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汽車(chē)防盜、報警功能以及門(mén)禁控制將成為汽車(chē)安全控制系統必備的功能之一。通過(guò)對Maxim公司的發(fā)射器MAXl472、接收器MAXl473以及微控制器芯片DS80C323等器件的應用,得出一套較為完整的遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)系統的原理和設計方案。該系統在低功耗、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優(yōu)勢,可使RKE系統有效控制范圍擴大一倍。 RKE系統對于提高汽車(chē)的防盜性、控制性有重要意義。大多數RKE系統具有汽車(chē)防盜、報警功能以及用于汽車(chē)、行李箱的門(mén)禁控制,其中一些系統還包括遙控啟動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)尋找的功能。新一代RKE有望采用雙向通信,安裝在汽車(chē)內遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)PKE(Remote Keyless Entry)方案對于汽車(chē)的配置來(lái)說(shuō),已經(jīng)作為一種標準配置,成為汽車(chē)不可或缺的部分。RKE系統對于提高汽車(chē)的防盜性、控制性有重要意義。大多數RKE系統具有汽車(chē)防盜、報警功能以及用于汽車(chē)、行李箱的門(mén)禁控制,其中一些系統還包括遙控啟動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)尋找的功能。新一代RKE有望采用雙向通信,安裝在汽車(chē)內的接收裝置會(huì )發(fā)送數據,為司機提供油量和輪胎壓力等信息。 RKE系統設計中的最大挑戰是在RKE發(fā)射機和接收機中實(shí)現低功耗,同時(shí)實(shí)現遠距離通信與高可靠性;特別作為一種開(kāi)關(guān)門(mén)禁系統,有關(guān)安全性方面的問(wèn)題也是至關(guān)重要的。本設計提出一種高安全性RKE系統的實(shí)現方案,詳細介紹了系統的硬件原理電路、軟件流程設計以及實(shí)現編碼解碼的原理。 1 系統總體設計 1.1 RKE系統的工作原理 RKE系統由類(lèi)似鑰匙扣的發(fā)射機和安裝在車(chē)內的接收機構成。通常工作在315～450 MHz的IsM頻段。在歐洲開(kāi)放了868 MHz頻段,以滿(mǎn)足遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)系統日益增長(cháng)的需求。 圖l為RKE系統的簡(jiǎn)單框圖。由框圖可以看出,用戶(hù)按下鑰匙扣上的按鈕開(kāi)關(guān)即可觸發(fā)系統工作,喚醒RKE鑰匙扣內部的CPU,CPU則發(fā)送數據流到射頻(RF)發(fā)射機。數據流通常是64～128位長(cháng),包括1個(gè)前置位、1個(gè)命令碼和1個(gè)滾動(dòng)碼,采用2～20 kHz的發(fā)送速率。在車(chē)內的RKE射頻接收機捕捉射頻信號并解調,傳送數據流給cPu,由cPu對數據進(jìn)行譯碼并發(fā)送指令到指令模塊。調制方式為幅度鍵控(AsK),主要目的是延長(cháng)鑰匙扣的電池壽命。 1.2 RKE系統的設計要求 RKE系統設計的關(guān)鍵是在低電流消耗下實(shí)現具有穩定性、可靠性和保密性的低成本系統。因此系統對功耗、收發(fā)距離、可靠性和保密性的設計要求是至關(guān)重要的。 (1)功耗管理 對于發(fā)射機,電池需要3～5年的壽命;對于接收機,電池壽命同樣重要。因為接收機必須始終保持工作狀態(tài),監聽(tīng)用戶(hù)數據的傳輸。典型指標要求,平均電流不超過(guò)1 mA。解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一就是,讓接收機在一段重要時(shí)間內保持工作狀態(tài),保證這段時(shí)問(wèn)足夠長(cháng)以判定是否存在合法的傳輸;而接收機在剩余的時(shí)間里休眠,同時(shí)接收機必須具有快速喚醒的能力,以最大化利用已存儲的能量。 (2)收發(fā)距離與可靠性 RKE應用需要好的收發(fā)距離和可靠的傳輸。提高接收機的靈敏度和發(fā)射機的功率(電流消耗沒(méi)有顯著(zhù)增加)直接影響到收發(fā)距離與可靠性。顯而易見(jiàn),低成本是一個(gè)要求,因為需要安裝百萬(wàn)個(gè)這樣的系統。 (3)安全性 RKE系統的通信數據應該具有保密性,不易被他人竊取。早期使用固定密碼方式,容易被破解;近來(lái)的RKE系統逐漸采用具有跳變編碼功能的集成電路實(shí)現,大大提高了安全性。 2 硬件電路設計 RKE系統是由鑰匙扣發(fā)射模塊和車(chē)內接收模塊組成的。 2.1鑰匙扣發(fā)射模塊 鑰匙扣發(fā)射模塊由按鈕開(kāi)關(guān)、CPU、射頻發(fā)射器和鈕扣電池組成,電路原理如圖2所示。模塊采用3 V的鈕扣電池供電。表1為50 Ω輸出時(shí),不同頻率下元件參數值,其數值受PCB布局的影響。 (1)按鈕掃描 發(fā)射模塊接入3個(gè)按鈕,分別作為上鎖、解鎖、尋車(chē)功能,分別與微控制器DS80C323的3個(gè)外部中斷INTO、INTl和INT3相接。按下任一按鈕是將DS80C323喚醒,并進(jìn)入相應的中斷處理程序中。處理完畢后,重新進(jìn)入待機模式。3個(gè)LED分別顯示3個(gè)按鈕的狀態(tài)。有按鈕按下時(shí),相應的LED會(huì )被點(diǎn)亮。 (2)微控制器DSSOC323 DS80C323是Maxim公司出品的一款低功耗快速單片機,其在外部電路的接法以及操作指令方面完全兼容80C51系列。DS80C323具有6個(gè)外部中斷,并具有電源故障管理功能,工作電壓范圍為2.7～5.5 V。 DS80C323的功能是利用其外部中斷對按鈕進(jìn)行掃描,并將掃描的結果加密編碼,通過(guò)P1.O送給發(fā)射器的數據端DATA。DS80C323的P1.1控制發(fā)射器的喚醒。 (3)射頻發(fā)射器MAX1472 MAXl472是VHF/UHF基于鎖相環(huán)的ASK/00K發(fā)射器,工作在300～450 MHz頻段,支持高達100 kbps的數據速率。當工作電壓降至2.1 V時(shí)脫離單節鋰電池工作,在待機模式僅消耗100 nA的電流;匹配于50Ω系統時(shí),MAXl472的功率放大器能夠提供+10 dBm的輸出電平,并保持高于43%的效率。MAXl472發(fā)射機特別適合于低成本、高容量、體積是關(guān)鍵因素的應用。 一旦MAXl472的使能引腳電平有效,MAXl472僅需250μs便可使PLL和晶振穩定工作并發(fā)射數據。MAX1472使用基于晶體的PLL,避免了許多基于LC濾波或者SAW發(fā)送器的常見(jiàn)問(wèn)題。內部固有的晶體頻率精度需要更窄的接收機中頻帶寬,以改善系統靈敏度。使用MAXl473,可將中頻帶寬從600kHz減至50 kHz,獲得9 dB的靈敏度改善。靈敏度的改善意味著(zhù)RKE系統可實(shí)現更長(cháng)距離傳輸和更高的傳輸可靠性。 2.2車(chē)內接收模塊 車(chē)內接收模塊由射頻接收器、微控制器和汽車(chē)指令執行機構等組成。射頻接收器將接收到的00K調制數據解調為原始數據;微控制器將原始數據解碼去密得到有效的指令信息,并送給指令執行機構,由指令執行機構完成相應的動(dòng)作。 考慮到車(chē)內接收模塊要始終處于工作狀態(tài),微控制器仍使用快速低功耗的DS80C323,并由DS80C323控制接收器處于工作/休眠交替的間歇休眠狀態(tài)。 對于射頻接收器,使用與發(fā)射器MAXl472配對的MAXl473。MAXl473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差ASK接收器,工作在300～450 MHz頻段,具有一114 dBm的高靈敏度、高于50 dB的鏡像載波抑制。這款芯片在關(guān)斷模式下電流消耗低于1.5μA,在接收模式電流消耗為5.2 mA。MAXl473可接收最高達100 kbps的數據速率,從關(guān)斷模式到有效數據輸出的過(guò)渡時(shí)間小于250 μs。MAXl473包含一個(gè)一級自動(dòng)增益控制(AGC)電路,在射頻輸入信號電平大于一57dBrm時(shí),可降低低噪聲放大器(LNA)35dB的增益。接收器使用帶有接收信號強度指示(RSSD的10.7 MHz中頻濾波器,帶有集成壓控振蕩器VCD的片上鎖相環(huán)(PLL)以及基帶數據恢復電路。MAXl473僅需很少的外圍元件即可構成RKE系統接收模塊的射頻前端,如圖3所示。 3 系統軟件流程設計 發(fā)射端軟件流程如圖4所示�！� 按所處理任務(wù)的不同,接收模塊分為三種工作狀態(tài)：?jiǎn)拘雅c休眠交替的監聽(tīng)狀態(tài)、接收數據的狀態(tài)和處理接收數據的狀態(tài)。接收系統應始終處在間歇休眠的狀態(tài),以監聽(tīng)外來(lái)的信息。當收到有效的通信命令后,觸發(fā)系統接收數據。數據接收完畢后,對數據進(jìn)行相關(guān)的處理,并有執行機構完成相應的操作,而接收系統則重新進(jìn)入監聽(tīng)狀態(tài)。 4 系統編碼解碼設計 總體上講,一個(gè)單向RKE系統由一個(gè)控制端(鑰匙扣發(fā)射模塊)與一個(gè)執行端(車(chē)內接收模塊)組成。其中控制端將控制信息經(jīng)過(guò)編碼、調制后發(fā)射,執行端則接收、解調、解碼并根據控制信息執行相應的操作。單向RKE系統的安全關(guān)鍵在于編碼。早期使用固定密碼方式容易受到“無(wú)線(xiàn)偵聽(tīng)”,易被破解。這里使用跳變密碼技術(shù),可有效地避免“無(wú)線(xiàn)偵聽(tīng)”,提高安全性。以下介紹系統編解碼設計原理。 系統通過(guò)微控制器DSC80C323軟件編程實(shí)現編解碼過(guò)程。 編碼過(guò)程如圖6(a)所示。編碼器檢測到按鍵輸入,把系統從省電狀態(tài)中喚醒,同步計數加l,與序列號一起經(jīng)密匙加密后形成密文數據,并同鍵值等數據發(fā)送出去。由于同步計數值每次發(fā)送都不同,即使是同一按鍵多次按下也不例外。同步計數自動(dòng)向前滾動(dòng),發(fā)送的碼字不會(huì )再發(fā)生。滾動(dòng)范圍為216個(gè)記數值。傳送過(guò)程中有新的鍵按下,則終止當前發(fā)送并開(kāi)始新的傳送;否則,不管是不是按鍵已經(jīng)松開(kāi),完成發(fā)送并進(jìn)入休眠狀態(tài)。 解碼過(guò)程如圖6(b)所示。解碼電路接收到數據包后,將鍵值與密文分開(kāi),并將密文用密匙解密后還原為序列號和同步計數值,并在核對序列號及同步計數值后依照鍵值驅動(dòng)相應的執行機構。 結語(yǔ) 汽車(chē)防盜、報警功能以及門(mén)禁控制將成為汽車(chē)安全控制系統必備的功能之一。通過(guò)對Maxim公司的發(fā)射器Max1472 、接收器Max1473以及微控制器芯片DS80C323等器件的應用，得出一套完整的遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)系統的原理和設計方案。該系統在低耗、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優(yōu)勢，可使RKE系統有效控制范圍擴大一倍。目前，我們正在這方面繼續努力，爭取開(kāi)拓更加廣闊的應用空間。 |
