吴震云，方政

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

基于AES技术的汽车遥控系统设计

吴震云，方政

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

汽车遥控系统是客户体验的关键技术之一，文章介绍了一种基于AES加密协议的遥控系统设计方案。主流的遥控加密协议主要为KEELOQ及AES技术，其中AES算法具备可扩展性好，对硬件依赖小，安全性高等优点；本系统由遥控发射和接收模块组成，设计过程包含了硬件设计，阻抗匹配、PCB设计、通信策略定义等环节，并通过射频指标测试保证了设计的可靠性。该系统具有安全性高、可靠性好、抗干扰能力强等特点。

AES技术；遥控接收模块；遥控发射模块；通信策略

引言

遥控是汽车的一个关键配置，也是顾客使用车辆首先接触的电子功能，客户对车辆第一个性能感受往往也来至于此：响应是否灵敏，遥控距离是否足够等等。影响遥控的因素很多，如相关部件的辐射骚扰，贴膜影响，后装电器影响，有外部环境条件，也有遥控系统本身的器件一致性问题等等，所以遥控设计可靠性至关重要，本文设计的是一种基于AES算法的遥控发射接收系统，不仅通过模块软、硬件设计分析实现了系统遥控功能，并利用测试设备和实车验证完成了系统的可靠性测试验证。

1 算法的前期分析

在无线遥控安全系统中，数据通信时通常采用编解码的方式进行加密传输。主流的遥控加密协议主要为 KEELOQ及AES技术。其中KEELOQ技术应用于通信中，安全性较好。同一条命令，经KEELOQ编码后每次得到的码字在很长周期内都不相同且是无规律的变化，发送方发送的码只能被一个特定的对象有效接收，接收方只有预先取得（通过学习）发送方的加密钥匙后，才能对接收到的数据进行有效解密，接收方能随时清除自己保存的学习信息，使原来的发送方不能控制自己，这样能有效避免第三方非法使用。实现KEELOQ技术受限于硬件，首先在使用KEELOQ芯片时，还需要一个MCU实现控制，成本较高；其次当系统建成后，开发者如果想只通过软件升级来扩充系统的容量或提高系统的性能、依赖硬件实现KEELOQ技术基本不可能；最后对按键信令编码只停留在检错这一层面上，没有作纠错层面的编码。

对比KEELOQ技术，AES算法具备以下优点：可扩展性好，现行的批量芯片皆支持AES算法，对硬件依赖性小，不同的平台皆可扩展；加密算法代码开源，可节省代码级测试，可靠性高；同时128位加密设置，安全性较以前KEELOG算法高，且代码通用性平台化强，节省开发时间和调试时间。

2 遥控系统模块设计

整个系统主要由主处理器 MCU。遥控接收模块，遥控发射模块、锁驱动模块组成，系统的工作流程为遥控发射模块→遥控器微带天线发射→信号在空气里传输→信号在车厢内传输→ BCM微带天线接收信号→（低噪放→）射频接收芯片数据处理解调→ 解调的数据传输给 MCU→驱动锁模块，系统工作的每个环节疏忽都能造成遥控性能的可靠性降低，这里主要介绍遥控的发射和接收模块。

2.1 遥控接收模块

遥控接收模块主要由微带天线、低噪放电路、声表滤波器、接收主芯片组成，每级电路都有阻抗匹配的要求。

图1 接收模块原理框图

电源部分的LDO选用BD3571，电源通过电容滤波，电压采样，经过防反接二级管，TVS管接入BD3571稳压到5V ，经过电解电容和滤波电容降低纹波，同时满足电压跌落试验要求。主处理器部分选择单片机为飞思卡尔 S9S12G，封装为64 tssop封装；EEPROM主要存储遥控钥匙ID和滚码参数，选择93LC46芯片，电路接入如图2。

图2电路与单片机接口为SPI接口，可擦写100万次的数命。射频接收芯片为TDA5235，该芯片优点为芯片灵敏度相对偏高（FSK模式下灵敏度优势更明显）、集成跳频功能、外置中频滤波器增强中频滤波效果。

图2 EEPROM接入电路

射频接收外围接口电路部分主要关注点：天线部分长度为16.7cm，进入芯片部分要做到50欧姆阻抗匹配，天线部分尽量远离焊盘和铺地。声表滤波器部分：

图3 声表滤波器电路

声表滤波器 B3743及匹配电路插入损耗为 2.5dB。433.92MHz±500KHz外实现了20dB以上的抑制，±1MHz以外实现了45dB以上的抑制。

2.2 遥控发射模块

发射模块的硬件结构如图4所示。

图4 钥匙原理框图

接收模块采用英飞凌PMA7105/7110，集成MCU和射频发射模块与一体，发射功率可根据需要配置不同的等级，其中PMA7110比PMA7105多了ADC和低频125KHz功能：

图5 PMA7110结构框图

本系统匹配电路：匹配振荡器采用 SMD3225封装的18.08MHz，按键开关SKRPADE010，开关寿命10万次。

2.3 PCB设计

印板PCB设计应考虑如下问题：

1）天线长度为光速除以射频载波频率，约等于16.6CM的长度；

2）天线周围1cm的范围为禁止布线和覆铜区域；

3）天线不能出现拐角和过多过孔；

4）天线前级匹配电路部分应做到50欧姆阻抗匹配；

5）振荡器底下和背面禁止走线和覆铜，起振电容尽可能选择精度高其间，放置靠近振荡器；

6）TVS管尽量靠近接插件附近，保护后级器件不被外部损坏；

7）电源层和地层必须整块，不要做过多的分割。

3 系统软件通信策略

遥控钥匙能够向BCM发送合法的信号，从而使BCM执行相应锁控制功能。

3.1 编码格式

主要采用Manchester（曼彻斯特）编码，编码形式如下图：

图6 编码形式对比

本设计标准设计采用曼彻斯特编码，非差分曼彻斯特编码和NRZ编码。

3.2 RF帧格式描述

帧数：每次发送的消息至多包含2个code word。而且每帧数据间除了安全间隔不能有额外的时间损耗。

图7 发送数据帧格式

唤醒与前导场：前导场的长短决定后面有益于数据的噪声干扰，前导码越长后面数据段越干净，同步导引越长。但是前导码越长，整的数据发送时间加长，电池使用寿命缩短，确保能够唤醒后级处理器。前引导码越短，同步导引越短，数据噪声越大；数据发送时间缩短，有益于电池寿命，不利于后级处理器的唤醒。考虑一致性和通用性，我们将引导码定为18个字节的数据Manchester编码，数据速率为数据速率。

18字节的引导码定义如下：

图8 引导码数据定义

1字节帧头为了区分引导码和数据码。

报文：Payload由128位数据组成，编码格式为Manchester形式。

Byte 0–Byte 3 = 4个字节跳码

Byte 4–Byte 6 = 3个字节主机厂标识

Byte 7–Byte 10 = 4个字节钥匙ID

图9 数据组成

Byte 11–Byte 12= 2个字节执行命令码

Byte 13–Byte 13 = 1个字节钥匙信息状态

a）Bit 0- Bit 1 = 2 位数据位电池状态信息

b）Bit 2 -Bit 7 = 6 为数据位预留状态信息

Byte 14–Byte 15= 2个字节为遥控设置扩展预留。

1）跳码

跳码有多种实现形式，这段码字本身没有任何作用，主要是在每次按键后跳码发生改变。那么在加密后整个数据发生本质的改变，增加我们的秘钥的可靠性。跳码在每次按键情况下，直接以加 1。在钥匙学习后保存在接收模块的EEPROM中，每次命令接收成功后接收端都会保存跳码值。当钥匙端发送的跳码值大于接收端存储的跳码值时，本次命令有效。执行命令并存储跳码值。

其软件控制框图如下图：

图10 跳码设计软件框图

跳码初始值为0，每次按键加1，溢出按键次数为2的32次方，溢出需要按键次数为次数大于42亿次。

2）主机厂标识

2个字节表示供应商代码和主机厂的车型标识。

图11 标识数据格式

3）钥匙ID

序列号为钥匙的ID，每个钥匙的ID不一致，共32位表示，可生产2的32次方个钥匙数量不重号。

4）命令字节

按键命令信息为2个字节的信息数据，组成见下图：

图12 按键命令信息定义

考虑后期遥控器成品平台化，字节数据规定了如下命令信息：遥控Lock按键信息，遥控上锁；遥控 Lock按键长按，一键升窗；遥控Unlock按键信息，遥控解锁；遥控 Unlock按键长按,一键降窗；遥控 Search按键信息，远距离寻车;遥控Trunk release按键信息，后备门锁解锁；遥控学习信息，遥控钥匙学习匹配；

其余数据为硬件和软件命令预留。

5）钥匙信息状态

第13字节中 Bit 0- Bit 1为钥匙电池状态信息。

4 系统调试测试

除了进行相关的硬件调试之外，还需进行部分遥控的系统测试，其中包含丢包率测试、距离测试、抗干扰测试等等。

图13 遥控距离测试示意

丢包率测试主要考察遥控系统稳定性，根据遥控的距离要求发射功率调整到某一数值，测试时样件内置于 TEM 屏蔽箱。遥控器软件设置成单键触发，触发后梅隔2秒发射一次，直到 20000次自动停止发射。接收模块软件设置成每接收一次有效遥控信号则计数加1，并保存。测试结束后读取数据，查看丢包率数值，本设计要求丢包率小于0.1%为合格。

距离测试设置 0°～360°每 15°在 5m、10m、15m、20m、25m 处按遥控器 10次，记录有效次数，最后计算可靠性。

遥控系统抗干扰测试则包含停车库、高压线下、交流电焊机附近、雨淋按等等工况遥控距离测试

5 总结

基于 AES加密协议的汽车遥控系统主要是针对KEELOQ可扩展性以及可靠性缺陷进行优化设计的。该系统射频接收部分采用接收芯片为TDA5235，发射部分采用英飞凌 PMA7105/7110。遥控系统通过了硬件试验验证和系统的匹配测试，并在产品化过程中证明了该系统在可靠性和可扩展性上都是可以满足要求的。

[1] 张俊林 滚动码技术在汽车防盗系统中的应用. 工业控制计算机,2010,3:111-112.

[2] 丁飞,余水宝. 远程防盗汽车 PKE系统设计. 电子科技,2012,7：118-120.

[3] 钟志坚. 基于滚动码及采用射频识别的汽车防盗器技术. 科技创新与应用,2014,4:32.

Design of automobile remote control system based on AES Technology

Wu Zhenyun, Fang Zheng
( Anhui Jianghuai Automobile Group Limited by Share Ltd Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

Automotive remote control system is one of the key technologies of customer experience.This paper introduces a design scheme of remote control system based on AES encryption protocol. The main remote control encryption protocol is mainly KEELOQ and AES technology, in which AES algorithm has good scalability, less hardware dependence, high security advantages; The system consists of remote control transmitter and receiver module, the design process includes hardware design, impedance matching, PCB design, communication strategy definition and other aspects,and through the RF index test to ensure the reliability of the design. The system has the characteristics of high security,good reliability and strong anti-interference ability.

AES technology; remote control receiving module; remote control transmitting module; communication strategy

CLC NO.: U461 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-72-04

U461 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-72-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.023

吴震云，男，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。