用于汽車(chē)防盜器的低功耗無(wú)匙進(jìn)入加密收發(fā)器技術(shù)

本文分析了不斷變化的汽車(chē)盜竊手段，以及相應(yīng)的汽車(chē)防盜技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)介紹了TI最新的汽車(chē)防盜解決方案—DST+收發(fā)器的加密技術(shù)及系統(tǒng)組成，并闡述了與之兼容的新一代射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)方案—三維天線(xiàn)模擬前端芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)匙進(jìn)入的工作原理。

由于消費(fèi)者追求更高的安全度，基于收發(fā)技術(shù)的電子防盜器已成為歐洲機(jī)動(dòng)車(chē)輛的標(biāo)準(zhǔn)配置。緊隨歐洲，加拿大也頒布了一項(xiàng)關(guān)于防盜系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。盡管在美國(guó)，安裝防盜器目前還屬自愿行為，但也正成為汽車(chē)制造商的一種促銷(xiāo)手段。另外，有關(guān)日本的團(tuán)伙犯罪和盜車(chē)情況的報(bào)告近期公布后，日本汽車(chē)制造商也面臨著本地產(chǎn)品加緊安裝防盜系統(tǒng)的問(wèn)題。

即將面世的新一代收發(fā)器具有特殊的診斷功能，即已獲授權(quán)者在讀取鑰匙中的保密信息時(shí)，能夠得到該防盜系統(tǒng)的歷史信息。系統(tǒng)中經(jīng)授權(quán)的備用鑰匙數(shù)目、學(xué)習(xí)過(guò)程的時(shí)間印記以及其它背景信息，將成為收發(fā)器安全特性的組成部分。

特殊的集成電路還提供其它便利功能，如“無(wú)匙進(jìn)入”。此項(xiàng)功能已在汽車(chē)業(yè)中討論了一段時(shí)間。經(jīng)過(guò)多年的汽車(chē)安全和RFID(射頻識(shí)別)方面的技術(shù)開(kāi)發(fā)，終于可將多路天線(xiàn)結(jié)構(gòu)做在只消耗一節(jié)電池的識(shí)別裝置內(nèi)(例如鑰匙鏈、信用卡)。針對(duì)低頻應(yīng)用的模擬前端處理機(jī)與這些天線(xiàn)結(jié)構(gòu)相連，所支持的功能基本上與器件的方向無(wú)關(guān)，而且天線(xiàn)體積極小，功耗也大為降低。

收發(fā)器的更新?lián)Q代

加密收發(fā)器是用于防盜器上的第二代收發(fā)器，幾乎完全取代了第一代只讀收發(fā)器。TI公司的數(shù)字簽名收發(fā)器(DST)就是一個(gè)例子，其查詢(xún)/響應(yīng)技術(shù)可確保最高安全度。第三代收發(fā)器正致力于將遙控?zé)o匙進(jìn)入功能與防盜器收發(fā)功能相合，以降低相關(guān)成本。

到目前為止，從車(chē)輛被盜情況的分析中可以判斷，收發(fā)器并無(wú)被解密的跡象，這證實(shí)目前的汽車(chē)市場(chǎng)達(dá)到了很高的安全標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在的焦點(diǎn)是如何防止與盜竊車(chē)輛相關(guān)的欺詐行為。

通過(guò)細(xì)致研究，可簡(jiǎn)單歸結(jié)出以下幾種與收發(fā)器有關(guān)的偷盜手段：

復(fù)制備用鑰匙。一個(gè)不誠(chéng)實(shí)的司機(jī)可以謊稱(chēng)丟了鑰匙而向汽車(chē)商索要新鑰匙。假設(shè)在最初買(mǎi)車(chē)時(shí)，司機(jī)得到3把鑰匙，他可以通過(guò)兩次假裝報(bào)失而得到總共5把鑰匙。它們外表一模一樣且都包含一個(gè)有效收發(fā)器。與買(mǎi)車(chē)時(shí)一樣，系統(tǒng)仍只接受3把鑰匙。這樣一來(lái)司機(jī)可以把其中有效的2把鑰匙交給犯罪同伙，而向保險(xiǎn)公司出示另外3把，使別人認(rèn)為防盜系統(tǒng)被破解了。
有些汽車(chē)制造商用中央數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)跟蹤備用鑰匙。其優(yōu)點(diǎn)之一在于，即使汽車(chē)被盜，仍可獲取備用鑰匙和鑰匙總數(shù)的相關(guān)信息。通過(guò)這些信息可以了解原裝和備用鑰匙的總數(shù)目。然而，要維護(hù)這樣一個(gè)中央數(shù)據(jù)庫(kù)需要高額費(fèi)用和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，因此大多數(shù)汽車(chē)制造商望而卻步。DST+是TI公司的第四代收發(fā)器，它將歷史和診斷數(shù)據(jù)都分散儲(chǔ)存在每一把鑰匙中，使得汽車(chē)制造商避免了建立及維護(hù)中央數(shù)據(jù)庫(kù)的投資。

租車(chē)時(shí)做手腳。租到汽車(chē)后，復(fù)制幾把機(jī)械鑰匙，取出原裝車(chē)匙中的收發(fā)器，粘在電子鎖天線(xiàn)附近(如儀表板下面)。這樣，電子鎖總可以探測(cè)到“有效的”收發(fā)器信號(hào)，由于汽車(chē)僅需機(jī)械鑰匙即可打開(kāi)，因此日后極易失竊。
這使鑰匙生產(chǎn)商面臨挑戰(zhàn)，他們必須開(kāi)發(fā)出把車(chē)鑰匙和收發(fā)器裝配在一起的新方法，以致不破壞鑰匙或其功能就無(wú)法取出收發(fā)器。

一種更先進(jìn)的盜車(chē)手段還與查表有關(guān)。假設(shè)可以在幾天或幾小時(shí)內(nèi)擁有鑰匙，就可以用先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)工程設(shè)備向收發(fā)器發(fā)送查詢(xún)信號(hào)并讀取其響應(yīng)，建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)用以?xún)?chǔ)存對(duì)不同查詢(xún)的響應(yīng)。然后，竊賊就可能通過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)在車(chē)內(nèi)獲取電子防盜器對(duì)查詢(xún)信號(hào)發(fā)出的正確響應(yīng)，然后可至少發(fā)射出一次能獲得正確響應(yīng)的查詢(xún)信號(hào)，打開(kāi)汽車(chē)。不過(guò)，這種手段的成功率較低。

DST+提供一個(gè)相互認(rèn)證的過(guò)程，相關(guān)的協(xié)議保證收發(fā)器不響應(yīng)任何查詢(xún)信號(hào)。收發(fā)器會(huì)驗(yàn)證請(qǐng)求信號(hào)是否來(lái)自經(jīng)過(guò)授權(quán)的有效基站，因此，查表盜車(chē)手段將毫無(wú)作用。

第四代收發(fā)器

新一代收發(fā)器著眼于汽車(chē)歷史追蹤、盜后診斷、防止“查表”盜車(chē)，并具有更大的數(shù)據(jù)或汽車(chē)資料的存儲(chǔ)空間。

收發(fā)器中專(zhuān)用的以特殊密碼進(jìn)行保護(hù)的存儲(chǔ)區(qū)，可使銷(xiāo)售商(如汽車(chē)制造商)得到有關(guān)汽車(chē)鑰匙和安全系統(tǒng)的背景資料。其特性有以下幾點(diǎn)：

顯示學(xué)習(xí)過(guò)程的日期和時(shí)間印記；

不可復(fù)位的步進(jìn)計(jì)數(shù)器，可追蹤該系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)的汽車(chē)鑰匙總數(shù)；

汽車(chē)的識(shí)別碼。

對(duì)新車(chē)鑰匙的特殊學(xué)習(xí)過(guò)程，使汽車(chē)生產(chǎn)商光從汽車(chē)鑰匙處便可得到安全系統(tǒng)的相關(guān)資料，而不必進(jìn)入汽車(chē)安全系統(tǒng)或使用中央數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣就有可能實(shí)現(xiàn)兩種功能：1.檢測(cè)汽車(chē)鑰匙對(duì)安全系統(tǒng)是否仍然有效，防止將無(wú)效的鑰匙用于欺詐行為；2.查明已被安全系統(tǒng)禁用的鑰匙再次插入鎖孔并試圖啟動(dòng)引擎。這一信息將被編碼并存儲(chǔ)在專(zhuān)用的“防盜字節(jié)”中。

以上功能由收發(fā)器的相互認(rèn)證協(xié)議支持。如前所述，這種安全機(jī)制拒絕接入未經(jīng)授權(quán)的基站。這一技術(shù)與復(fù)雜的、專(zhuān)用于汽車(chē)安全的鑰匙等級(jí)體系相結(jié)合，可保證只有經(jīng)授權(quán)的部門(mén)才能讀取機(jī)密數(shù)據(jù)。

新一代無(wú)匙進(jìn)入系統(tǒng)

要開(kāi)發(fā)出無(wú)機(jī)械鑰匙的汽車(chē)，首先要開(kāi)發(fā)無(wú)匙進(jìn)入系統(tǒng)。新一代無(wú)匙進(jìn)入系統(tǒng)不同于以往的遙控?zé)o匙進(jìn)入系統(tǒng)，它可在用戶(hù)接近或觸摸門(mén)把手時(shí)即可自動(dòng)識(shí)別駕駛者并打開(kāi)車(chē)鎖。射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這種便利，并保證系統(tǒng)在任何情況下都能正確識(shí)別駕駛者。駕駛者隨身攜帶的識(shí)別器(通常是鑰匙鏈或信用卡形狀的裝置)，內(nèi)含一個(gè)或多個(gè)與RFID器件相連的天線(xiàn)?；咎炀€(xiàn)與這些天線(xiàn)耦合，為附近(比如50cm區(qū)域)的識(shí)別裝置提供磁場(chǎng)能量，可實(shí)現(xiàn)無(wú)電池備用功能。在遠(yuǎn)距離范圍(如200cm)，識(shí)別裝置中的天線(xiàn)接收經(jīng)基站放大和處理過(guò)的數(shù)據(jù)。圖1為采用TI的三維天線(xiàn)模擬前端(3D AFE)的無(wú)匙進(jìn)入系統(tǒng)框圖。

磁環(huán)天線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)引起眾所周知的場(chǎng)分布，并在基站天線(xiàn)和識(shí)別裝置天線(xiàn)間形成耦合良好和完全無(wú)耦合的區(qū)域。無(wú)耦合的區(qū)域內(nèi)當(dāng)然沒(méi)有任何數(shù)據(jù)和能量傳遞，由于無(wú)匙進(jìn)入系統(tǒng)的識(shí)別裝置在磁場(chǎng)中的位置是隨機(jī)的，因此，必須采取相應(yīng)措施，盡量減小這種區(qū)域的范圍。

由基站產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是一種解決方案，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可由正交天線(xiàn)產(chǎn)生。但此方法較為復(fù)雜，還常常受到汽車(chē)內(nèi)天線(xiàn)空間小的限制。另一種替代方案較為簡(jiǎn)便，即采用三維天線(xiàn)模擬前端芯片，如TMS37122。此芯片對(duì)來(lái)自多達(dá)三個(gè)天線(xiàn)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，如果天線(xiàn)正交放置，就可解調(diào)來(lái)自x、y和z三個(gè)座標(biāo)的數(shù)據(jù)信息。這樣，即使汽車(chē)內(nèi)的基站天線(xiàn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)型的環(huán)形天線(xiàn)，也可使無(wú)耦合的區(qū)域最小。不管磁場(chǎng)中的識(shí)別裝置朝什么方向，總有一個(gè)天線(xiàn)能接收到足夠強(qiáng)的信號(hào)，覆蓋所需的工作范圍。另外，一個(gè)外部微控制器處理有關(guān)的協(xié)議，并響應(yīng)三個(gè)天線(xiàn)接收的超高頻(UHF)身份查詢(xún)信號(hào)。

圖2即為三維天線(xiàn)模擬前端芯片—TMS37122的框圖。如圖所示，TMS37122最多可與三個(gè)低品質(zhì)因數(shù)的天線(xiàn)電路相連。這三個(gè)天線(xiàn)均可接收125kHz到135kHz的低頻信號(hào)，其中一個(gè)天線(xiàn)信道(RF1)提供調(diào)制功能。這個(gè)天線(xiàn)可利用頻移鍵控(FSK)技術(shù)傳送低頻數(shù)據(jù)，因此與現(xiàn)有的收發(fā)器調(diào)制技術(shù)兼容。該調(diào)制功能常用于無(wú)電池的后備模式，當(dāng)鑰匙電池電力不足時(shí)，基站通過(guò)磁場(chǎng)為識(shí)別裝置提供能量。

高于某一閾值的低頻載波信號(hào)觸發(fā)內(nèi)部控制單元，以便檢測(cè)三個(gè)輸入信道RX1、RX2和RX3。一項(xiàng)特殊的協(xié)議可實(shí)現(xiàn)信道RXi的組合/選擇，并在很寬的工作范圍，確保性能得到提高。

內(nèi)部觸發(fā)之后，控制單元一直監(jiān)視代表喚醒模式的射頻信號(hào)，僅在接收到存儲(chǔ)于該器件EEPROM中的喚醒模式信號(hào)時(shí)，才會(huì)對(duì)外部微控制器發(fā)出喚醒信號(hào)，隨后將解調(diào)數(shù)據(jù)傳送給微控制器。另外，將載波時(shí)鐘信號(hào)恢復(fù)就可以用作微控制器測(cè)量的時(shí)間基準(zhǔn)，此技術(shù)能將備用電源的功耗降到最低。

無(wú)匙進(jìn)入系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一是探測(cè)收發(fā)器的位置，尤其是區(qū)分它在車(chē)內(nèi)還是車(chē)外。TMS37122器件提供了解決該問(wèn)題的復(fù)雜內(nèi)置功能。

本文總結(jié)

電子鎖自1993年問(wèn)世以來(lái)，汽車(chē)射頻識(shí)別收發(fā)器市場(chǎng)迅速壯大。如今，安全和便利兩大需求的增長(zhǎng)推動(dòng)了這一市場(chǎng)的新發(fā)展，不斷向射頻識(shí)別供應(yīng)商提出新的挑戰(zhàn)。隨著密碼技術(shù)的引入，以及與遙控?zé)o匙進(jìn)入功能的融合，第四代收發(fā)器已經(jīng)誕生。

隨著無(wú)匙進(jìn)入系統(tǒng)在市場(chǎng)上取得成功，并大量應(yīng)用于低檔汽車(chē)中，出現(xiàn)了可連接多達(dá)三個(gè)天線(xiàn)的多功能IC方案，它可處理所有協(xié)議并與第四代收發(fā)器技術(shù)完全兼容，而且在提高安全度的同時(shí)降低了成本。