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消費者對安防與安全的需求推動(dòng)著(zhù)汽車(chē)電子市場(chǎng)的迅速擴張。與此同時(shí)，汽車(chē)制造商面臨著(zhù)必須實(shí)現具有成本效益、以性能為導向的電子控制模塊的挑戰。在汽車(chē)制造商的產(chǎn)品細分目標與消費者的需求之間，汽車(chē)安防與安全系統架起了一座相互協(xié)調的橋梁。 從成熟的遙控無(wú)鑰門(mén)控(RKE)應用，到新興的無(wú)源無(wú)鑰門(mén)控(PKE)、胎壓監測系統(TPMS)、電子收費和藍牙免提系統等應用，車(chē)載無(wú)線(xiàn)系統正在不斷開(kāi)花結果。這些無(wú)線(xiàn)連接有助于提高安防與安全模塊的性能。而由于技術(shù)性?xún)r(jià)比及可獲得性等原因，其它一些專(zhuān)用短距離通信系統在安防與安全領(lǐng)域的應用受到了局限。 除了加快上市進(jìn)程和增加功能性等常見(jiàn)壓力外，設計人員還面臨其它許多挑戰，如具備成本效益的性能增強、功耗、系統尺寸和加密安全等。 舉例來(lái)說(shuō)，我們可以審視一種代表著(zhù)當今系統架構師所面臨眾多挑戰之一的無(wú)線(xiàn)系統：一個(gè)可接收和發(fā)射數據的智能應答器(smart transponder)。在這種雙向通信系統中，基站與應答器能夠自動(dòng)通信，無(wú)需人工干預。這種低成本的雙向通信應答器可設計成采用兩個(gè)頻率工作：125kHz用于接收數據，UHF(315、433、868或915MHz)用于發(fā)射數據。由于125kHz信號的非傳播 (nonpropagating)屬性，雙向通信距離一般不超過(guò)3米。而鑒于該應答器仍然具備能夠執行可選操作的按鈕，故當按下發(fā)射按鈕時(shí)，還可支持更長(cháng)的單向傳輸距離(從應答器至基站)。 在這些應用中，基站用125kHz頻率發(fā)射命令，同時(shí)搜索區域內的有效應答器以UHF頻率發(fā)回的任何響應。智能應答器一般處于接收模式，并搜索任何有效的 125kHz基站命令。如果接收到任何有效的基站命令，應答器以UHF頻率發(fā)射響應。這就是我們所說(shuō)的“無(wú)源無(wú)鑰門(mén)控(PKE)系統”。PKE系統采用 125kHz電路進(jìn)行雙向通信�？衫冒袛底峙c低頻模擬前端的集成系統級芯片(SoC)智能微控制器來(lái)生產(chǎn)低成本、小體積及低功耗的PKE轉發(fā)器。 但隨著(zhù)設計人員積累越來(lái)越多的系統經(jīng)驗，他們又面臨著(zhù)如下挑戰：如何使PKE應答器足夠可靠，從而成為常規RKE應答器的一種具務(wù)成本效益的替代方案，同時(shí)又確保它能達到特定的系統目標？盡管PKE應答器看起來(lái)似乎需要采用復雜及昂貴的電路才能實(shí)現，但通過(guò)使用一些相對簡(jiǎn)單的低成本電路，設計人員所面臨的挑戰即可以得到解決。這些低成本電路以一個(gè)智能PIC微控制器(PIC16F639)為中心，包含了支持安全雙向通信所必需的全部功能。 圖中所示的智能PKE系統仍然具有支持可選操作的按鈕，但主要工作無(wú)需任何人機干預即可完成。PKE系統的雙向通信順序如下： 1. 基站用125KHz頻率發(fā)射命令； 2. 應答器經(jīng)由三副正交125KHz LC諧振天線(xiàn)接收基站命令； 3. 若命令有效，應答器通過(guò)一個(gè)UHF發(fā)射機發(fā)射響應(加密數據)；若數據正確，則基站接收響應，并啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。 設計人員所面臨的另一項挑戰，是如何以具備成本效益的方式實(shí)現系統性能增強？要實(shí)現增強的性能包括：通信距離、天線(xiàn)方向性、小尺寸封裝、加密安全及門(mén)鎖 “開(kāi)/關(guān)”條件下的低功耗等。通過(guò)提高125kHz基站命令的可靠作用距離，并保持較長(cháng)的電池工作時(shí)間，可滿(mǎn)足關(guān)鍵的系統性能增強要求。 在電池供電的應答器應用中，使用UHF的最大通信距離大約為100米，但采用低頻(125kHz)則只能達到幾米。因此，雙頻PKE應答器的通信距離主要受125kHz基站命令作用距離的限制。由于低頻信號的非傳播特性，125kHz信號會(huì )隨距離增加而快速衰減。例如，假設基站輸出300Vpp左右的天線(xiàn)電壓，則由大約3米開(kāi)外的應答器的線(xiàn)圈天線(xiàn)所感應的電壓僅為3mVpp左右，與應用環(huán)境的噪聲級相當。所以，如何有效地檢測弱信號，成為系統設計人員所面臨的一個(gè)棘手的性能問(wèn)題。 要延長(cháng)125kHz基站命令的作用距離，可考慮以下兩種可能的解決方案：增加基站發(fā)射機的發(fā)射功率；或提高應答器的輸入靈敏度�；景l(fā)射機的最大發(fā)射功率一般由政府規范規定。因此，若基站發(fā)射的最大功率在允許范圍內，則提高輸入信號檢測靈敏度，即上述第二種方法，是唯一有效的解決方案。為達到3米的雙向通信距離，應答器輸入靈敏度必須達到3mVpp左右。 圖：PKE系統的主要操作無(wú)需人工進(jìn)行 天線(xiàn)的方向性問(wèn)題 由天線(xiàn)單元輻射的任何無(wú)線(xiàn)電信號都會(huì )沿某種方向角傳播，如果使用性能良好的天線(xiàn)，信號傳播的方向性更強(或輻射角更窄)。由LC諧振電路輻射的低頻 (125kHz)信號雖不像高頻信號那樣有更好的方向性，但它仍然具有一定的方向性。在給定的應答器設計條件下，低頻信號的通信距離(或感應電壓)取決于基站天線(xiàn)與應答器天線(xiàn)的電感性耦合程度。當兩副天線(xiàn)面對面相對時(shí)，其耦合度最佳。 對于免提PKE應用，應答器放在用戶(hù)口袋中的方向可以是任意的，因此，應答器天線(xiàn)面向固定基站天線(xiàn)方向的幾率最高只有30%左右(x、y、z方向)。但如果應答器有三副正交天線(xiàn)，則這種幾率可增加至近100%，此時(shí)，應答器可以捕獲在任何給定方向上的基站信號。 PIC16F639的工作可被有效控制，從而節省電池電量消耗。此外，該微控制器還必須在非主動(dòng)模式期間以最少的電路工作。應答器中的PIC16F639 芯片同時(shí)含有低頻前端與數字電路，低頻前端部分總是在搜索輸入信號，而數字部分則處于睡眠模式，以節省電池電量，只有在接收到一條有效基站命令時(shí)才被喚醒。這可以通過(guò)在低頻前端部分中使用一個(gè)特殊的喚醒濾波器來(lái)實(shí)現。而且，低頻檢測電路還可編程，使得僅在輸入信號帶有預定義數據包頭時(shí)才有輸出。 功率管理及封裝尺寸問(wèn)題 除利用特殊的濾波器來(lái)節省電池電量外，PIC16F639還具備專(zhuān)有的納瓦(nanoWatt)技術(shù)，可方便系統設計人員更好地控制片上外設，如可利用幾種軟件可選速度選項功能將頻率降至32KHz的8MHz內部振蕩器。極低的睡眠電流消耗加上快速啟動(dòng)的內部振蕩器，可支持低功耗系統設計。其周期性喚醒機制包括低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘工作、超低功率喚醒與擴展的低功率看門(mén)狗定時(shí)器。憑借這些廣泛的功率管理特性，設計人員能夠在應用軟件中實(shí)現節能，并以更低的成本來(lái)獲得對整體系統功耗的更嚴格的控制。 為方便實(shí)現，并增強靈活性，同時(shí)保持小的占位面積，必需對MCU和模擬前端之間的集成度進(jìn)行仔細評估。這里采用了一種“雙裸片單封裝”方案，可基于應用要求，支持未來(lái)向不同MCU的轉換。兩個(gè)功能型裸片通過(guò)一個(gè)串行外設接口來(lái)進(jìn)行內部邦定。PIC微控制器系列支持多種封裝形式。少至6個(gè)多達80個(gè)引腳的器件都有提供。不超過(guò)20個(gè)引腳的封裝形式是無(wú)線(xiàn)接入系統中空間受限應用的理想選擇。較小外形尺寸、先進(jìn)的片上外設集成以及成本效益等多種優(yōu)勢的結合，使得系統設計人員能夠創(chuàng )建性能更強大的系統，同時(shí)滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)系統實(shí)現的各種挑戰。 專(zhuān)利的KEELOQ全球標準加密技術(shù)提供了一種用于認證、無(wú)鑰門(mén)控及其它遠程接入控制系統的具有成本效益的解決方案。KEELOQ加密技術(shù)采用經(jīng)過(guò)行業(yè)驗證的跳碼編碼(code hopping encoding)方法，當編碼器件被激活時(shí)，代碼改變并被安全發(fā)送。在基于一對編碼器和解碼器的實(shí)現方案中，編碼器位于遠端，并發(fā)送一個(gè)滾動(dòng)碼ID編號與計數器值。解碼器則位于接收器中，對遠端編碼器所發(fā)送的消息進(jìn)行解碼。它存儲其偵聽(tīng)到的遠端設備的識別編號與計數器值。解碼器只有在偵聽(tīng)到遠端設備時(shí)才允許訪(fǎng)問(wèn)。 KEELOQ加密是一種通過(guò)復雜公式及32位隨機數發(fā)生器來(lái)實(shí)現的高度安全的算法。對于停車(chē)場(chǎng)入口應用，駕駛員不用停車(chē)即可直接開(kāi)進(jìn)停車(chē)場(chǎng)，因為系統會(huì )自動(dòng)識別3米左右有效使用范圍內的PKE應答器。 未來(lái)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)安全接入系統的設計人員可能會(huì )遇到各種不同挑戰。具備成本效益的微控制器可為車(chē)載無(wú)線(xiàn)系統提供一種成熟可靠的構建模塊。采用集成系統級芯片解決方案實(shí)現的低成本雙向通信應答器，即是一個(gè)可為駕駛員提供增強安全保安性功能的無(wú)線(xiàn)系統的實(shí)例。無(wú)需任何人工干預，PKE應答器即可接收低頻基站命令，并通過(guò)UHF發(fā)射器加密數據進(jìn)行響應。這種小型PKE應答器可裝在駕駛員口袋中，能夠自動(dòng)開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)，而無(wú)需任何人工介入。 |
