汽車(chē)遙控鑰匙(RKE)的原理與應用

遙控鑰匙(RKE)的為人們帶來(lái)了很好的用戶(hù)體驗，滿(mǎn)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(shù)限制，在安全性上有其自身的不足。恩智浦半導體(以下簡(jiǎn)稱(chēng)NXP)適時(shí)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(lái)實(shí)現，既提高了系統的安全性，又降低了整個(gè)鑰匙的成本，逐漸替代獨立的遙控鑰匙成為歐美日市場(chǎng)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(méi)有本質(zhì)的提高。

2003，NXP推出了無(wú)鑰匙系統(PKE或稱(chēng)PEPS)，徹底改變了汽車(chē)安防應用領(lǐng)域的發(fā)展前景，給用戶(hù)帶來(lái)了全新舒適與便利的體驗：車(chē)主在整個(gè)駕車(chē)過(guò)程中都完全不需要使用鑰匙，只需要隨身攜帶。當車(chē)主進(jìn)入車(chē)子附近的有效范圍時(shí)，車(chē)子會(huì )自動(dòng)檢測鑰匙并進(jìn)行身份識別，如成功會(huì )相應的打開(kāi)車(chē)門(mén)或后備箱;當車(chē)主進(jìn)入車(chē)內，只需要按引擎啟動(dòng)按鈕，車(chē)子會(huì )自動(dòng)檢測鑰匙的位置，判斷鑰匙是否在車(chē)內，是否在主駕位置，如成功則發(fā)動(dòng)引擎。千萬(wàn)不要小瞧這個(gè)看似不起眼的改變，它在簡(jiǎn)化你的生活方面發(fā)揮著(zhù)重大作用。無(wú)鑰匙系統絕不僅僅是帶來(lái)了舒適與方便，其在安全性方面也有了本質(zhì)的提高，通過(guò)低頻和射頻的雙向通訊，汽車(chē)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(lèi)似，要遠好于傳統的遙控鑰匙。從2003年少量高端車(chē)型成功量產(chǎn)無(wú)鑰匙系統開(kāi)始，全球市場(chǎng)用了兩到三年的時(shí)間推廣普及這一技術(shù)，目前，幾乎全球每一個(gè)主流車(chē)廠(chǎng)都有應用NXP的無(wú)鑰匙產(chǎn)品，覆蓋中高端的車(chē)型，甚至是低端車(chē)型。

我們一起看一下這一技術(shù)到底是如何實(shí)現的。如圖二所示，無(wú)鑰匙系統共需要檢測判斷三種區域：灰色的車(chē)外區域，淡粉色的車(chē)內區域以及灰白色的主駕位置。其中灰色的陰影區包括三部分，分別表示主駕，副駕，后備箱的車(chē)門(mén)控制的有效區域，當車(chē)主帶著(zhù)鑰匙進(jìn)入這一位置時(shí)，車(chē)子跟鑰匙間就可以建立起有效通訊，通過(guò)低頻信號的場(chǎng)強檢測，車(chē)子可以判斷出鑰匙的相應位置，由此決定打開(kāi)對應的車(chē)門(mén)。淡粉色的車(chē)內區域是整個(gè)PKE系統設計的難點(diǎn)，要精確的判斷鑰匙是否在車(chē)內，來(lái)決定車(chē)門(mén)狀態(tài)以及發(fā)動(dòng)機是否可以啟動(dòng)。在一些高端車(chē)型的設計中還會(huì )檢測灰白色的主駕區域，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(dòng);另外還可能包括后備箱內區域的檢測，為防止鑰匙被誤鎖入后備箱。

綜上所述，我們可以發(fā)現在無(wú)鑰匙系統中，區域檢測是一個(gè)非常重要且區別于以往各種汽車(chē)安防產(chǎn)品的技術(shù)，因而區域檢測的精度就成為衡量一個(gè)無(wú)鑰匙系統好壞的重要參數。目前市場(chǎng)上主要有兩種相應技術(shù)，其一是通過(guò)調節低頻信號靈敏度強弱進(jìn)而根據通訊是否穩定進(jìn)行模糊判斷，其精度有限但實(shí)現方便;其二是基于接收低頻信號的強度檢測來(lái)判斷，即RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)，根據低頻信號的大小來(lái)計算鑰匙與車(chē)內低頻天線(xiàn)的相對距離，通過(guò)多根低頻天線(xiàn)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(shù)。為達到理想的性能參數，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(guò)多點(diǎn)采樣平均來(lái)消除噪聲干擾，目前已經(jīng)實(shí)現的最好的車(chē)內車(chē)外檢測精度高達2cm。目前，車(chē)廠(chǎng)通常要求的車(chē)內車(chē)外檢測精度為5～10cm。

無(wú)鑰匙系統的結構框圖如圖三所示，左側為汽車(chē)端，包括主控制器(BodyControlUnit)，車(chē)門(mén)把手和后備箱把手觸發(fā)模塊，引擎一鍵啟動(dòng)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(gè)綠色的模塊主要是用來(lái)觸發(fā)整個(gè)系統，當車(chē)主拉動(dòng)車(chē)門(mén)或按下一鍵啟動(dòng)按鈕，相應的模塊會(huì )發(fā)送中斷信號來(lái)喚醒主控MCU，開(kāi)始整個(gè)通訊過(guò)程。常見(jiàn)的無(wú)鑰匙系統工作模式分兩大類(lèi)：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成本和系統性能，例如整個(gè)系統的響應時(shí)間。引擎防盜基站模塊是低頻通訊模塊(125KHz)，用來(lái)實(shí)現跟鑰匙的近距離通訊，發(fā)動(dòng)引擎，這一功能是備用方案，又稱(chēng)“無(wú)電模式”，只有在鑰匙電池耗盡或者有意外干擾無(wú)鑰匙系統導致無(wú)法正常工作時(shí)才會(huì )采用。

這種情況下，用戶(hù)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(jìn)行身份認證來(lái)啟動(dòng)引擎。NXP的無(wú)鑰匙系統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的可靠性而且不需要額外增加成本，具體細節后續還會(huì )提到。