控制信号传递给汽车并执行,同时汽车网络也能控制无线模块的发射与接收与否。
车载无线模块的微控制芯片采用的是Microchip公司的PIC18F2680单片机,与PIC16F639单片机配对实现系统功能。
低频模块是由功率放大芯片TC4422构成的发射电路。
高频接收采用的是433MHz的超再生接收模块。
2.3.1PIC18F2680单片机
PIC18F2680单片机是车载无线模块上的微控制芯片,主要负责高频信号的接收和低频信号的发送。
由于微控制芯片没有集成滚动码的解密模块,因此它还要负责滚动码的接收和软件解码的任务,同时好要对所接受的信息做出判断与处理并执行相应的动作。
因此对单片机的资源要求较高。
8位低功耗单片机PIC18F2680具有以下的突出特点[12]:
1、低功耗,空闲模式下电流低于5.8uA,睡眠模式下电流低于0.1uA;
2、宽泛的工作电压,2.0V至5.5V;
3、内置一个CPP1模块,可实现脉宽调制输出;
4、丰富的中断资源和I/O接口,提供不同级的中断;
5、快速的CAN总线接口,数据比特率高达1Mbps;
单片机的各个引脚的功能如图2-2所示。
图2-2PIC18F2680单片机
2.3.2低频发射模块
低频模块用于发射125KHz的低频唤醒信号,PIC18F2680单片机通过脉宽调制
输出125KHz的信号,通过功放TC4422放大信号并经过LC震荡电路发射出去。
功放TC4422是9A的高速MOSFET驱动器,最高输出电流可达9A。
它有宽泛的工作电压:
4.5V至18V,1.4Ω的低输出阻抗,驱动电流很低。
2.3.3高频接收模块
因为遥控与无线数据通信不同,遥控信号中信息量少并且可以使用脉宽编码调制等方式使用超再生接收电路,目前实际使用的很多遥控器电路都是使用超再生接收机的。
高频接收模块采用超再生接收模块。
其主要的技术指标如下:
调制方式为调幅,工作频率433MHz,工作电压直流5V供电,静态电流小于5mA,输出为TTL电平。
接收灵敏度为-106dbm。
接收模块本身不带解码集成电路,因此接收电路仅是一种组件,只有应用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用,这种设计有很多优点,它可以和各种解码电路或者单片机配合,设计电路灵活方便。
2.4钥匙模块介绍
钥匙模块用于接收低频信号和发射发送高频滚动码,对接收到的低频信号的序列值进行验证,如果与自己存储的序列号不一致,则忽略。
若一致则启动滚动码的发射。
发送的滚动码中包括序列号、按键值、同步码等信息。
模块的低频接收是依靠的PIC16F639的模拟前端,而高频发射是靠的超再生接收模块。
2.4.1PIC16F639单片机
PIC16F639是Microchip公司生产的8位低功耗CMOS单片机,其作为钥匙模块的核心的控制芯片。
单片机的各个引脚的功能如图2-3所示。
图2-3PIC16F639单片机
由于其集成了模拟前端,所以低频接收电路只需用少量的外围器件即可实现。
另外其集成了滚动码加密模块,不用编写加密程序。
它的主要的特性如下[11]:
1、具有省电的休眠模式,2V下的典型电流为2nA;
2、宽工作电压范围(2.0V-5.5V);
3、软件可选的工作频率范围:
8MHz到31KHz;
4、具有Keeloq兼容的硬件加密模块;
5、可编程的低频模拟前端,具有3个模拟输入引脚,用于125KHz输入;
2.4.2高频发射模块
常见的模拟调制方式有调幅、调频和调相三种方式,常见的数字调制方式有频移键控、幅移键控等方式。
OOK调制方式即幅移键控虽然性能比较差,但是电路很简单实现起来也容易,并且工作稳定,因此被广泛应用于无线防盗和保安领域。
如汽车、摩托车的报警器,仓库大门的门禁,以及家庭保安系统中,大多使用这一类型电路。
采用无线数字传输模块如(nRF905、nRF401)虽然对于高速率、大数据量的数字信号无线传输不成问题,但是其固有地址编码和通信模式控制,多数是采用SPI总线来完成的。
对内部集成了SPI接口的单片机而言,这至少要占用3个引脚来完成SCK、MOSI、MISO的功能。
而对于没有内部集成SPI接口的单片机,还需要通过软件来模拟SPI接口。
这样就会造成单片机的引脚和内部程序空间的浪费。
同时数字传输模块的价格在低成本模块设计时也是一个必须考虑的问题。
本设计所采用的高频发射频率为433MHz,可选用的稳频网络有LC振荡器、晶体振荡器、声表面波谐振器(SAWF)等。
其中虽然LC振荡器Q值最小并且可用的带宽相对较大,但是其频率稳定度受到元器件参数的影响比较大,这给调试和使用带来了很大的不便。
虽然晶体振荡器的频率稳定度高,但是高频晶体振荡器在加工时存在着一定的困难。
而与晶振电路相比,声表振荡电路要简单得多。
声表面波谐振器用石英晶体或压电陶瓷作基底,在其上镀有又指换能器(IDT)和反射栅,产生声信号时间延迟或振荡,构成声表面波延迟线或谐振器。
其通过压电材料选取和又指换能器等参数设计,可以产生不同的声表面波频率特性,它是一种滤波器件,其振荡特性正好能满足设计要求。
由于使用了声表器件,电路的工作非常稳定,即使手抓天线、声表器或电路其他部位,发射频率均不会漂移。
2.5滚动码加密介绍
DES(DataEncryptionAlgorithm)是当前使用比较普遍的加密算法,此技术加密效果比较好,安全得到了保障。
DES算法为密码体制中的对称密码体制,又称为美国数据加密标准,是1972年美国IBM公司所研制的对称密码体制加密算法。
它把明文按64位进行分组,密钥长为64位,密钥事实上是56位参与DES运算分组后的明文组和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文组的加密方法。
滚动码就是是基于AES的加密算法[9]。
设计采用了是Microchip公司的Keeloq加密算法机制,它是通过引入随机数,改进算法,并给出了在单片机中的实现方案。
滚动码当前主要用在RKE系统中,用来对身份验证进行验证。
滚动码在传输代码之前采用了先进的非线性位加密技术并产生具有极高保密性的滚动编码。
每一次发送的代码都是唯一的、不规则的、且不会重复,使得任何通过非法捕捉和扫描跟踪等破译手段都行不通,对于滚动码加密的数据来说,只要他人无法读取固化在芯片中的密钥和序列号,就不能复制遥控器,由于码位组合非常多,用地址扫描的方法平均也需要1万亿年才能解码出来。
滚动码每次发出来的密码完全不同,并且也无法推测,用捕捉器的方法也行不通。
充足的厂商代码和序列号可以让每个厂家生产出来的每个无线配件都是唯一的,从而避免了遥控器重复的问题。
2.6本章小结
本章主要提出了PKE系统的总体结构,对系统的工作流程也进行了比较详细的介绍,对车载无线模块和钥匙模块的微控制芯片的主要的性能及各个发射和接收模块进行了介绍。
最后对滚动码的加密进行了简单的描述。
3章
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