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摘要：本文设计的PKE系统在通讯上采用高频和低频相结合的方式。在有效范围如果有多个标签，可以使用该方法解决标签的防冲突。本文主要介绍了AC协议设计的基本信息和注意事项，讨论了AC协议中使用二种不同的唤醒方式对PKE系统的不同时间响应。使用这二种唤醒方案都可以实现标签的防冲突，根据使用环境的不同可以选择不同的唤醒方式来提高系统的响应时间。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/247463.htm
关键词：PKE；标签；防冲突
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.009
引言
使用RFID 技术的免持式被动无钥匙门禁系统PKE（passive keyless entry），作为新一代防盗技术正逐渐成为汽车门禁系统应用的主流，成为新车型的普遍选项。该方法无需用手按动发送器按钮来锁上或者打开车门，只要拥有一个有效的应答器就可方便地进出车辆。
1 RKE和PKE的区别
传统RKE（remote key entry）钥匙系统，是通过车主在找到自己的车辆时，主动在钥匙端按一下开锁键，由钥匙端主动发送打开车门的命令到车身控制模块，车身控制模块在识别该条开门指令后，通过解密验证后，车身控制模块发出车门锁打开指令给汽车，从而实现开车门。关车门时，也是通过车主在钥匙端按一下上锁键，钥匙端主动发送上锁指令，车身控制模块收到指令后，给汽车上锁。
PKE开锁过程是：由车主拉一下门把手使车身控制模块发送激活命令，从而激活汽车周围的钥匙，被激活的钥匙主动发送开锁指令到车身控制模块，车身控制模块打开车锁。当汽车熄火后，钥匙离开汽车有效范围，因负载调制原理触发车身控制模块发送扫描车身周围是否有钥匙存在，如果钥匙已离开车身周围，则车身控制模块发出关锁指令，关上车门。
可见PKE和RKE不同之处在于PKE开锁或上锁都不需要车主按相应的按键，控制模块会自动判断钥匙是否在有效范围并进行开锁或上锁操作。
2 PKE工作原理
车主拉门把手让汽车产生开门的触发条件。控制模块接收到触发输入条件后，基站系统将发送一条编码的低频报文（唤醒码）。在该低频信号范围内的所有电子标签均会被这条报文唤醒，唤醒后，标签会对编码的数据段进行验证，如果基站发射的信息被识别，标签会使用高频发送一条加密的回答信号。基站如果接收到这条回复的信号，并对其解码，如果这条回答能被识别，那基站和标签之间就会建立起通讯，并进行后继的操作，并打开车门锁。
当车主拉一下车门把手时，便触发了PKE系统内的双向通信，相应的低频发射器天线被激活并发出低频信号。车主携带的标签接收基站发出的低频信号。如果这个信号与标签中保存的身份信息一致，标签就会被唤醒。这个过程可以防止噪声或干扰信号错误唤醒标签，延长电池寿命。标签被唤醒后将分析由汽车上的基站发出的认证口令，并发送相应的高频信号作为应答。这些信号都经过了加密处理。汽车将收到的应答信号和自己预存的信息进行对比，如果验证成功，则打开车门。在这个通讯过程中，双向低频（LF）/高频（UHF）数据产生并执行了一系列任务：防冲突，认证和场强测量。为了完成这些任务，其它的低频（LF）发射器天线可能会通过PKE基站模块顺次激活，并进行相同的通讯。如图1。
通信由轮询唤醒模式触发，唤醒模式被传送到当前LF场内所有电子标签中。响应时，在一个随机的时隙中，特殊电子标签的身份号（ID）通过高频（UHF）发送。假如特殊电子标签是该时隙中传输的唯一一个电子标签，其ID就可以被基站UHF接收器安全接收。接收到的ID会用来屏蔽之后的电子标签。
3 标签的备份和恢复
一般每个标签有2 5 6 b i t的EEPROM作为存储系统ID使用。其中128bit由车厂使用，在出厂前由汽车制造商定义，该储存空间烧写完成后无法更改。另外128bit由用户定义，该储存空间可以反复烧写。由这128bit区分为每个系统ID。车厂会根据每辆汽车的不同编号（例如汽车的发动机编号），记录对应的每个PKE系统的ID号。如果车主在使用过程中钥匙丢失或者损坏，想要重新配置一把新的钥匙，可以通过汽车的唯一编号，重新将相应的程序及密钥烧写进新的钥匙中，该钥匙就可以成为这个PKE系统中可用的新钥匙。
4 标签的防冲突
PKE 系统通常将会与多个ID 设备通信（大于1），这些ID 设备会一次性地出现在特殊车辆入口各自的访问区内。为了满足这个需求，就要在PKE系统中执行防冲突协议。
由于RFID受到各种约束，传统的信道争用解决技术不能直接在RFID系统中应用。这些约束主要有：标签的电源有限，不能用复杂度高的算法；标签的数量可能是未知的；标签间不能互相通讯；标签的存储容量有限；RFID系统带宽有限。目前广泛使用的防冲突算法主要有：基于树的算法和基于Aloha的算法。具体实现方式为优先级算法，随机二杈树等。综合考虑算法的复杂度和成本要求，本方案主要使用基于时隙的轮询算法。轮询方案可以使用标签ID作的唤醒码或使用全局唤醒码（WAKE_ALL）来唤醒标签。
采用标签ID作为唤醒码的方式：通常情况下拉一下车的门把手可触发基站发送唤醒码。当PKE系统的两个遥控器都在激活区时，基站首先发送第一个标签的ID码，然后再发送认证请求码，将第一个标签唤醒；第一个标签被唤醒并接收到请求码后，回送认证信息，结束认证过程。而处于激活区内的第二个标签不会被唤醒，维持在休眠状态。和处于激活区内两个遥控器必需同时唤醒且都要响应应答信号相比，可以采用这种认证时序的方案无疑可以节省大量功耗，延长电池的使用寿命；同时可以减小LF发射时间，减少基站功率消耗。如果不采用或无法采用标签ID作为唤醒码，基站必须发送WAKE_ALL信号以唤醒处于激活区内的所有标签，然后再发送标签1和标签2的ID，之后再发送认证请求码。处于激活区内的所有标签必须按接收到的ID顺序延时等待发射响应信息。这无疑加长了认证的时间并增加了标签电池消耗。 以下分别讨论使用ID作为唤醒码和使用wake_all作为唤醒码时，第一标签在或者不在有效区的通讯情况。
● 如果使用标签ID作为唤醒码，当有标签1在激活区的时候，PKE系统很快就进入双向通讯，不必再去唤醒第二个或第三个标签。这样大大缩短了系统响应时间。
● 如果标签1不在激活区，标签2在激活区时，使用标签ID作为唤醒码时，系统就会等待一个通讯周期的时间（系统等待第一个标签应答的最长时间）。然后再激活第二个标签，进入和第二个标签的双向通讯。
● 如果使用wake_all作为唤醒码，当标签1在激活区时，先要等待系统将所有标签都激活后，才能接收第一个标签的应签，再进入到双向通讯期。
● 如果使用wake_all作为唤醒码，当标签1不在激活区时。系统要等待属于第一个标签的通讯时隙结束后，才能响应第二个标签的响应，然后再进入到和第二个标签的双向通讯周期。
经上讨论：采用ID码作为唤醒码时，基站发送第一个标签ID码后，基站在应该接收到标签头码时间内，没有接收到头码信息时，可以立即发送第二个标签ID码（不需要等待超过一帧完整UHF数据时间）；在收到第二个标签ID码之前，第二个标签一直处于休眠状态。第二个标签被唤醒且收到认证请求码后，回送应答信号。认证结束后，根据“last used ID device is expected to be the next”的原则，第二个标签自动升级为第一个标签，之后在认证时，首先发送此标签ID作为唤醒码。
不采用或无法采用ID码作为唤醒码时，基站发送唤醒码同时唤醒两个标签，等待标签CPU初始化后再发送第一、第二个标签序列码和认证请求码。为了避免高频信号冲撞，第二个标签必须等待足够的时间（超过一帧完整UHF数据时间）才能发送UHF信号。在被唤醒后到发送UHF这段时间内CPU一直运行，浪费电池。认证结束后，下次再需要认证时将最近认证通过的标签ID首先发送。
对比以上四种情况，使用标签的ID码作为换醒码可以减小系统等待时间，加快系统反应速度。
5 反应时间计算
如果使用ID作为唤醒码，可以用式（1）作为反应时间的计算。
6 结论
在PKE系统中使用防冲突协议，下列参数对系统反应时间和时序有很大的影响：
1. 采用的AC方案（可使用钥匙ID作为唤醒码或基于wake up all）；
2. 在PKE系统中有效的ID设备（钥匙）的最大数；
3. LF和UHF通道的数据速率；
4. ID设备在通讯过程中所占的位数；
5. 协议初始化在通讯过程中的位数。
在同样情况下使用钥匙ID作为唤醒码可有效提高系统的反应速度。
参考资料：
[1]韦康，刘正琼，吴玺.PKE系统在汽车电子中的应用[J]：国外电子测量技术，2007（8）
[2]刘正琼，韦康，吴玺，等.智能PKE系统设计[J]：仪器仪表学报，2007增刊
[3]PCF9551 datasheet
[4]常丽娜，罗小川.基于μPD780503和μPD780881的PKE（被动无钥匙门禁）演示方案[J].世界电子元器件，2009（7）
[5]李宝山.基于动态ALOHA算法的RFID反碰撞技术[J]：无线电工程，2007（37）
关键词：PKE；标签；防冲突
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.009
引言
使用RFID 技术的免持式被动无钥匙门禁系统PKE（passive keyless entry），作为新一代防盗技术正逐渐成为汽车门禁系统应用的主流，成为新车型的普遍选项。该方法无需用手按动发送器按钮来锁上或者打开车门，只要拥有一个有效的应答器就可方便地进出车辆。
1 RKE和PKE的区别
传统RKE（remote key entry）钥匙系统，是通过车主在找到自己的车辆时，主动在钥匙端按一下开锁键，由钥匙端主动发送打开车门的命令到车身控制模块，车身控制模块在识别该条开门指令后，通过解密验证后，车身控制模块发出车门锁打开指令给汽车，从而实现开车门。关车门时，也是通过车主在钥匙端按一下上锁键，钥匙端主动发送上锁指令，车身控制模块收到指令后，给汽车上锁。
PKE开锁过程是：由车主拉一下门把手使车身控制模块发送激活命令，从而激活汽车周围的钥匙，被激活的钥匙主动发送开锁指令到车身控制模块，车身控制模块打开车锁。当汽车熄火后，钥匙离开汽车有效范围，因负载调制原理触发车身控制模块发送扫描车身周围是否有钥匙存在，如果钥匙已离开车身周围，则车身控制模块发出关锁指令，关上车门。
可见PKE和RKE不同之处在于PKE开锁或上锁都不需要车主按相应的按键，控制模块会自动判断钥匙是否在有效范围并进行开锁或上锁操作。
2 PKE工作原理
车主拉门把手让汽车产生开门的触发条件。控制模块接收到触发输入条件后，基站系统将发送一条编码的低频报文（唤醒码）。在该低频信号范围内的所有电子标签均会被这条报文唤醒，唤醒后，标签会对编码的数据段进行验证，如果基站发射的信息被识别，标签会使用高频发送一条加密的回答信号。基站如果接收到这条回复的信号，并对其解码，如果这条回答能被识别，那基站和标签之间就会建立起通讯，并进行后继的操作，并打开车门锁。
当车主拉一下车门把手时，便触发了PKE系统内的双向通信，相应的低频发射器天线被激活并发出低频信号。车主携带的标签接收基站发出的低频信号。如果这个信号与标签中保存的身份信息一致，标签就会被唤醒。这个过程可以防止噪声或干扰信号错误唤醒标签，延长电池寿命。标签被唤醒后将分析由汽车上的基站发出的认证口令，并发送相应的高频信号作为应答。这些信号都经过了加密处理。汽车将收到的应答信号和自己预存的信息进行对比，如果验证成功，则打开车门。在这个通讯过程中，双向低频（LF）/高频（UHF）数据产生并执行了一系列任务：防冲突，认证和场强测量。为了完成这些任务，其它的低频（LF）发射器天线可能会通过PKE基站模块顺次激活，并进行相同的通讯。如图1。
通信由轮询唤醒模式触发，唤醒模式被传送到当前LF场内所有电子标签中。响应时，在一个随机的时隙中，特殊电子标签的身份号（ID）通过高频（UHF）发送。假如特殊电子标签是该时隙中传输的唯一一个电子标签，其ID就可以被基站UHF接收器安全接收。接收到的ID会用来屏蔽之后的电子标签。
3 标签的备份和恢复
一般每个标签有2 5 6 b i t的EEPROM作为存储系统ID使用。其中128bit由车厂使用，在出厂前由汽车制造商定义，该储存空间烧写完成后无法更改。另外128bit由用户定义，该储存空间可以反复烧写。由这128bit区分为每个系统ID。车厂会根据每辆汽车的不同编号（例如汽车的发动机编号），记录对应的每个PKE系统的ID号。如果车主在使用过程中钥匙丢失或者损坏，想要重新配置一把新的钥匙，可以通过汽车的唯一编号，重新将相应的程序及密钥烧写进新的钥匙中，该钥匙就可以成为这个PKE系统中可用的新钥匙。
4 标签的防冲突
PKE 系统通常将会与多个ID 设备通信（大于1），这些ID 设备会一次性地出现在特殊车辆入口各自的访问区内。为了满足这个需求，就要在PKE系统中执行防冲突协议。
由于RFID受到各种约束，传统的信道争用解决技术不能直接在RFID系统中应用。这些约束主要有：标签的电源有限，不能用复杂度高的算法；标签的数量可能是未知的；标签间不能互相通讯；标签的存储容量有限；RFID系统带宽有限。目前广泛使用的防冲突算法主要有：基于树的算法和基于Aloha的算法。具体实现方式为优先级算法，随机二杈树等。综合考虑算法的复杂度和成本要求，本方案主要使用基于时隙的轮询算法。轮询方案可以使用标签ID作的唤醒码或使用全局唤醒码（WAKE_ALL）来唤醒标签。
采用标签ID作为唤醒码的方式：通常情况下拉一下车的门把手可触发基站发送唤醒码。当PKE系统的两个遥控器都在激活区时，基站首先发送第一个标签的ID码，然后再发送认证请求码，将第一个标签唤醒；第一个标签被唤醒并接收到请求码后，回送认证信息，结束认证过程。而处于激活区内的第二个标签不会被唤醒，维持在休眠状态。和处于激活区内两个遥控器必需同时唤醒且都要响应应答信号相比，可以采用这种认证时序的方案无疑可以节省大量功耗，延长电池的使用寿命；同时可以减小LF发射时间，减少基站功率消耗。如果不采用或无法采用标签ID作为唤醒码，基站必须发送WAKE_ALL信号以唤醒处于激活区内的所有标签，然后再发送标签1和标签2的ID，之后再发送认证请求码。处于激活区内的所有标签必须按接收到的ID顺序延时等待发射响应信息。这无疑加长了认证的时间并增加了标签电池消耗。 以下分别讨论使用ID作为唤醒码和使用wake_all作为唤醒码时，第一标签在或者不在有效区的通讯情况。
● 如果使用标签ID作为唤醒码，当有标签1在激活区的时候，PKE系统很快就进入双向通讯，不必再去唤醒第二个或第三个标签。这样大大缩短了系统响应时间。
● 如果标签1不在激活区，标签2在激活区时，使用标签ID作为唤醒码时，系统就会等待一个通讯周期的时间（系统等待第一个标签应答的最长时间）。然后再激活第二个标签，进入和第二个标签的双向通讯。
● 如果使用wake_all作为唤醒码，当标签1在激活区时，先要等待系统将所有标签都激活后，才能接收第一个标签的应签，再进入到双向通讯期。
● 如果使用wake_all作为唤醒码，当标签1不在激活区时。系统要等待属于第一个标签的通讯时隙结束后，才能响应第二个标签的响应，然后再进入到和第二个标签的双向通讯周期。
经上讨论：采用ID码作为唤醒码时，基站发送第一个标签ID码后，基站在应该接收到标签头码时间内，没有接收到头码信息时，可以立即发送第二个标签ID码（不需要等待超过一帧完整UHF数据时间）；在收到第二个标签ID码之前，第二个标签一直处于休眠状态。第二个标签被唤醒且收到认证请求码后，回送应答信号。认证结束后，根据“last used ID device is expected to be the next”的原则，第二个标签自动升级为第一个标签，之后在认证时，首先发送此标签ID作为唤醒码。
不采用或无法采用ID码作为唤醒码时，基站发送唤醒码同时唤醒两个标签，等待标签CPU初始化后再发送第一、第二个标签序列码和认证请求码。为了避免高频信号冲撞，第二个标签必须等待足够的时间（超过一帧完整UHF数据时间）才能发送UHF信号。在被唤醒后到发送UHF这段时间内CPU一直运行，浪费电池。认证结束后，下次再需要认证时将最近认证通过的标签ID首先发送。
对比以上四种情况，使用标签的ID码作为换醒码可以减小系统等待时间，加快系统反应速度。
5 反应时间计算
如果使用ID作为唤醒码，可以用式（1）作为反应时间的计算。
6 结论
在PKE系统中使用防冲突协议，下列参数对系统反应时间和时序有很大的影响：
1. 采用的AC方案（可使用钥匙ID作为唤醒码或基于wake up all）；
2. 在PKE系统中有效的ID设备（钥匙）的最大数；
3. LF和UHF通道的数据速率；
4. ID设备在通讯过程中所占的位数；
5. 协议初始化在通讯过程中的位数。
在同样情况下使用钥匙ID作为唤醒码可有效提高系统的反应速度。
参考资料：
[1]韦康，刘正琼，吴玺.PKE系统在汽车电子中的应用[J]：国外电子测量技术，2007（8）
[2]刘正琼，韦康，吴玺，等.智能PKE系统设计[J]：仪器仪表学报，2007增刊
[3]PCF9551 datasheet
[4]常丽娜，罗小川.基于μPD780503和μPD780881的PKE（被动无钥匙门禁）演示方案[J].世界电子元器件，2009（7）
[5]李宝山.基于动态ALOHA算法的RFID反碰撞技术[J]：无线电工程，2007（37）