多功能智慧車鑰用途多元　無鑰系統優化汽車安全與防盜

圖1　汽車鑰匙系統架構的進展過程

若進一步針對此技術進行說明，上述電子標籤乃透過汽車與鑰匙間125kHz的無線通訊進行電子身分識別，進而啟動汽車引擎。此一技術大幅地提升汽車安全性，並在短時間內在歐洲以及北美地區被廣泛應用，進而使歐洲的汽車失竊率在短短幾年間降低達90%，因而成為整個歐洲的汽車標準配備。

此外，同樣立基於無線通訊之遙控鑰匙(Remote Keyless Entry, RKE)的出現，亦為汽車駕駛帶來絕佳的體驗，滿足人們對便利及舒適性的要求。雖然其射頻單向通訊目前仍有技術限制，使其在安全性上未達完善；但已有業者因應此部分而推出整合方案，把引擎防盜和遙控鑰匙合而為一，僅用一顆晶片來提升系統的安全性，同時降低鑰匙的成本，逐漸取代單一的遙控鑰匙，成為歐、美、日市場上的主流方案。

無鑰系統提升車輛駕駛便利性

以恩智浦為例，該公司最早於2003年推出車用被動無鑰進入系統(Passive Keyless Entry, PKE；或稱Passive Entry & Push Start, PEPS)，並改變汽車安全防護應用領域的發展前景，為汽車駕駛帶來全新舒適與便利的體驗。

顧名思義，該無鑰系統可允許車主在整個駕駛過程中完全不須使用鑰匙，當車主接近車輛的有效範圍時，車輛便會自動檢測鑰匙並進行身分識別，驗證成功即自動打開車門或後車廂；而一旦車主進入車內，亦只須按壓引擎啟動按鈕，車輛便會自動檢測鑰匙的位置，判斷鑰匙是否在駕駛座，檢測成功則自動發動引擎。  

這個看似不起眼的改變，大幅簡化人類的生活。無鑰系統不僅帶來舒適與方便，也大幅提升安全性。透過低頻和射頻的雙向通訊，汽車與鑰匙間可以完成複雜的雙向身分認證，達到與引擎防盜類似的安全性，遠優於傳統的遙控鑰匙。  

而也因為擁有較佳的操控體驗，車界從2003年少數高階車款成功量產無鑰系統開始，車商花了2～3年的時間導入此一技術。目前幾乎全球每一個主流車廠皆有車款採用無鑰產品，涵蓋範圍遍及入門、中階至高階的車款。  

區域檢測為無鑰系統重要指標

若欲了解無鑰系統之運作模式，可從圖2略知一二。無鑰系統共須檢測與判斷三種區域，分別是車外區域，車內區域及主駕駛位置。其中淺灰的陰影區包括主駕駛區、副駕駛區及後車廂等三部分車門控制的有效區域。當車主帶著鑰匙進入偵測範圍時，車輛跟鑰匙間即可建立起有效通訊，透過低頻訊號的電場強度檢測，車輛可以判斷出鑰匙的對應位置，進而打開對應的車門。車內區域是整個PKE系統設計的困難部分，要精確判斷鑰匙是否在車內，以決定車門狀態和發動機是否可啟動。在某些高階車型的設計中，主駕駛區亦列入檢測，鑰匙是否有效、主駕駛座是否有人，以避免如兒童誤操作導致的引擎啟動問題；後車廂內區域亦可列為檢測範圍，以防止鑰匙被誤鎖入後車廂。

圖2　無鑰匙系統須檢測三種區域︰車外區域、車內區域及主駕駛位置

在無鑰系統中，區域檢測是一個非常重要且不同於以往各種汽車安全防護產品的技術，區域檢測的精確度是衡量一個無鑰系統好壞的重要指標。目前市場上主要有兩種相應技術，第一種是透過調節低頻訊號靈敏度強弱，進而根據通訊是否穩定以進行模糊判斷。此類雖然精確度有限，但較容易實現。  

第二種則是以接收低頻訊號的強度檢測為基礎來判斷，即接收訊號強度指令(Received Signal Strength Indication, RSSI)，RSSI越大表示接收強度越強。此乃根據低頻訊號的大小來計算鑰匙與車內低頻天線的相對距離，透過多根低頻天線交叉覆蓋範圍，以精確定位鑰匙的具體位置。目前已問世之產品多採用第二種技術。  

為達到理想的性能參數，相關廠商提供最小2.5毫伏特(mV)的三維(3D)低頻訊號靈敏度，而典型的靈敏度值可達1毫伏特。值得一提的是，有業者提出不同於其他解決方案的作法，捨棄逐次逼近式(Successive Approximation)類比數位轉換器(ADC)，而採用12位元的Sigma-Delta(Σ-Δ)ADC，透過多點採樣平均來消除噪音干擾，目前可達到最好的車內外檢測精確度達2公分，優於一般車廠要求的5～10公分。  

無鑰系統的架構圖如圖3，左側為汽車端，包括主控制單元(Body Control Unit)、車門把手和後車廂把手觸動模組、引擎鍵啟動/停止模組、引擎防盜基地台模組(IMMO Base Station)、低頻發射模組及射頻接收模組。其中三個淺色的模組主要是用來觸動整個系統，當車主拉開車門或按下啟動按鈕，對應的模組會發送中斷訊號來喚醒主控微控制器(MCU)，開始整個通訊過程。

圖3　無鑰匙系統架構圖。

常見的無鑰系統工作模式分為觸動模式和掃描模式(Polling)兩大類。其中觸動模式又分為機械觸動和電子感應觸動，此部分須綜合考量系統成本與性能，例如整個系統的反應時間包括從拉動門把手到車門打開的整個反應時間，才能有效設計。

而引擎防盜基地台模組則採125kHz低頻通訊模組，用來達成與鑰匙的近距離通訊、發動引擎。此功能屬於備用方案，又稱「無電模式」，只有在鑰匙電池耗盡或意外干擾無鑰系統，導致無法正常工作時才會採用。在此種情況下，駕駛人只須手持鑰匙放在固定位置(例如凹槽)，鑰匙就可以跟基地台建立通訊，進行身分認證來啟動引擎。  

目前已問世之無鑰系統便是在晶片本身中整合了引擎防盜功能，並與轉發器 (Transponder)產品相容，在大幅提升系統可靠性的同時，尚且毋須增加額外成本。

前述的低頻發射模組和射頻接收模組均屬於無鑰系統的基本通訊連結。低頻發射採用125kHz，為上行連結(Up-link)，由車輛端發送至鑰匙端；射頻接收則採用315MHz或434MHz，為下行連結(Down-link)，由鑰匙端發送至車輛端。之所以採用125kHz，一方面是為了整合引擎防盜的相關技術，更重要的是125kHz的訊號對距離敏感，可進行精確的距離檢測，達到關鍵的定位作用。  

射頻則採用傳統遙控鑰匙的頻段，整合遙控鑰匙的基本功能，並善用其通訊速度快的優勢。此處所謂的通訊速度，是指鑰匙跟車輛間用於認證加密的數據傳輸，為保證在較短時間內完成無鑰匙開門或發動的過程，需要採用較高的位元速率(一般為8k～20kbit/s)，通常不建議採用低階的SAW發射模組(1 kbit/s)，而採用以鎖相環技術為基礎的發射晶片。  

為了達到相同目的，射頻頻段也有採用更高頻的868MHz或915MHz的趨勢。如圖3所示，低頻發射模組包括多個低頻天線，安裝於車門把手內用來實現無鑰匙進入；安裝於車身內部，用來實現無鑰匙啟動。

3D低頻天線讓鑰匙檢測 無死角

在實際運作中，鑰匙端的系統架構如圖4，在此是以恩智浦的PCF7952或PCF7953為主晶片，射頻發射晶片則採用PCF7900，而對應在車輛端的射頻接收晶片則是PQJ7910。

圖4　鑰匙端的系統架構。

PCF7952/53由於具有低頻類比前端(LF Front End)，用來連接外部3D天線較為適合。而在無鑰系統中，鑰匙端須外加3D低頻天線，以接收與檢測外部空間的3D能量場，分別為X、Y、Z軸。透過加總三個方向上的能量，可以保證鑰匙在任何角度都能檢測到同樣的訊號。其中的一軸天線還被重複用為引擎防盜的功能，達到無電模式下的引擎啟動。  

透過上行和下行連結，鑰匙跟汽車可以建立起雙向通訊，進行複雜的身分認證。最新一代的認證技術被稱為交互認證技術(Mutual Authentication)，不僅需要汽車來認證鑰匙，同時也需要鑰匙來判斷車輛是否合法，而任何錯誤都會導致整個通訊結束，藉此來保證系統的安全性。  

通訊距離是由低頻上行連結125kHz決定，通常PKE系統的有效工作距離為2.5公尺左右，而實際有效開關門距離為1.5～2公尺。除了車內外檢測準確度以外，鑰匙端的功耗也是衡量一個無鑰系統好壞的重要指標，PCF7952內建的電源管理模組可最大程度降低整個系統功耗。一套成熟的無鑰系統方案，鑰匙端在一顆3伏特鋰電池供電的情況下，電池壽命可以長達3年。

多功能智慧型車鑰為產業發展趨勢

從前文可以看出，隨著技術不斷演進，駕駛便利性與車輛安全性也不斷提升。繼無鑰系統之後，下一代的汽車鑰匙Keylink也已呼之欲出。如恩智浦早在2008年底即與寶馬(BMW)技術研發部推出全球第一款多功能車鑰匙原型。此款產品原型採用恩智浦的SmartMX安全晶片，具備非接觸付費功能，為未來的消費者開創全新的應用環境。其應用環節包括：駕駛人僅須透過車鑰，即可進行快速、安全和便捷的電子付費體驗。  

Keylink最大的突破在於把車鑰跟外部智慧終端連接起來，像是讓鑰匙跟手機、個人數位助理(PDA)等設備達成近距離的無線連接。包括透過手機螢幕隨時查詢車輛狀態、門窗狀態、油箱油量、車內溫度等；透過鑰匙跟手機的配合，手機的全球衛星定位系統(GPS)導航可幫駕駛人輕鬆找到停車地點；使用個人電腦將選定的外出路線存入鑰匙，車用導航系統將自動導入路線訊息，駕駛人可輕易規畫行駛路線；或是車輛出廠紀錄與維修紀錄皆存在鑰匙中，便於維護與駕駛人查閱。  

整合非接觸式付費功能與車鑰匙，超越了傳統付費的限制，創造一種嶄新的生活方式；而從汽車鑰匙轉變為信用卡，也反應了提高車主支付體驗的產業發展方向，不但實現更廣範圍的移動性增強服務，也豐富消費者的生活方式體驗。  

(本文作者為恩智浦半導體汽車電子行銷經理)