被动门禁系统中RF设计的考虑事项

引言

被动门禁 (Passive Entry, PE)系统在汽车舒适度和安全性方面正在引领一个新的发展趋势。尽管这种技术几年前就已经问世了，但直到最近才开始快速流行，主要是因为系统集成度不断提高，使系统成本得以大幅度降低。

就完全性而言，遥控无匙门禁(Remote Keyless Entry, RKE)系统是交互式的，即用户必须按下钥匙才能打开车门；而被动门禁系统则是被动式的，也就是说，它们无需用户做出任何交互式动作就可以打开车门。当用户准备进入车辆时，通过拉门柄的动作触发PE系统发射低频Low frequency, LF)信号。几毫秒内密钥卡接收到LF信号，并对接收到的数据包进行加密，然后经由射频(RF)信道把加密信号发送给车辆作确认。

被动门禁系统还可以包含一个被动式引擎发动功能，即被动门禁启动(Passive Entry Go, PEG)。只要系统确认密钥卡在车辆里面，则驾驶员一坐上驾驶席就会触发LF电路。在验证确认并且完成位置测量之后，只需按下启动键就可以发动引擎。

这两种情况都是通过密钥卡来接收纯文本数据，并利用功能强大的硬件加密模块(如AES-28模块)对之进行加密，然后再把加密数据返回给车辆以做验证。

PE 密钥卡采用小型锂电池，为数据接收、加密及传输提供电源。被动门禁系统中的密钥卡经专门设计来确保尽可能长的电池寿命。如果电池快将用完，密钥卡就会进入一个紧急模式，通过LF线圈获得足够的磁场能量来实现无电池工作。这时需要把密钥卡放置在车门线圈附近的位置。在这种情况下，系统只会通过LF信道进行通信。

典型的PE系统

一个典型的PE系统是由汽车车内部分和一个密钥卡子系统组成，这两者作为通信对等点，建立有两条通信链路：(1) LF上行链路：车辆到密钥卡，(2) 超高频(UHF)下行链路：密钥卡到车辆 (见图1)。

图1 被动门禁系统的模块示意图

车内部分

当用户拉动汽车门柄时，车辆中的天线驱动器便会产生LF场。这种变化激活中央仪表板的控制器，请求密钥卡启动LF通信。通常每扇车门内都安装有LF天线线圈，由天线驱动器单元驱动 (一个天线驱动器单元可以驱动多个天线线圈，比如，ATA5279就能够驱动多达6个不同的天线线圈)。系统采用一个UHF接收器模块来接收从密钥卡发出的RF数据，以支持RF链路。接收到的数据经加密后再被发送回仪表板控制器，然后通过软件进行解密(AES-128)。

密钥卡

在任何PE系统中，密钥卡都必须能够测量LF 信号在三个正交轴(X、Y和Z方向)上的强度，并能利用UHF发射器，通过RF信道把这一信息发回给车辆，以确定密钥卡的位置。这种信号强度信息 (也被称为远程信号强度指示器，即RSSI) 由与3D LF接收器相连接的三个正交天线线圈收集。任何数字数据，比如唤醒数据模式(前导码，ID)、系统命令或作为协议载荷的纯文本数据口令，将会被接收并传送给密钥卡中的微控制器(MCU)处理(返回信息包，加密)。为了节能，LF接收器带有一个专用的控制逻辑，能够以极低功耗来分析和检测唤醒信号，故无需全面唤醒整个系统，这样可以大大延长密钥卡的电池寿命。密钥卡数据流量的进出可通过一个小型8位超低功耗MCU(如ATtiny44)来控制。接收到的数据可以通过软件进行加密，也可以通过带有功能强大的加密功能的硬件加密模块(如AES-128)进行加密。为提高安全性，一个加密机制会同时用在硬件内部和嵌入在MCU上。加密后的数据被传送到UHF发射器，并以很高的波特率向车辆发射。

在电池完全耗尽的情况下，发射应答器可以作为一个无电池的无源设备进行工作，这时被称为紧急模式工作。在此模式下，正交线圈中只有一个与LF磁场耦合，从中获得足够的能量，并以电荷的形式存储在外部电容器里。发射应答器通过LF链路与基站通信来打开车门，并被用作一个防盗锁止装置，可阻止发动引擎(参见图1，其中X轴线圈相当于一个3D LF接收器线圈和一个紧急/防盗锁止收发器天线)。模拟前端(AFE)模块被用于LF通信，而功率管理(PM)模块用来管理场电源，即存储在外部电容器 Cbuf上的电荷。在紧急模式下，RSSI测量、3D LF数据接收和RF发射都被禁用。

表1：PE系统密钥卡的基本参数

图2 3D LF接收器的唤醒

图3 RSSI定位测量

接收LF信号

载波频率为125kHz左右的低频场可以有以下作用：(1) 低波特率发射数据的数据通信链路；(2) 计算3个轴向上RSSI值定位信息的媒介；(3) 短距发射电能的无接触式电磁媒介。不过，每一类应用及其发射质量都与发射器和接收器天线的耦合程度密切相关。这种耦合程度又取决于众多物理参数和电气参数，比如天线电感、电阻、线圈之间的距离、谐振调谐程度等等因素。耦合因子越大，通信链路越强大(亦即