隨著汽車電子技術的不斷發展，傳統的無線門禁系統已無法滿足廣大用戶的需求。免持式被動無鑰匙門禁系統PKE（Passive Keyless Entry）正迅速成為汽車遠程無鑰匙門禁應用的主流，并成為新型汽車的普遍選擇。在汽車裝配有PKE智能鑰匙系統的情況下，車主只要靠近車輛或者碰一下車門，車門就能自動打開。PKE智能鑰匙系統是汽車智能化、信息化、電子化的體現，提高了整車的安全性、可靠性、舒適性，具有極佳的市場前景和巨大的潛在效益。

智能鑰匙能發射出紅外線信號，既可打開一個或兩個車門、行李箱和燃油加注孔蓋，也可以操縱汽車的車窗和天窗，更先進的智能鑰匙則像一張信用卡，當司機觸到門把手時，中央鎖控制系統便開始工作，并發射一種無線查詢信號，智能鑰匙卡作出正確反應后，車鎖會自動打開。只有當中央處理器感知鑰匙卡在汽車內時，發動機才會啟動。

1 系統硬件設計

1.1 PKE系統的工作原理

無鑰匙門禁系統（PKE，Passive Keyless Entry）在RKE基礎之上發展起來，作為新一代防盜技術正在逐步發展壯大，目前已經從高檔車市場逐步進入中檔車市場，不僅奔馳、寶馬等高端汽車制造商已經廣泛采用了PKE，像福特蒙迪歐、日產的天籟和新型馬自達等中型車型也紛紛采用這一技術。PKE不是傳統的鑰匙，而是一個智能鑰匙，類似于智能卡。當駕駛者踏進指定范圍時，該系統通過識別判斷如果是合法授權的駕駛者則進行自動開門。上車之后，駕駛者只需要按一個按鈕即可啟動點火開關。

PKE智能鑰匙系統分為基站（車身）和應答器（鑰匙）兩部分，系統框圖如圖1所示。這兩部分之間采取雙向通信。該系統有兩種工作方式：第一種是車輛中的基站單元不停地發送一條編碼為125 kHz的低頻報文以搜尋并喚醒一定范圍內的應答器。該信號范圍內的所有應答器都能夠接收到該報文，并對編碼的數據字段進行驗證。一旦車主身上的應答器識別成功，它就會自動發送一條頻率為433.92 MHz的射頻Keeloq編碼報文，基站單元在收到該報文后對其進行解碼，如果識別成功，將控制指令執行機構打開車門。第二種工作方式中基站單元為了降低電流消耗并不會輪詢應答器。基站單元一般處于休眠狀態或掉電狀態，只有當觸發事件發生時才能將其喚醒，該觸發事件一般是汽車門把手上的紅外信號或者是由汽車門把手裝置激活的微動開關。在第二種工作方式下車主必須碰一下車門才能觸發系統，從而打開車門。

1.2 應答器（鑰匙）模塊設計

應答器模塊由微控制器、高頻發射電路、低頻接收電路和開關按鈕組成，其電路圖如圖2所示。根據以上特性，微控制器選擇微芯公司的PIC16F639。該芯片采用SSOP封裝，體積小，內置一個Keeloq加密模塊和一個3通道模擬前端，可用于多種低頻檢測和雙向智能通信。

應答器模塊采用3 V紐扣電池供電，采用內部4 MHz時鐘。在沒有低頻激勵的情況下，應答器模塊以標準RKE（Remote Key Entry）模式工作，當接收到有效的低頻激勵報文時，微控制器將如同按下一個虛擬按鍵一樣做出響應。4個按鍵（S1~S4）分別接到微控制器的PORT A口，通過電平的變化喚醒休眠中的PIC16F639，并觸發中斷，完成相應的上鎖、解鎖、報警等功能。二極管D1用來指示高頻信號的發射，高頻信號由引腳RC5發出的PWM經過聲表面波諧振器產生［2］。

應答器對基站發送過來的低頻喚醒信號通過PIC16F639的3通道模擬前端實現。PIC16F639具有高達3 mVpp的模擬輸入靈敏度的3個天線連接引腳（LCX、LCY、LCZ）。通過連接3個分別指向x軸、y軸、z軸的天線，應答器可以隨時接收來自任何方向的信號，從而降低由天線的方向性而造成信號丟失的可能性。在此系統中，3個方向天線采用PREMO公司專門為PIC16F639設計的集成天線模塊，該天線模塊體積小、精度高，電感值在出廠時已經配置好，只需要配合對應通道的電容便可使用。當模擬前端搜尋信號時，數字MCU部分可以進入休眠模式，只有在低頻輸入信號的報頭序列波形與濾波器所設定的吻合時，才能喚醒數字MCU。即當有效低頻信號通過內部電路解調并在PORT C口RC3引腳上輸出LFDATA數字信號時，利用與RC3相連的PORT A口RA2引腳觸發中斷，才能喚醒休眠中的數字MCU。PIC16F639通過內部SPI配置模擬前端。

應答器模塊的高頻發射電路如圖3所示。聲表面波諧振器SAW與功率放大器Q1構成了一個開關鍵控高頻發射器。L1作為高頻發射器的天線，一般通過PCB上的金屬走線形成。系統需要發送的各種信息經過Keeloq加密并PWM編碼后由RC5引腳輸出，當輸出為高電平時驅動發射電路工作；當輸出為低電平時，發射電路截止。

1.3 基站（車身）模塊設計

基站模塊由微控制器、高頻接收電路、低頻發射電路、液晶顯示電路及總線傳輸電路組成。基站模塊的微控制器采用微芯公司的PIC18F4680，工作頻率為40 MHz。該芯片擁有64 KB的Flash存儲器，1 KB的EEPROM存儲器及3.3 KB的SRAM存儲器；還擁有1個SPI接口、1個I2C接口、1個LIN接口及1個ECAN接口，完全可以滿足與汽車控制器進行信息交換的要求，同時該芯片具有豐富的I/O資源，為配置液晶屏提供了可能，讓車主能夠及時了解基站模塊的工作情況。本文著重介紹高頻接收電路和低頻發射電路的設計，其電路如圖4、圖5所示。

高頻接收電路采用安陽市新世紀電子研究所的一款超再生接收模塊J04V。J04V是一款低功耗、小體積接收模塊，采用SMT工藝，性能穩定，具有較好的靈敏度及性價比，可以廣泛應用于需要長期處于接收狀態的遙控報警及單片機數據傳輸系統。超再生模塊J04V集成度高，接線簡單，接收到的高頻數字信號通過OUT引腳直接傳送到PIC18F4680的RB4引腳，觸發中斷，中斷程序進行解碼操作，將編碼信號還原成原始數據，從而通過總線控制相關指令執行機構動作。

低頻發射電路由一個TC4422功率放大器和一個LC串聯諧振電路組成。在PKE系統中，低頻信號的發射和接收通過電磁感應進行通信，當低頻功放驅動器的電流為500 mA左右時可以獲得較好的傳送距離，而為了提高輸出回路品質因數Q，低頻功放驅動器的輸出阻抗必須在10 Ω以下，因此選用TC4422功率放大器。當LC串聯諧振電路的諧振頻率與PWM信號的頻率一致時，通過L1的負載電流最大，從而產生很強的磁場，此時發送信號強度最大。

2 系統軟件設計

2.1 Keeloq編碼的實現

Keeloq實際上是一個“ASIC”的特別設計，內含加密及解密技術，適用于遙控或命令辨別的應用場合，如安全鎖、車庫門遙控、秘密通信、軟件保護等。Keeloq加密算法其實是一種非線性的數學推算公式，當輸入數據經過該算法加密后，輸出數據對輸入數據而言就是唯一的。在標準加密模式下，編碼密碼是由制造商代碼與序號利用解碼算法共同產生的，用于產生跳碼，儲存于微控制器的EEPROM中。Keeloq編碼過程如圖6所示。

每當應答器的按鍵按下時，PIC16F639便將一組66 bit的加密資料以PWM編碼的方式通過高頻發射器傳送出去。這66 bit的加密資料包含34 bit的固定碼與32 bit的跳碼。其中34 bit的固定碼包括28 bit的序號、4 bit的功能鍵以及2 bit的狀態位。4 bit功能鍵表明了應答器中哪一個按鍵已被車主按下，而基站必須根據不同的功能鍵數值執行相應的命令。

基站接收到66 bit的加密資料后，首先檢查固定碼中的序號是否與存儲在EEROM中的序號是否一致，然后運行解密算法，得到識別碼、同步計數值、功能鍵、溢位。PIC18F4680先將解碼后的識別碼與固定碼中序號的低10位進行比較，看是否相等；然后比較解碼后的功能鍵數值與固定碼中的功能鍵數值；最后判斷解碼后的同步計數值與EEPROM中的舊的同步計數值是否合理增加。如果有一個步驟發生錯誤，微控制器則判定接收到的是一組不合法的資料，不會進行下一步動作。

2.2 通信協議

通信在不同的環境下有不同的解釋，在出現電波傳遞通信后通信（Communication）被單一解釋為信息的傳遞，是指由一地向另一地進行信息的傳輸與交換，其目的是傳輸消息。然而，通信是在人類實踐過程中隨著社會生產力的發展對傳遞消息的要求不斷提升使得人類文明不斷進步。在各種各樣的通信方式中，利用“電”來傳遞消息的通信方法稱為電信（Telecommunication），這種通信具有迅速、準確、可靠等特點，且幾乎不受時間、地點、空間、距離的限制，因而得到了飛速發展和廣泛應用；在現今因電波的快捷性使得從遠古人類物質交換過程中就結合文化交流與實體經濟不斷積累進步的實物性通信（郵政通信）被人類理解為制約經濟發展的阻礙。

基站與應答器之間的通信采用PWM編碼方式進行半雙工通信。1個數據由3個位元組成，位元周期Te一般取100 μs～400μs，其格式如圖7所示。延時一個Te時間取樣并判斷，如果為高電平1則接收資料失敗，最后等待下一個上升沿的到來，如等待時間超過一個Te則接收資料失敗。依此循環，直到資料全部接受完畢。高頻與低頻數據發送格式如圖8、圖9所示。

2.3 流程圖

應答器工作流程圖如圖10所示。

本文介紹了PKE智能鑰匙系統的總體設計方案，給出了詳盡的硬件電路及軟件設計。實踐證明該系統體積小、功耗低、通信良好、安全性強、應用市場廣闊，有著很大的實用價值。