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基于AES的汽车无钥匙门禁系统的研究与实现

作　者: 闫浩
导　师: 范文兵
学　校: 郑州大学
专　业: 电路与系统
关键词: 无钥匙门禁系统超高频收发电路低频唤醒电路高级加密算法身份认证协议
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着汽车行业的不断发展和车主对汽车功能要求的不断增多,继RKE系统(Remote Keyless Entry)之后,PKE系统进入汽车市场,并迅速得到中高档汽车青睐。完善的PKE系统设计技术全部掌握在少数外企手中,造成PKE产品成本高,应用不够灵活,使得在中国广阔的汽车市场中,只有少数高档汽车才能够配备PKE系统。本文对PKE系统进行了一系列的研究,设计了一种实用、安全的PKE系统设计方案,并实现了PKE样机。文中首先分析了PKE系统的国内外研究现状和产品发展状况,并详细阐述了PKE系统的各功能模块,包括MCU逻辑控制模块,UHF (315MHz)发射模块和接收模块,低频(125KHz)发送模块以及低频唤醒模块。其中低频唤醒模块主要完成免操作自动上锁开锁功能,高频遥控控制模块主要完成远程寻车和远程开锁上锁功能。然后对PKE系统中的关键技术：二进制键控调制、Manchester编码、AES加密以及身份认证进行了详细地分析,为系统设计奠定了基础。汽车PKE系统的硬件设计以MC9S08DZ32和PIC16LF1828作为核心控制芯片。前端高频遥控收发系统采用TI公司的超低功耗高频收发芯片CC1101和CC1150以及外围器件设计,实现了低功耗和高效率的数据传输功能。前端低频收发系统采用AS3933、MC33151和IRF7389及相关外围器件进行设计,实现近距离系统自动唤醒功能以及低频数据通讯功能。系统的软件设计主要在MCU单元内完成,实现数据加密和身份认证协议等核心逻辑功能。本系统在PKE系统硬件电路设计基础上,依据Microchip公司的KEELOQ加密技术以及飞思卡尔公司的VKSP安全协议等汽车门禁系统的身份认证协议,依据本系统设计的软硬件特点,设计了基于高级加密标准(AES)技术的数据加密和基于动态口令认证协议的身份认证,并完成了整个系统的软件设计。最后本文应用ADS仿真软件,对PKE系统中的315MHz超高频收发电路和125KHz低频收发电路进行仿真验证,并对系统参数进行调整,给出了PKE系统的PCB版图以及软硬件实现。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-18
  1.1. 课题研究背景及意义  9-12
    1.1.1. RFID技术的发展及其门禁系统应用  9-10
    1.1.2. 汽车无钥匙门禁系统的发展历程  10-12
    1.1.3. 现存门禁系统的缺点及改进方法  12
  1.2. 汽车无钥匙门禁系统概述  12-16
    1.2.1. 系统功能描述  12-13
    1.2.2. 系统实现方案  13-15
    1.2.3. 系统设计要点及难点  15-16
  1.3. 本文的研究内容及内容安排  16-18
第二章系统的基础理论  18-28
  2.1. RFID基础理论  18-22
    2.1.1. RFID系统的工作原理  18-19
    2.1.2. 二进制振幅键控方法  19-21
      2.1.2.1. 2ASK调制原理  19-20
      2.1.2.2. 2ASK调制与解调  20-21
    2.1.3. Manchester编码  21-22
    2.1.4. 射频识别应用系统的安全分析  22
  2.2. AES加密算法基础  22-26
    2.2.1. AES算法描述  23-25
    2.2.2. AES加密性能分析  25-26
  2.3. 身份认证基础  26-28
    2.3.1. 身份认证系统的合格标准  26
    2.3.2. 身份认证的分类  26-28
第三章系统的软硬件设计  28-47
  3.1. 系统框架描述  28-29
    3.1.1. 车身控制模块框架  28-29
    3.1.2. 遥控钥匙模块框架  29
  3.2. 系统硬件电路设计  29-41
    3.2.1. 车身控制模块电路设计  29-37
      3.2.1.1. MCU控制单元设计  30-31
      3.2.1.2. 串行口通讯单元和CAN总线接口设计  31-33
      3.2.1.3. 315MHz接收单元设计  33-36
      3.2.1.4. 125KHz发射模块设计  36-37
    3.2.2. 钥匙模块  37-41
      3.2.2.1. 低频唤醒单元设计  37-39
      3.2.2.2. 315MHz发射单元设计  39-41
  3.3. 软件设计  41-47
    3.3.1. 主程序设计  41-45
      3.3.1.1. 车身控制模块主程序设计  41-43
      3.3.1.2. 遥控钥匙模块主程序设计  43-45
    3.3.2. AES加密模块程序设计  45
    3.3.3. 低频通信模块程序设计  45-47
第四章身份认证系统设计  47-62
  4.1. Keeloq认证机制分析  47-49
    4.1.1. Keeloq加密技术原理  47-48
    4.1.2. Keeloq认证过程  48-49
  4.2. 基于AES加密算法的认证系统设计  49-60
    4.2.1. 密钥发生设计  49-50
    4.2.2. 数据帧设计  50-52
    4.2.3. 学习过程设计  52-56
    4.2.4. 认证过程设计  56-60
      4.2.4.1. 单向认证  56-57
      4.2.4.2. 双向认证  57-59
      4.2.4.3. 动态密钥同步认证  59-60
  4.3. 认证性能分析  60-62
    4.3.1. 安全性分析  60
    4.3.2. 硬件运行性能分析  60-62
第五章系统硬件仿真  62-73
  5.1. UHF(315MHz)电路仿真  62-67
    5.1.1. 发射电路仿真及仿真结果  62-65
    5.1.2. 接收电路仿真及仿真结果  65-67
  5.2. 低频125KHz)电路仿真  67-73
    5.2.1. 发射电路仿真  67-70
    5.2.2. 发射电路LRC谐振电路的仿真  70-73
第六章结论  73-75
参考文献  75-78
附录A:PKE系统PCB图  78-79
附录B:PKE实物图  79-80
个人简历  80
在学期间发表论文情况  80
致谢  80

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