无钥匙系统在汽车安防的应用

在我们的日常生活中汽车已不仅仅扮演代步工具的角色，人们赋予了它更多的生活色彩。汽车的安全与防盗也变得非常重要。

遥控钥匙（RKE）的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，但由于其射频单向通讯的技术限制，在安全性上有其自身的不足。恩智浦半导体（以下简称NXP）适时推出的集成方案（Combi）把引擎防盗和遥控钥匙合二为一，用一颗芯片来实现，既提高了系统的安全性，又降低了整个钥匙的成本，逐渐替代独立的遥控钥匙成为欧美日市场上的主流方案。当然，在射频通讯上其依然保留单向通讯，安全性并没有本质的提高。

　　2003，NXP推出了无钥匙系统（PKE或称PEPS），彻底改变了汽车安防应用领域的发展前景，给用户带来了全新舒适与便利的体验：车主在整个驾车过程中都完全不需要使用钥匙，只需要随身携带。当车主进入车子附近的有效范围时，车子会自动检测钥匙并进行身份识别，如成功会相应的打开车门或后备箱；当车主进入车内，只需要按引擎启动按钮，车子会自动检测钥匙的位置，判断钥匙是否在车内，是否在主驾位置，如成功则发动引擎。千万不要小瞧这个看似不起眼的改变，它在简化你的生活方面发挥着重大作用。无钥匙系统绝不仅仅是带来了舒适与方便，其在安全性方面也有了本质的提高，通过低频和射频的双向通讯，汽车与钥匙之间可以完成复杂的双向身份认证，在安全性方面与引擎防盗类似，要远好于传统的遥控钥匙。从2003年少量高端车型成功量产无钥匙系统开始，全球市场用了两到三年的时间推广普及这一技术，目前，几乎全球每一个主流车厂都有应用NXP的无钥匙产品，覆盖中高端的车型，甚至是低端车型。

我们一起看一下这一技术到底是如何实现的。如图二所示，无钥匙系统共需要检测判断三种区域：灰色的车外区域，淡粉色的车内区域以及灰白色的主驾位置。其中灰色的阴影区包括三部分，分别表示主驾，副驾，后备箱的车门控制的有效区域，当车主带着钥匙进入这一位置时，车子跟钥匙间就可以建立起有效通讯，通过低频信号的场强检测，车子可以判断出钥匙的相应位置，由此决定打开对应的车门。淡粉色的车内区域是整个PKE系统设计的难点，要精确的判断钥匙是否在车内，来决定车门状态以及发动机是否可以启动。在一些高端车型的设计中还会检测灰白色的主驾区域，钥匙是否有效，主驾位置是否有人，避免诸如儿童误操作导致的引擎启动；另外还可能包括后备箱内区域的检测，为防止钥匙被误锁入后备箱。


综上所述，我们可以发现在无钥匙系统中，区域检测是一个非常重要且区别于以往各种汽车安防产品的技术，因而区域检测的精度就成为衡量一个无钥匙系统好坏的重要参数。目前市场上主要有两种相应技术，其一是通过调节低频信号灵敏度强弱进而根据通讯是否稳定进行模糊判断，其精度有限但实现方便；其二是基于接收低频信号的强度检测来判断，即RSSI（Received Signal Strength Indication），根据低频信号的大小来计算钥匙与车内低频天线的相对距离，通过多根低频天线交叉覆盖范围，精确定位钥匙的具体位置。NXP的产品全部采用第二种技术。为达到理想的性能参数，NXP提供了最小2.5 mV的三维低频接受前端的信号灵敏度，而典型的灵敏度值可以达到1mV。不同于其他解决方案的逐次逼近式（Successive Approximation） ADC，NXP采用12位的Sigma-Delta （Σ-Δ） ADC，通过多点采样平均来消除噪声干扰，目前已经实现的最好的车内车外检测精度高达2cm。目前，车厂通常要求的车内车外检测精度为5～10cm。

无钥匙系统的结构框图如图三所示，左侧为汽车端，包括主控制器（Body Control Unit），车门把手和后备箱把手触发模块，引擎一键启动模块，引擎防盗基站模块（IMMO Basestation），低频发射模块和射频接收模块。其中三个绿色的模块主要是用来触发整个系统，当车主拉动车门或按下一键启动按钮，相应的模块会发送中断信号来唤醒主控MCU，开始整个通讯过程。常见的无钥匙系统工作模式分两大类：触发模式和扫描模式（polling），其中触发模式分为机械触发和电子感应触发，这里需要综合考虑系统成本和系统性能，例如整个系统的响应时间。引擎防盗基站模块是低频通讯模块（125KHz），用来实现跟钥匙的近距离通讯，发动引擎，这一功能是备用方案，又称"无电模式"，只有在钥匙电池耗尽或者有意外干扰无钥匙系统导致无法正常工作时才会采用。这种情况下，用户只需要手持钥匙放在固定位置（例如凹槽），钥匙就可以跟基站建立通讯，进行身份认证来启动引擎。NXP的无钥匙系统PCF7952和 PCF7953的一大特色就是芯片本身集成了引擎防盗功能，完全兼容NXP的所有Transponder产品，包含PCF7936。这极大的提高了系统的可靠性而且不需要额外增加成本，具体细节后续还会提到。