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“解剖”Volvo汽车遥控钥匙

2022-11-29 15:20:35 Brian Dipert 阅读:
“当生活给了你酸溜溜的柠檬时,就把它做成酸甜的柠檬汁吧(随遇而安,苦中作乐)!”我打算通过拆解这个被“肢解”的遥控钥匙碎片并对其进行分析来实现这句格言。在此过程中,我也希望深入了解这些东西如何发挥作用。

当我开始提笔写这篇文章之际,时序正进入四月初,春天倏然涌现(大致情形如同想象那样…毕竟这里是科罗拉多州),而我家门前的雪堤(这正是家中那台本田吹雪机首次“肢解”沃尔沃(Volvo) XC70遥控钥匙并将其埋藏的第一现场)几乎完全融雪了。xWyednc

事情是这样的:前几天,当我快回到家门口前却不慎在结冰的路面滑倒了。虽然人没受伤,也没损坏任何东西(除了我的自尊心),但在雪地上遗落了我的Volvo XC70无线遥控钥匙,我却浑然不知。当晚过后由于累积了大约5英寸的厚雪,于是隔天一早我就启动了吹雪机开始清除积雪,以免门前地面再度结冰。xWyednc

回想起来,当时隐约在清理过程中听到“嘎吱嘎吱”作响,但机器工作经常发出这种声音——尤其是吹雪机吸取到碎冰、小螺丝或树皮时。xWyednc

直到我遍寻不着Volvo XC70时,彷佛瞬间明白究竟发生什么事了。然而,当我见到它的最后一面时,已经只剩下散落在植物、树木和灌木之间的遥控钥匙“残骸”了:xWyednc

这个遥控钥匙的大部分外壳,包括前面板按钮组件;xWyednc

  • 两颗CR2430电池中的一颗;
  • 外壳内的PCB。

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“当生活给了你酸溜溜的柠檬时,就把它做成酸甜的柠檬汁吧(随遇而安,苦中作乐)!”我打算通过拆解这个被“肢解”的遥控钥匙碎片并对其进行分析来实现这句格言。在此过程中,我也希望深入了解这些东西如何发挥作用。xWyednc

在此之前要先搞定怎么称呼这玩意儿,这是一个很好的起点。先前提到的“遥控钥匙”只是一个通称,维基百科中更倾向于称其为“智能钥匙”。它是远程无钥匙门禁系统的“关键”部件:xWyednc

“智能门禁系统是种用于控制人员进出建筑物或汽车而无需使用传统机械式钥匙的电子锁。无钥匙进入系统这个术语,原本指的是由位于驾驶门或附近的小型键盘所控制的锁,这需要输入预先设定(或是自编程)好的数字密码。这种系统现在有一个隐藏的触控启动键盘,某些福特和林肯车型依然在沿用这种锁。远程无钥匙系统(RKS)这个术语,也称为无钥匙进出或远程中央锁定,是指使用电子遥控器作为钥匙并由手持设备对其激活或通过接近对其自动激活的锁。RKS广泛用于各式汽车,能执行标准的汽车钥匙功能,而无需实际接触。在距离车子几码以外时,按下遥控器上的按钮就能锁上或解锁车门,并可执行其他功能。远程无钥匙系统可以包括用于解锁车门的RKE,以及发动引擎的遥控无钥匙点火系统(RKI)。”xWyednc

包括智能钥匙在内的汽车电子配件应该怎样设计?2022年12月28日,由全球领先电子科技媒体集团AspenCore和上海市交通电子行业协会合办的“中国国际汽车电子高峰论坛”,将在上海浦东喜来登由由大酒店隆重举行。此次论坛开设智慧出行峰会、智能驾驶与预期功能安全论坛、智能座舱与人机交互论坛、新能源汽车发展论坛等交流平台,以汽车电子全产业链的视角、多维度的观察方式,引发更多样与更具影响力的思考。点击这里报名参加。xWyednc

搭配我这款智能钥匙的车型是2008年的Volvo XC70全时四驱(AWD)车。从我在网络上搜寻到的经销商所讨论的数据看来,Volvo先前年份的车型一开始使用“傻瓜式”遥控钥匙,就是车主能通过“定制”操作模式专门将其配对至特定车辆(类似你把车库门遥控器和电机组件的接收器链接起来的意思)。讽刺的是,较新款的Volvo却又回归了这个显然对用户友善的相同方法。而其间——从我的车型年份开始及其后数年的时间,Volvo智能钥匙都预先编程好了定制密码(并印在所有重要的文件上),只有经销商能(所费不赀地)替车子配对。我还真是幸运呢!xWyednc

一旦初始配对成功了,尽管在制造商以及车型之间有实现上的细微差距,但就概念而言,操作还算是简单的。与更新的概念实现相比,我的智能钥匙相对而言比较基本:集成按钮使我能解锁车门和防盗锁(单击解锁驾驶座的门,第二下则解除所有位置的锁),以及锁上(所有的)车门(这些按钮显然也可控制窗户…我承认自己并不知道这回事,直到这次在搜寻时重读了用户手册才知道);当你走近车子时可以让车灯亮起,以及确实解除车门锁和仅解除尾门防盗锁。还有一个“恐慌”按钮按下去会让喇叭大响、车灯大闪,以及配合按钮矩阵周围绿色(左上)、黄色(右上)和双红(左下) LED灯一起作用的“信息”按钮,这能告诉你车子是未锁、上锁或警报已启动(以及此时车内是否检测到还有人在)。xWyednc

一旦进入车内,基本上启动车子的方式是将钥匙插入仪表板插槽,电机就会在此将其馈入锁定的操作位置,然后压下它旁边的“启动停止引擎”(Start Stop Engine)按钮。xWyednc

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糟糕的是,钥匙很容易卡在这个位置。xWyednc

所幸在我这个特殊情况中,只要我坐在驾驶座而且智能钥匙和车子之间的无线连接并未被射频阻塞,车子显然还有让我还有其他选择——智能钥匙仍在口袋(或其他地方)的情况下也能发动车子(即先前维基百科中提到的RKI)。xWyednc

但参考我之前的“与更新的概念实现相比较为基本”的评论,那表示我的车子并没那么酷。举例而言,我家另一台路虎发现车,它可以锁上或不锁周围的任何车门,仅须通过车门上的电容开关启动即可,也不用从包包里拿出智能钥匙插入才能启动车子,更别说按下其上的按钮了(再次重申,必备条件是智能钥匙和车子之间的无线连接未被射频阻塞)。就如最近和我交谈的经销商所确定的,那表示这个方法有显著的不利之处:智能钥匙不必一直进行广播,这对电池寿命而言是有弊无利的。过去数年来,有几次在开这台车时必须把钥匙放在靠近方向盘的特定位置上才能发动车子(这主要是通过感应耦合以补充无线电力传输),一旦安全返家后,马上就得动手为智能钥匙换电池(为此我随时手上都备有电池)。新的Volvo车型采用的替代做法是把这个感应的“特殊点”设置在中控台上。xWyednc

介绍了一些基本概念后,让我们开始分析今天的主题。当我找到这个XC70遥控钥匙“残骸”时,其外壳的两半已经裂开(更别提从备用金属钥匙上裂开的碎片了,但它依旧连接在Tile Mate蓝牙防丢小帮手和我的其他对象上)。我暂时把它们压回去,拍了前面的几张照片。接下来的这张照片是我遭遇到的较实际的外观(你可以想象一下它们深埋在雪堆里的样子)。xWyednc

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翻过来PCB立即映入眼帘:xWyednc

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由于外壳裂开了,PCB往左上突出:xWyednc

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在按钮矩阵和PCB之间有一层“薄膜”,推测其作用大概是要给智能钥匙一些外表的防潮作用以及广泛的环境抗力:xWyednc

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但我们最关心的是PCB,对吧?xWyednc

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拆掉几对固定片,随即将多按钮组件向上提起,就能一窥PCB正面的电路全貌:xWyednc

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马上映入眼帘的是六个开关,其中三个位于先前提过的LED信息灯周围。而在PCB一端的是标记CC1020的IC,显然是一个“针对402-470及804-940MHz范围窄带应用的单芯片FSK/OOK CMOS无线收发器”。尽管我并不清楚这颗特殊IC上的制造商标记,读者们可以参考德州仪器(TI)的芯片产品页面。xWyednc

相反地,虽然其他芯片(在开关矩阵中间)的来源很明确,但功能却有点神秘。例如标有F7953C05以及飞利浦半导体戳记的IC,经Google搜索得知它近来由恩智浦半导体所提供(想当然耳,NXP是飞利浦半导体部门在2006年时独立出来的新公司)…但我找不到这款IC的产品页面,也没数据手册。xWyednc

为了更深入了解,让我们将注意力转移到外壳其他碎片的特写:xWyednc

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这儿只有其中一小片段但仍然完好的塑料片,足以识别出FCC的ID:KR55WK49266,一如往常,这已经让我找到大量附加信息了。除此之外,请看看这个来自德国大陆汽车(先前隶属于西门子旗下) 品牌VDO的用户手册所提供的方框图,我从另一个来源找到了更容易识别的版本:xWyednc

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据我推测,蓝色矩形内的全部都可在F7953C05中处理,而CC1020则主要负责RF阶段功能。回想起来,与我在拆解中所研究的其他IC相比,F7953C05公开信息的匮乏并没那么令人惊讶(虽然Google确实向我透露了宝马在其某些智能钥匙中使用了相同的IC)。毕竟,没有任何一家制造商会想要车主以外的人解锁并进入车中,更别说启动并把车开走了——很讽刺地,就在我提笔写这篇文章的不久前,本田汽车刚经历这糟糕的窘境。举例而言,有件事我依旧不知道(但推测)的是Volvo系统是否使用“滚动码”。维基百科对此解释:xWyednc

“大多数的无钥匙系统都使用被称为滚动码的技术来避免重放攻击。在重放攻击中,开门指令会被拦截以供窃贼稍后使用。在滚动码中则会使用伪随机数生成器,以产生每次解锁汽车时所发送的不同解锁序列。”xWyednc

在PCB这一面另一项值得注意的是传输用的“PCB回路天线”,它布置在顶部四个按钮的上方。说到PCB,我们还没仔细瞧瞧另一面——让我们先弥补这个疏失:xWyednc

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其中一个象限可以看到有一小块闪亮的金属——我觉得这看起来像某种类似德国铁十字勋章的东西——是两个CR2430电池“夹层”下部电池的负极。(顺便提一下,奇怪的是,前面所说的西门子(现为大陆汽车)用户指南上却说这款智能钥匙现在仅需一颗电池。)但这可能不是最先吸引我们目光的东西。这么大一块神秘的灰色焊接方形物体上还要包含下列营销数据,到底是怎么想的?xWyednc

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一开始,我猜测这是发射器加密数据处理的来源。但事实证明,根据FCC内部照片,它只是一个接收天线(请再次注意它周围PCB边缘处的PCB嵌入式天线)。只有一根接收天线?为什么?好吧,根据FCC的资料,这款智能钥匙以两种不同的频率工作——902.16MHz和903.575MHz (然而,奇怪的是,维基百科说“大多数RKE用于北美制造的汽车是以315MHz频率工作,而欧洲、日本和亚洲车则工作于433.92MHz”)。引用自用户手册:xWyednc

“RF遥控系统包括由RF发射器/接收器组成的远程钥匙,以及车辆端的RF发射器/接收器单元。远程钥匙通过按压按钮,并通过双向RF传输线路进行正常的远程操作,就可以用来传输信息,从而锁上或解锁汽车(以及后车箱盖/车门迎宾灯/应急/舒适打开/舒适关闭/检查车辆状态/被动锁上/被动解锁/被动启动等工作)。xWyednc

“若汽车单元接收到的电报无误,则该汽车单元将向远程钥匙发送确认消息。若远程钥匙没收到确认消息,则将以第二个频道重复传送。”xWyednc

最后,我想要分享一些经销商所提供过来的完整的后继智能钥匙的图像,让大家看看当它还没有被吹雪机蹂躏之前原本是什么样子。由于它花了我将近600美元,我相信读者们会原谅我没有尝试完全拆解!xWyednc

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当要换电池时弹出后面板的设计,让人有点伤脑筋,但也还能接受:xWyednc

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谈到600美元的费用,我之前曾经有意无意地指出,这款智能钥匙的利润可能非常高。一位署名“chargehanger”的读者首先回应了他的看法:xWyednc

“这款智能钥匙的物料清单(BOM)成本约为19欧元(相当于136元人民币)。”xWyednc

然而,关于如何得出这个BOM数字,我更希望“chargehanger”(或了解这件事的其他读者)能够提供更多的解释。当然,一如既往地,也欢迎其他评论。xWyednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:A Volvo key fob: A post-mortem investigation,由Susan Hong和Franklin Zhao编译。)xWyednc

本文为《电子技术设计》2022年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里xWyednc

责编:Franklin
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