新款汽車(chē)防盜器設計原理及應用

摘要：為解決現有普通汽車(chē)電子防盜器采用固定頻率通信容易被破解及復制的問(wèn)題，利用具有載波頻率調制功能的射頻收發(fā)芯片nRF905設計了一款新的防盜器，該防盜器在通信過(guò)程中不斷改變通信頻率，使信息無(wú)法被干擾或截獲，防盜器很難被復制、破解，通過(guò)通信方案的優(yōu)化和程序設計增加了跳頻通信的可靠性，增加的雙向通信功能使車(chē)主能及時(shí)掌握汽車(chē)狀況及報警信息，并通過(guò)多傳感器檢測電路的設計增加了防盜器的可靠性，經(jīng)測試達到了良好的防盜效果。

0引言

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，汽車(chē)已逐步進(jìn)入家庭，而如何有效防止汽車(chē)被盜也成為車(chē)主比較關(guān)心的問(wèn)題。目前在汽車(chē)防盜器中，普通的電子遙控防盜器由于價(jià)格便宜占有很大的市場(chǎng)分額。但普通的電子遙控防盜器多為固定載波頻率通信，容易被干擾、截獲和破解。有報道說(shuō)一般的遙控鎖在30s內就可被專(zhuān)用的解碼器復制，1min內就可破解。普通的電子遙控防盜器多為單向通信，車(chē)主可以遙控汽車(chē)上鎖、解鎖，但汽車(chē)信息不能及時(shí)反饋給車(chē)主。

針對普通電子防盜器的不足，我們將軍事通信中應用的跳頻通信技術(shù)應用到汽車(chē)智能遙控防盜器的設計中。在通信過(guò)程中不斷改變雙方的通信頻率，使信息傳遞難以被跟蹤、干擾或截獲、破解，將有效提高防盜系統的安全性和可靠性。

1系統總體方案設計

系統由車(chē)載終端、人持終端兩部分構成。車(chē)載終端主要完成人機控制指令的接收執行，執行汽車(chē)上鎖解鎖指令，并完成對汽車(chē)防盜信息的檢測發(fā)送;人持終端主要完成車(chē)主對汽車(chē)的上鎖、解鎖的控制指令的發(fā)送，并接收車(chē)載終端發(fā)來(lái)的汽車(chē)相關(guān)報警信息及指令執行情況信息。系統功能結構如圖1所示。

圖1系統總體結構框圖

2系統的電路設計與實(shí)現

2.1車(chē)載終端的電路設計

車(chē)載終端主要完成汽車(chē)防盜信息的監測并將汽車(chē)異常狀況信息發(fā)送給車(chē)主，接收執行人持終端控制指令如對汽車(chē)上鎖解鎖等，針對目前防盜器主要依賴(lài)振動(dòng)傳感器檢測盜竊信息存在不可靠的問(wèn)題，設計了多信息融合的傳感器電路，通過(guò)監測車(chē)門(mén)、車(chē)窗、車(chē)座位來(lái)提高防盜器的可靠性，增加的備用電源管理功能保證防盜器在主電源線(xiàn)被剪的情況下仍能正常工作，主要由主控MCU模塊、無(wú)線(xiàn)跳頻通信模塊、汽車(chē)門(mén)窗監測、電源監控、振動(dòng)檢測、車(chē)內是否有人監測模塊構成。

2.1.1主控MCU模塊電路

主控MCU主要負責整個(gè)系統的協(xié)調控制，傳感器信息的檢測處理，跳頻通信模塊的配置、信息發(fā)送接收等，采用C8051F340實(shí)現。C8051F340是美國Cygnal公司的混合信號系統級集成芯片，具有與8051兼容的高速CIP-51內核，片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬、數字外設及其他功能部件，內部時(shí)鐘頻率可達到48MHz。具有增強型的SPI接口，可方便實(shí)現對nRF905的控制。

2.1.2跳頻通信模塊硬件電路

跳頻通信模塊硬件電路采用Nordic公司推出的單片射頻收發(fā)器芯片nRF905實(shí)現，其功耗非常低，以–10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，在接收模式時(shí)電流為12.5mA，傳輸距離大于100m。工作于433/868/915MHz3個(gè)ISM頻道(可以免費使用)。nRF905可以自動(dòng)完成處理字頭和循環(huán)冗余碼校驗的工作，可由片內硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，性能可靠，并可以實(shí)現人工載波頻率控制，具有128個(gè)可選頻點(diǎn)，頻點(diǎn)間隔100kHz，頻點(diǎn)切換時(shí)間為650μs，可快速實(shí)現頻點(diǎn)切換。使用該芯片可構成無(wú)線(xiàn)跳頻通信的收發(fā)模塊，模塊電路及單片機接口電路如圖2，通過(guò)PWR_UP,TRX_CE和TX_EN與單片機連接實(shí)現工作模式配置。通過(guò)CD,AM,DR進(jìn)行載波檢測、地址檢測、中斷檢測，通過(guò)SPI接口與單片機通信實(shí)現載波頻率、通信指令數據格式的配置及數據的接收。

圖2nRF905與單片機接口電路

2.1.3車(chē)門(mén)車(chē)窗監測模塊

通過(guò)將光電檢測二極管置于車(chē)門(mén)車(chē)窗關(guān)口，當車(chē)門(mén)或門(mén)窗沒(méi)有鎖緊時(shí)，對應的光電檢測電路會(huì )檢測到相關(guān)信息，在車(chē)內無(wú)人時(shí)車(chē)載終端通過(guò)汽車(chē)主控接口通知汽車(chē)微處理系統啟動(dòng)自動(dòng)關(guān)門(mén)關(guān)窗電路，并提醒車(chē)主車(chē)門(mén)或車(chē)窗沒(méi)有鎖好，在防盜狀態(tài)下車(chē)門(mén)車(chē)窗被打開(kāi)則發(fā)出報警信號。

2.1.4車(chē)內有無(wú)人檢測模塊

通過(guò)放置在汽車(chē)座位下的應變電阻設計的壓力測量裝置，判斷車(chē)內是否有人，如車(chē)內無(wú)人，車(chē)防盜鎖系統未啟動(dòng)，則延時(shí)1min自動(dòng)上鎖;若汽車(chē)防盜鎖啟動(dòng)狀態(tài)下，如若有人，即有可能是有人盜車(chē)，防盜器立刻進(jìn)行報警。

2.1.5車(chē)外振動(dòng)檢測模塊

車(chē)外振動(dòng)檢測用來(lái)檢測當車(chē)處于防盜狀態(tài)時(shí)，是否有人對汽車(chē)進(jìn)行碰撞，如有則報警。它采用了振動(dòng)傳感器Z04B，它是一種高靈敏振動(dòng)模塊,能檢測極其微弱的震動(dòng)波;安裝簡(jiǎn)便，不受任何角度限制;抗干擾性好，對外界聲響無(wú)反應，具有抗雷電及鞭炮干擾能力，輸出為瞬態(tài)脈沖，用來(lái)構成可靠的汽車(chē)振動(dòng)檢測模塊。

2.1.6電源測控模塊

設計了備用電源管理功能，在汽車(chē)主電源被剪斷時(shí)，備用電源供電并將該情況反饋給車(chē)主，提高防盜系統的安全性和可靠性。

2.2人持終端的電路設計

人持終端完成對汽車(chē)的上鎖、解鎖等控制指令發(fā)送，并接收車(chē)機發(fā)來(lái)的汽車(chē)相關(guān)信息，如振動(dòng)情況、車(chē)門(mén)車(chē)窗開(kāi)關(guān)情況信息，并發(fā)出語(yǔ)音提示。由主控單片機電路和跳頻通信模塊、人機接口模塊構成，其中主控單片機電路和跳頻通信模塊與車(chē)載終端部分相同。

人機交互接口模塊電路主要由按鍵電路完成人操作指令的發(fā)送，采用LCD液晶顯示電路使操作更為方便，采用ISD1820設計語(yǔ)音提示電路進(jìn)行報警提示及車(chē)載終端指令執行情況提示。

3系統的軟件設計與實(shí)現

3.1nRF905的配置過(guò)程及跳頻通信的實(shí)現

3.1.1nRF905的配置過(guò)程

如圖2所示，nRF905通過(guò)CPU控制nRF905的3個(gè)引腳PWR_UP,TRX_CE和TX_EN的高低電平來(lái)決定其4種工作模式(如表1所示)，通過(guò)nRF905的CD,AM,DR三個(gè)引腳進(jìn)行載波檢測、地址檢測、中斷檢測，在表1中的前兩種模式下，MCU通過(guò)SPI接口配置nRF905的5個(gè)內部寄存器(狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數據寄存器、接收數據寄存器)。其中狀態(tài)寄存器包含數據準備好引腳狀態(tài)信息和地址匹配引腳狀態(tài)信息;射頻配置寄存器包含收發(fā)器配置信息，如頻率和輸出功能等;發(fā)送地址寄存器包含接收機的地址和數據的字節數;發(fā)送數據寄存器包含待發(fā)送的數據包的信息，如字節數等;接收數據寄存器包含要接收的數據的字節數等信息。

3.1.2nRF905的無(wú)線(xiàn)收發(fā)過(guò)程

1)發(fā)射模式設置及過(guò)程

a)上電以后MCU首先配置nRF905模式，先將PWR_UP,TX_EN,TRX_CE設為(10X)配置模式。

b)MCU通過(guò)SPI將RF寄存器的頻率配置數據，配置數據移入nRF905模塊。

c)當MCU有數據需要發(fā)往規定節點(diǎn)時(shí)，接收節點(diǎn)的地址(TX-address)和有效數據(TX-payload)通過(guò)SPI接口傳送給nRF905。

d)MCU設置TRX_CE,TX_EN為高啟動(dòng)傳輸。

e)nRF905內部處理：無(wú)線(xiàn)系統自動(dòng)上電、數據包完成(加前導碼和CRC校驗碼)、數據包發(fā)送(1000kbps,GFSK,曼切斯特編碼)。

2)接收模式

a)上電以后MCU首先配置nRF905模式，先將PWR_UP,TX_EN,TRX_CE設為(10X)配置模式。

b)MCU通過(guò)SPI將RF寄存器的頻率配置數據，配置數據移入nRF905模塊。

c)設置TRX_CE高，TX_EN低來(lái)選擇RX模式，nRF905監測空中的信息。

d)當nRF905發(fā)現和接收頻率相同的載波時(shí)，載波檢測(CD)被置高。

e)當nRF905接收到有效的地址時(shí)，地址匹配(AM)被置高。

f)當nRF905接收到有效的數據包(CRC校驗正確)時(shí)，nRF905去掉前導碼、地址和CRC位，數據準備就緒(DR)被置高。

g)MCU設置TRX_CE低，進(jìn)入standby模式(待機模式)。

h)MCU可以以合適的速率通過(guò)SPI接口讀出有效數據。

i)當所有的有效數據被讀出后，nRF905將AM和DR置低。

3.1.3跳頻的實(shí)現

nRF905可以實(shí)現人工載波頻率控制，只需要修改nRF905的RF工作頻率寄存器的CH_NO和HFREQ_PLL就可以選擇不同的載波頻率，實(shí)現跳頻。位變量HFREQ_PLL為0，表示工作在430MHz頻段，頻道差為100kHz;為1，則表示工作在868/915MHz頻段，頻道差為200kHz。因此共有1024種通信頻率。通信頻率(H)為H=(422.4+(CH_NO)10/10)×(1+HFREQ_PLL)。

例如CH_NO=(001001100)2=(76)10，HFREQ_PLL=0，則H=(422.4+76/10)×(1+0)=430.0MHZ。

本系統統一設置為工作頻段為430MHz，頻道差為100kHz，每一個(gè)頻點(diǎn)間隔為100kHz，隨機數產(chǎn)生于0~128之間，跳頻帶寬為12.8MHz，完成一次跳頻時(shí)間T≤800μs。

時(shí)間：2011-06-27 11:00 作者：信息與電子工程 來(lái)源：未知

3.2基于跳頻通信遙控防盜器的可靠性設計及系統實(shí)現

3.2.1生成隨機跳頻表增強安全性

為了增加安全性，每對密碼鎖除具有唯一對應的32位加密地址外還增加了一一對應的隨機跳頻表，第一次使用時(shí)，將車(chē)機、人機對應的設置開(kāi)關(guān)打開(kāi)，人持終端可以產(chǎn)生一個(gè)隨機的跳頻表，并將該跳頻表通過(guò)握手頻率發(fā)送給車(chē)載終端，經(jīng)返回校驗無(wú)誤時(shí)將該跳頻表存儲在掉電保護的非易失FLASH存儲器中，關(guān)閉設置開(kāi)關(guān)，在保證兩機有一一對應的跳頻頻率表的同時(shí)又很好地保護了頻率表的安全性，只要雙方按照事先約定的與跳頻表對應設置一致的CH_NO和HEFREQ_PLL的數值便可實(shí)現跳頻通信，增加了無(wú)線(xiàn)通信的可靠性、安全性。

3.2.2設定握手及出錯、丟包回歸頻率，保證通信可靠

跳頻通信的一個(gè)突出問(wèn)題就是盡管可靠性高，但一旦通信雙方通信錯誤，引發(fā)跳頻表讀取數據不一致，系統將發(fā)生混亂，無(wú)法通信。為解決這一問(wèn)題，提高防盜器安全性和可靠性，系統設定了一個(gè)固定頻率作為握手頻率，人機和車(chē)機之間的通信是先從一個(gè)雙方設定的握手頻率來(lái)進(jìn)行握手連接，該頻率僅攜帶目標地址和握手請求或應答信號，即使被截獲也不影響系統的安全性。當系統出現問(wèn)題雙方通信不成功時(shí)，馬上回到握手頻率，從跳頻表初始值重新開(kāi)始通信。在一次指令信息傳輸進(jìn)行過(guò)程中屏蔽中斷，保證信息的可靠傳輸。

3.2.3系統工作過(guò)程

系統上電初始化跳頻表后，人機和車(chē)機都通過(guò)設定系統的工作模式(SetnRF905Mode)，配置nRF905的寄存器(ConfigureRegister)，使其工作在握手頻率，接收模式(RXMode)。當其中一端收到中斷請求時(shí)(車(chē)主指令/報警信息等)，便發(fā)起握手請求，握手完成后，進(jìn)行兩次跳頻通信過(guò)程，完成信息的發(fā)送及反饋，在發(fā)送過(guò)程中，發(fā)送方發(fā)出握手請求或指令后等待響應或反饋的時(shí)間不超過(guò)200ms，否則便認為通信出錯，發(fā)起方重新發(fā)起請求。

以車(chē)主發(fā)出上鎖指令為例，系統整個(gè)工作過(guò)程如圖3，其他車(chē)主指令發(fā)送、車(chē)載報警信息的發(fā)送過(guò)程類(lèi)似。

圖3防盜器工作流程圖

4結論

經(jīng)測試該系統在小區內的可靠通信距離可達到150m，滿(mǎn)足一般汽車(chē)防盜器的實(shí)際應用要求，采用跳頻通信保證了防盜器不易被截獲破解，通過(guò)通信方案的優(yōu)化設計，保證了跳頻的通信可靠性，進(jìn)一步提高了防盜器的安全性和可靠性。將該系統簡(jiǎn)化外圍電路設計后也可用于摩托車(chē)防盜及其他防盜系統。