Oggetto di questo articolo della rubrica Firmware Reload, saranno microcontrollori, transceiver e transponder per applicazioni RKE, Passive Entry/Go e immobilizer.

Quasi tutti i modelli di automobili dispongono oggi di sistemi di apertura mediante chiave elettronica (o transponder) indicati genericamente con il nome di RKE, ovvero Remote Keyless Entry. In questo caso, la chiave remota invia mediante segnale radio il comando di sblocco; la sicurezza è garantita da un protocollo di autenticazione della chiave stessa e da una comunicazione con il veicolo, che viene cifrata, tipicamente, mediante algoritmo AES. Il primo esempio di applicazione di chiave remota in ambito automotive è apparso nel 1982 a bordo della Renault Fuego. Alcune soluzioni più recenti (che vanno sotto il nome di sistemi Passive Entry) consentono invece di sbloccare le portiere, non appena la chiave è ad una certa distanza dal veicolo, in modo automatico o nel momento stesso in cui si sfiora la maniglia dell’auto (grazie a dei sensori appositamente disposti). Si evita, così, l’incombenza di dover premere il pulsante lock/unlock della chiave. In questo caso, infatti, il veicolo genera un campo magnetico che serve a risvegliare la "chiave remota" dallo stato di sleep; in risposta, la chiave invia il comando, usando comunque un meccanismo di autenticazione e cifrando la comunicazione per ragioni di sicurezza.

Nei sistemi più complessi, l’accensione stessa del veicolo (sistemi Passive Entry/Go) non richiede l’inserzione della chiave, ma è sufficiente la semplice pressione di un pulsante di avvio all’interno della plancia. Più o meno analogamente a quanto accade con i sistemi Passive Entry, infatti, la pressione del pulsante di avvio genera il campo magnetico che "attiva" la chiave. Questa misura l’intensità di campo rilevato sui tre assi per riconoscere il fatto di trovarsi all’interno dell’abitacolo e invia, quindi, il comando di accensione dopo opportuna autenticazione. I dispositivi immobilizer sono, invece, i dispositivi di blocco del motore usati spesso come antifurto. Anche in questo caso la chiave di sblocco è dotata di transponder LF che deve essere autenticato dal veicolo sulla base dello scambio di due chiavi digitali generate in maniera casuale dal transponder stesso. La Figura 1 mostra tipiche architetture per applicazioni RKE, Passive Entry/Go ed immobilizer del tipo descritto. Nel secondo caso, in particolare, come si diceva in precedenza, il segnale LF viene usato per risvegliare la chiave ed avviare la comunicazione RF; questa è di tipo bidirezionale per una maggiore sicurezza nelle procedure di autenticazione e controllo remoto e supporta modulazione di tipo ASK/FSK, con data rate tipicamente fino a 20 kbps, oppure OOK (Of-Off Keying).

La comunicazione su LF avviene, invece, mediante uno schema BPLM (Binary Pulse Length Modulation) o QPLM (Quad Pulse Length Modulation) con data rate fino a 3.6 kbps. In entrambi i casi mostrati in Figura 1, è cruciale la determinazione della posizione precisa della chiave rispetto al veicolo; un interessante approfondimento su caratteristiche e prestazioni dei sistemi in questo tipo di applicazione è riportato nel documento, richiamato nei riferimenti al punto [2], di Atmel. Atmel, in effetti, è stata una delle prime aziende a fornire soluzioni per applicazioni di tipo RKE, Passive Entry/Go e immobilizer in ambito automotive, vantando ormai un'esperienza di oltre 25 anni nel settore. Dispone oggi di un vasto catalogo di integrati per applicazioni diverse e che include, ad esempio, i trasmettitori radio della serie T575x/ATA575x e quelli della serie ATA577x con microcontrollore AVR integrato, i ricevitori della linea ATA572x/ATA574x, una famiglia ATA581x/2x dedicata di transceiver. I dispositivi ATA5773, in particolare, integrano un microcontrollore AVR ATtiny 44 V con un trasmettitore PLL operante in banda UHF tra 310 MHz e 350 MHz con potenza di 8 dBm; le versioni ATA5774 e ATA5771 operano, invece, alle frequenze (nominali) rispettivamente di 434 MHz e 868 MHz.

La modulazione è di tipo ASK/FSK con bit-rate di comunicazione fino a 32 kbps. Caratterizzati da un consumo di potenza di soli 200 nA in stand-by ed integrati in package QFN24 di soli 5 x 5 mm2, i dispositivi sono ideali per sistemi unidirezionali a basso costo. Il solo trasmettitore PLL (frazionario-n) è disponibile, invece, nell’integrato ATA5749. Questo richiede un solo oscillatore esterno, opera nella banda tra 300 MHz e 450 MHz con data rate fino a 40 kbps con analoga modulazione ASK/FSK e potenza di uscita di 5.5 dBm; in queste condizioni il consumo attivo di potenza è 7.3 mA. Integrato in package TSSOP10, dispone di interfaccia SPI per la configurazione delle principali caratteristiche. Un transceiver a singolo canale per comunicazione full-duplex è invece integrato nei dispositivi ATA5811 e ATA5812; supporta modulazione ASK ed FKS con bit- rate, rispettivamente, fino a 10 kbps e 20 kbps. Il ricevitore adotta un'architettura a bassa IF e bassa intermodulazione che, unitamente all'elevata sensibilità (-106 dBm a 20 kbps) consente di evitare l’adozione di un filtro SAW in ingresso. I dispositivi ATA5811/5812, integrati in package QFN48 di dimensioni di 7 x 7 mm2, sono dotati di funzionalità RSSI (Received Signal Strength Indicator), porta SPI di comunicazione con il microcontrollore host e fino a 5 ingressi digitali di controllo. Realizzare una chiave remota mediante tali dispositivi richiede, ad esempio, soltanto (si veda lo schema in Figura 2) 11 capacitori, 1 resistore, 2 induttori ed un cristallo, oltre alla batteria per l’alimentazione.

Una soluzione single-chip completamente integrata è fornita, invece, dal nuovo ATA5580 che include un transponder con supporto per comunicazione crittografata AES-128, antenna LF e relativi induttori e condensatori, oltre a 2 kbyte di memoria EEPROM. Il sistema non richiede batteria essendo alimentato direttamente dal campo LF a 125 kHz e supporta lo stack Open Immobilizer Software di Atmel. Interessanti sono anche le caratteristiche dell'ATA5790 che include un microcontrollore AVR ad 8 bit, un ricevitore LF tridimensionale a 125 kHz ed una interfaccia per immobilizer LF in grado di operare in modalità senza contatto (alimentandosi direttamente dal segnale LF ricevuto), il tutto in un package QFN38 di soli 5 x 7 mm2. Il dispositivo dispone di motore AES-128 per comunicazione crittografata, 2112 byte di memoria EEPROM, 16 kbyte di memoria flash e 512 byte di SRAM accessibili dal microcontrollore, oltre a 4 timer general-purpose, alle interfacce di comunicazione SPI, TM/SSI, IR e ad un identificativo univoco a 32 bit. L’assorbimento di corrente è inferiore a 50 μA con clock di sistema di 125 kHz e si riduce a 0.8 μA in modalità power-down, consentendo l’operatività in modalità senza-contatto; in alimentazione a batteria garantisce compatibilità per un ampio intervallo di tensioni di ingresso, da 1.9 V a 4.2 V. L'ATA5790 è ideale per la realizzazione di chiavi elettroniche per sistemi che integrino funzionalità di immobilizer e Passive Entry/Go in una singola soluzione; funziona (si veda la Figura 3) in questo modo, ad esempio, in combinazione con i transceiver RF ATA5830.

La controparte a bordo veicolo può essere progettata utilizzando componenti come l'ATA5272 (stazione base), ATA5279C (driver LF), ATA5780 (ricevitore RF) e ATA582x (transmettitore RF) unitamente ad un microcontrollore della serie AVR. Il ricevitore ATA5780, ad esempio, è in grado di operare nella banda bassa tra 310 MHz e 318 MHz (o 418 MHz e 477 MHz) ed in quella alta tra 836 MHz e 928 MHz, con larghezza di banda IF programmabile tra 25 kHz e 366 kHz. Con modulazione FSK a 433.92 MHz e larghezza di banda IF di 165 kHz la sensibilità è di -106 dBm. Supporta funzionalità di wake-up su pattern ricevuto e ID scanning, così da risvegliare il microcontrollore integrato soltanto in seguito alla ricezione di telegrammi validi. I parametri di funzionamento sono configurabili e memorizzati in EEPROM accessibile mediante porta SPI. Il dispositivo implementa, inoltre, funzionalità RSSI nel dominio digitale con accuratezza elevata (±1dB). Simili a quelle dell'ATA5790 descritto in precedenza sono pure le caratteristiche dell'ATA5795C, che dispone però, al posto del ricevitore LF tridimensionale, di transceiver RF integrato. Operante nella regione dello spettro tra 315 MHz e 433 MHz, il trasmettitore, in particolare, supporta modulazione ASK/FSK con bit-rate fino a 40 kbps e potenza di segnale programmabile tra -0.5 e +12.5 dBm.