汽車遙控鑰匙(RKE)的原理與應用

遙控鑰匙(RKE)的為人們帶來了很好的用戶體驗，滿足了人們對便利性及舒適性的要求，但由于其射頻單向通訊的技術限制，在安全性上有其自身的不足。恩智浦半導體(以下簡稱NXP)適時推出的集成方案(Combi)把引擎防盜和遙控鑰匙合二為一，用一顆芯片來實現(xiàn)，既提高了系統(tǒng)的安全性，又降低了整個鑰匙的成本，逐漸替代獨立的遙控鑰匙成為歐美日市場上的主流方案。當然，在射頻通訊上其依然保留單向通訊，安全性并沒有本質(zhì)的提高。

2003，NXP推出了無鑰匙系統(tǒng)(PKE或稱PEPS)，徹底改變了汽車安防應用領域的發(fā)展前景，給用戶帶來了全新舒適與便利的體驗：車主在整個駕車過程中都完全不需要使用鑰匙，只需要隨身攜帶。當車主進入車子附近的有效范圍時，車子會自動檢測鑰匙并進行身份識別，如成功會相應的打開車門或后備箱;當車主進入車內(nèi)，只需要按引擎啟動按鈕，車子會自動檢測鑰匙的位置，判斷鑰匙是否在車內(nèi)，是否在主駕位置，如成功則發(fā)動引擎。千萬不要小瞧這個看似不起眼的改變，它在簡化你的生活方面發(fā)揮著重大作用。無鑰匙系統(tǒng)絕不僅僅是帶來了舒適與方便，其在安全性方面也有了本質(zhì)的提高，通過低頻和射頻的雙向通訊，汽車與鑰匙之間可以完成復雜的雙向身份認證，在安全性方面與引擎防盜類似，要遠好于傳統(tǒng)的遙控鑰匙。從2003年少量高端車型成功量產(chǎn)無鑰匙系統(tǒng)開始，全球市場用了兩到三年的時間推廣普及這一技術，目前，幾乎全球每一個主流車廠都有應用NXP的無鑰匙產(chǎn)品，覆蓋中高端的車型，甚至是低端車型。

我們一起看一下這一技術到底是如何實現(xiàn)的。如圖二所示，無鑰匙系統(tǒng)共需要檢測判斷三種區(qū)域：灰色的車外區(qū)域，淡粉色的車內(nèi)區(qū)域以及灰白色的主駕位置。其中灰色的陰影區(qū)包括三部分，分別表示主駕，副駕，后備箱的車門控制的有效區(qū)域，當車主帶著鑰匙進入這一位置時，車子跟鑰匙間就可以建立起有效通訊，通過低頻信號的場強檢測，車子可以判斷出鑰匙的相應位置，由此決定打開對應的車門。淡粉色的車內(nèi)區(qū)域是整個PKE系統(tǒng)設計的難點，要精確的判斷鑰匙是否在車內(nèi)，來決定車門狀態(tài)以及發(fā)動機是否可以啟動。在一些高端車型的設計中還會檢測灰白色的主駕區(qū)域，鑰匙是否有效，主駕位置是否有人，避免諸如兒童誤操作導致的引擎啟動;另外還可能包括后備箱內(nèi)區(qū)域的檢測，為防止鑰匙被誤鎖入后備箱。

綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)在無鑰匙系統(tǒng)中，區(qū)域檢測是一個非常重要且區(qū)別于以往各種汽車安防產(chǎn)品的技術，因而區(qū)域檢測的精度就成為衡量一個無鑰匙系統(tǒng)好壞的重要參數(shù)。目前市場上主要有兩種相應技術，其一是通過調(diào)節(jié)低頻信號靈敏度強弱進而根據(jù)通訊是否穩(wěn)定進行模糊判斷，其精度有限但實現(xiàn)方便;其二是基于接收低頻信號的強度檢測來判斷，即RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)，根據(jù)低頻信號的大小來計算鑰匙與車內(nèi)低頻天線的相對距離，通過多根低頻天線交叉覆蓋范圍，精確定位鑰匙的具體位置。

NXP的產(chǎn)品全部采用第二種技術。為達到理想的性能參數(shù)，NXP提供了最小2.5mV的三維低頻接受前端的信號靈敏度，而典型的靈敏度值可以達到1mV。不同于其他解決方案的逐次逼近式(SuccessiveApproximation)ADC，NXP采用12位的Sigma-Delta(Σ-Δ)ADC，通過多點采樣平均來消除噪聲干擾，目前已經(jīng)實現(xiàn)的最好的車內(nèi)車外檢測精度高達2cm。目前，車廠通常要求的車內(nèi)車外檢測精度為5～10cm。

無鑰匙系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖三所示，左側(cè)為汽車端，包括主控制器(BodyControlUnit)，車門把手和后備箱把手觸發(fā)模塊，引擎一鍵啟動模塊，引擎防盜基站模塊(IMMOBasestation)，低頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊。其中三個綠色的模塊主要是用來觸發(fā)整個系統(tǒng)，當車主拉動車門或按下一鍵啟動按鈕，相應的模塊會發(fā)送中斷信號來喚醒主控MCU，開始整個通訊過程。常見的無鑰匙系統(tǒng)工作模式分兩大類：觸發(fā)模式和掃描模式(polling)，其中觸發(fā)模式分為機械觸發(fā)和電子感應觸發(fā)，這里需要綜合考慮系統(tǒng)成本和系統(tǒng)性能，例如整個系統(tǒng)的響應時間。引擎防盜基站模塊是低頻通訊模塊(125KHz)，用來實現(xiàn)跟鑰匙的近距離通訊，發(fā)動引擎，這一功能是備用方案，又稱“無電模式”，只有在鑰匙電池耗盡或者有意外干擾無鑰匙系統(tǒng)導致無法正常工作時才會采用。

這種情況下，用戶只需要手持鑰匙放在固定位置(例如凹槽)，鑰匙就可以跟基站建立通訊，進行身份認證來啟動引擎。NXP的無鑰匙系統(tǒng)PCF7952和PCF7953的一大特色就是芯片本身集成了引擎防盜功能，完全兼容NXP的所有Transponder產(chǎn)品，包含PCF7936。這極大的提高了系統(tǒng)的可靠性而且不需要額外增加成本，具體細節(jié)后續(xù)還會提到。