汽车安全与防盗 -- 无钥匙系统升级篇

汽车安全与防盗最初的电子化开始与1994年的引擎防盗(IMMO)，NXP(当时的飞利浦半导体)作为第一家半导体公司把RFID的电子标签技术成功的应用于汽车电子引擎锁：通过汽车与钥匙间的125kHz的无线通讯实现电子身份识别，来判断启动汽车引擎。这一技术极大的提高了汽车的安全性，很快就在欧洲以及北美地区广泛应用，并在短短几年时间内使欧洲的汽车失窃率大幅降低了90%，因而成为整个欧洲的汽车标准配置。这之后，遥控钥匙(RKE)的出现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。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，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推出的无钥匙系统(PKE或称PEPS)成功商用，彻底改变了整个系统并带来了全新的用户体验：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，如成功会发动引擎。千万不要小看这个小小的改变，它在简化你生活的时候发挥着巨大作用。而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BMW7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产品的无钥匙产品，覆盖中高端的车型，甚至是低端车型。接下来我们就一起看一下这一技术到底是如何实现的：

如图所示，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来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，为达到比较理想的性能参数，我们提供了最小1mV的信号灵敏度，并且采用12bit的ADC，通过多点采样平均来消除噪声干扰，可以实现高达2cm的车内车外检测精度，目前，通常车厂要求的车内车外检测精度为5～10cm。

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通过以上简单的功能描述我们可以看出，无钥匙系统相比于传统的遥控钥匙和发动机防盗在系统层面上要复杂很多：首先由于要控制车门和后备箱的开关，无钥匙系统需要跟BCM(车身控制模块)建立直接的通讯；为了实现一键启动，无钥匙系统需要跟ECU(引擎控制单元)建立通讯；要实现精确的位置检测，需要在车内加装多个低频天线，而所有的这些低频天线，都需要由无钥匙系统自身的MCU来控制。通常来说，根据车身大小的不同以及系统性能要求的不同，无钥匙系统中的低频天线数量在3个到7个不等。安装在门把手中的车外天线为1个到3个，最低端的配置是只有主驾车门带一个低频天线，而最复杂的设计中需要5个天线，分别是四个车门和一个后备箱门。同样道理，车内天线也在1个到3个不等。另外，目前主流的无钥匙系统根据发动机启动方式的不同分为两类：按键式一键启动和旋钮式启动。看起来很小的区别，在实现上却有着很大的不同，旋钮式启动更多的是延续了传统的钥匙点火方式，通过机械的方式完成方向盘转向柱锁的功能，用户体验略微逊色一些；而按键式一键启动，使用上更为方便灵活，也更加的新颖，只要轻轻一按，发动机便随之轰鸣。在技术实现上付出的代价是需要加装ESCL(电子转向柱锁)，通过电子模块完成转向柱锁的功能，相应的无钥匙系统需要跟ESCL建立通讯。还有一个功能不得不提，无电模式下的备用IMMO方案，也就是说，为了确保车主在某些意外情况发生时，依然可以发动引擎，PKE系统保留了整个发动机防盗系统。当钥匙电池耗尽时，车主可以用机械钥匙来打开车门，然后把钥匙放在一个固定位置(通常是在点火开关附近的卡槽)通过按键来发动引擎，整个过程和传统的发动机防盗系统完全一致。

如上所述，一个小小的无钥匙系统需要跟以下六个整车模块相连接：1. 发动机控制单元；2. 车身控制模块；3. 中控门锁系统；4. 发动机防盗系统；5. 电子转向柱锁；6. 电子点火开关。

这也必然带来了巨大的成本差异和研发难度。为了让这一应用变得更加普遍，从芯片和系统的角度我们可以做些什么改进，未来的发展方向又是如何呢？

首先，应该进一步提高LF信号的灵敏度，LF灵敏度是PKE系统的重要指标，它直接决定了钥匙位置的检测精度和车内低频天线的数量。假设我们可以把LF灵敏度从目前最好的1mV(参数来自于NXP的PCF7952)进一步提高到0.25mV，我们不仅可以提供更小的车内车外误差，而且可以直接降低低频天线的数量，方便的用车内天线同时覆盖车外空间，完成无钥匙开门的位置检测。这对于降低整个系统成本有着显著的帮助。

其次，我们可以考虑进一步降低钥匙端的功耗，来延长钥匙电池的使用寿命，目前的方案中，2年左右的电池寿命并不能完全让车厂和用户满意，而如果通过降低休眠功耗，甚至通过无线低频的充电方式给钥匙的电池充电的话，整个无钥匙系统的使用寿命会进一步延长。当然，目前来看，低频充电的效率还相对低下，有待于进一步提升性能。

最后，目前的IMMO备用方案需要车主把钥匙放在固定位置，例如一个固定卡槽，这一应用并不方便，而且需要车主明确区分钥匙的方向，主要是因为低频通讯的方向唯一性，如果方向错误，低频通讯不能成功建立，则无法启动引擎。如果可以通过提高低频信号的灵敏度和方向性，就可以更加方便的使用钥匙，只要钥匙出现在天线附近，都可以成功的发动引擎。

我们相信，通过不断的技术改进，并不断的降低系统成本，无钥匙系统会拥有更加美好的市场前景，并在很大程度上取代传统的遥控钥匙，不仅仅带给用户方便和快捷，更提高了整个汽车自身的安全。

图2：无钥匙系统共需要检测判断三种区域

作者：周翔，恩智浦半导体汽车电子市场经理