Analog-/Mixed-Signal-ICs
Strom sparen mit intelligenten UHF-Empfängern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Daten ver- und entschlüsseln
Grundsätzlich müssen die ausgetauschten Daten verschlüsselt werden, um sicherzustellen, dass das Verriegeln und Entriegeln der Türen nur mit einem gültigen Funkschlüssel durchgeführt werden kann. Die Überprüfung der Datenpakete erfordert einigen zusätzlichen Rechenaufwand. Atmels offenes Protokoll nutzt das AES-128-bit-Verschlüsselungsverfahren, um die Funkschlüssel-Nachricht zu validieren [3].
Die Entschlüsselung einer solchen Nachricht benötigt ungefähr 18 ms Rechenzeit und wird von der 8-bit-AVR-MCU im UHF-Empfänger durchgeführt. Im Vergleich zum Mikrocontroller des BCM, typischerweise eine 32-bit-CPU, dauert die Decodierung selbst länger, die Aktivierung der 32-bit-MCU würde wegen PLL-Initialisierungen und RTOS-Aktivierungsaufgaben allerdings ebenfalls zusätzliche Zeit benötigen. Die Verarbeitung der Datenverschlüsselung im UHF-Empfänger hat vor allem den Vorteil, dass sich die Stromaufnahme für diese Aufgabe um einen Faktor von fünf bis zehn verringern lässt.
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Für den AES-Programmcode werden zusätzlich ca. 1,5 kB Flash-Speicher und 100 Bytes SRAM-Datenspeicher benötigt. Der Gesamt-Speicherbedarf für die Flash-Anwendung bei Verwendung der internen ROM-Funktionen beträgt ca. 2,6 kB Flash-Speicher für Programmcode und 250 Bytes für den SRAM-Datenspeicher. Ein solches Verschlüsselungsverfahren (Bild 4) basiert auf einer Datennachricht mit einem Authentifizierungs-Code (MAC), der durch die 128-bit-AES-Verschlüsselung der Nachricht erzeugt wird, um die Nachrichtendaten zu sichern. Hierzu ist ein geheimer Schlüssel erforderlich, der sowohl im UHF-Empfänger als auch im EEPROM des Funkschlüssels gespeichert ist. Die 128-bit-AES-Verschlüsselung wird in Atmels Applikationsbericht [3] genauer erklärt.
Sammeln und Prüfen der Datentelegramme
Das für RKE- und TPMS-Funktionen benutzte typische Datenprotokoll setzt sich aus mehreren Datentelegrammen für die Prüfung des Datenpakets zusammen. Hierdurch erhöht sich die Zuverlässigkeit der Datenübertragung im Fall externer HF-Störer oder schwacher HF-Signale.
Bild 5 zeigt ein RKE-Datenprotokoll mit den UHF-Kanälen „B“ und „C“. Ein Empfang ist per Definition gültig, wenn die drei Datenpakete „a“, „b“ und „c“ empfangen wurden. Datenpakete müssen auf beiden UHF-Kanälen mit den korrekten Parametereinstellungen und in der erwarteten Reihenfolge „a“ bis „c“ erkannt werden. Nur wenn diese Datensequenz gültig ist, wird der BCM-Mikrocontroller aktiviert, um die Türen zu entriegeln.
Das TPMS-Signal wird auf dem UHF-Kanal „A“ übertragen. Ein gültiger Datenempfang erfordert die Erkennung einer Mindestanzahl von Datentelegrammen in einer Datenpaketfolge von „1“ bis „7“ eines TPMS-Sensors. Hat der UHF-Empfänger die erforderliche Anzahl empfangen und validiert (in diesem Beispiel die Datenpakete „2“, „3“ und „4“), aktiviert er den Mikrocontroller, um die Reifendruck-Daten zu überprüfen. In beiden Fällen übernimmt der UHF-Empfänger die Aufgabe, vor der Aktivierung des BCM die Datenpakete zu empfangen und zu prüfen, um so den Stromverbrauch zu senken.
Passive Zugangssysteme mit NF-Weckfunktion
Zukünftige passive Zugangssysteme (Passive Entry, PE) verwenden ein NF-Feld mit 125 kHz, um in einem Bereich von zwei bis drei Metern die Annäherung von Personen zu erkennen, die einen entsprechenden Funkschlüssel mit sich tragen. Kritisch in Bezug auf die Energieaufnahme ist, dass die Aussendung eines NF-Daten-Telegramms je nach Polling-Verfahren bis zu 1 A benötigt. Daher erfordern solche Systeme technisch noch ausgereiftere Lösungen, um den Energiebedarf niedrig zu halten.
So ermöglicht die Benutzung eines intelligenten UHF-Empfängers es, die NF-Polling-Sequenz ohne Beteiligung des BCM-Mikrocontrollers auszulösen. Ein hochentwickelter NF-Treiber-Schaltkreis unterstützt hierfür die automatische Aussendung solcher NF-Datenpakete.
Der Empfänger startet das NF-Polling-Verfahren, indem er den NF-Treiber-Schaltkreis aktiviert, um das NF-Datentelegramm auszusenden. Danach überwacht er die UHF-Kanäle und wartet auf eine gültige Antwort des Funkschlüssels. UHF-Empfänger und NF-Treiber-Schaltkreis wiederholen diese Prozedur selbstständig in regelmäßigen Zeitabständen ohne Aktivierung des Mikrocontrollers. Der NF-Treiber-Schaltkreis ist dabei mit dem UHF-Empfänger verbunden (Bild 6).
Literatur
[1] Datenblätter der Atmel ATA5781/82/83 UHF-Empfänger unter http://www.atmel.com/products/automotive/car_access/key_components.aspx
[2] Datenblätter der Atmel ATA5831/32/33 UHF-Transceiver unter http://www.atmel.com/products/automotive/car_access/key_components.aspx
[3] Atmel Application Note AVR411: Secure Rolling Code Algorithm for Wireless Link
Der Autor
| Dr. Peter Sauer |
|---|
| studierte Optische Nachrichtentechnik an der Technischen Hochschule in Karlsruhe. Seit 2008 ist er bei der Atmel Automotive GmbH in Heilbronn -tätig, zunächst als Senior FAE Automotive Mikrocontroller. In seiner derzeitigen Position als Senior Application Engineer unterstützt er Atmels -Automotive-Kunden beim Design-in mit Schwerpunkt auf Mikrocontroller-basierenden-HF-/NF-Fahrzeugs-zugangs-ICs. |
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