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消費者對安防與安全的需求推動著汽車電子市場的迅速擴張。與此同時，汽車制造商面臨著必須實現具有成本效益、以性能為導向的電子控制模塊的挑戰。在汽車制造商的產品細分目標與消費者的需求之間，汽車安防與安全系統架起了一座相互協調的橋梁。 從成熟的遙控無鑰門控(RKE)應用，到新興的無源無鑰門控(PKE)、胎壓監測系統(TPMS)、電子收費和藍牙免提系統等應用，車載無線系統正在不斷開花結果。這些無線連接有助于提高安防與安全模塊的性能。而由于技術性價比及可獲得性等原因，其它一些專用短距離通信系統在安防與安全領域的應用受到了局限。 除了加快上市進程和增加功能性等常見壓力外，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。 舉例來說，我們可以審視一種代表著當今系統架構師所面臨眾多挑戰之一的無線系統：一個可接收和發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通信，無需人工干預。這種低成本的雙向通信應答器可設計成采用兩個頻率工作：125kHz用于接收數據，UHF(315、433、868或915MHz)用于發射數據。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，故當按下發射按鈕時，還可支持更長的單向傳輸距離(從應答器至基站)。 在這些應用中，基站用125kHz頻率發射命令，同時搜索區域內的有效應答器以UHF頻率發回的任何響應。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頻率發射響應。這就是我們所說的“無源無鑰門控(PKE)系統”。PKE系統采用 125kHz電路進行雙向通信�？衫冒袛底峙c低頻模擬前端的集成系統級芯片(SoC)智能微控制器來生產低成本、小體積及低功耗的PKE轉發器。 但隨著設計人員積累越來越多的系統經驗，他們又面臨著如下挑戰：如何使PKE應答器足夠可靠，從而成為常規RKE應答器的一種具務成本效益的替代方案，同時又確保它能達到特定的系統目標？盡管PKE應答器看起來似乎需要采用復雜及昂貴的電路才能實現，但通過使用一些相對簡單的低成本電路，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頻率發射命令； 2. 應答器經由三副正交125KHz LC諧振天線接收基站命令； 3. 若命令有效，應答器通過一個UHF發射機發射響應(加密數據)；若數據正確，則基站接收響應，并啟動開關。 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現系統性能增強？要實現增強的性能包括：通信距離、天線方向性、小尺寸封裝、加密安全及門鎖 “開/關”條件下的低功耗等。通過提高125kHz基站命令的可靠作用距離，并保持較長的電池工作時間，可滿足關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信號會隨距離增加而快速衰減。例如，假設基站輸出300Vpp左右的天線電壓，則由大約3米開外的應答器的線圈天線所感應的電壓僅為3mVpp左右，與應用環境的噪聲級相當。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棘手的性能問題。 要延長125kHz基站命令的作用距離，可考慮以下兩種可能的解決方案：增加基站發射機的發射功率；或提高應答器的輸入靈敏度�；景l射機的最大發射功率一般由政府規范規定。因此，若基站發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系統的主要操作無需人工進行 天線的方向性問題 由天線單元輻射的任何無線電信號都會沿某種方向角傳播，如果使用性能良好的天線，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)取決于基站天線與應答器天線的電感性耦合程度。當兩副天線面對面相對時，其耦合度最佳。 對于免提PKE應用，應答器放在用戶口袋中的方向可以是任意的，因此，應答器天線面向固定基站天線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，則這種幾率可增加至近100%，此時，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模式期間以最少的電路工作。應答器中的PIC16F639 芯片同時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才被喚醒。這可以通過在低頻前端部分中使用一個特殊的喚醒濾波器來實現。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才有輸出。 功率管理及封裝尺寸問題 除利用特殊的濾波器來節省電池電量外，PIC16F639還具備專有的納瓦(nanoWatt)技術，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時時鐘工作、超低功率喚醒與擴展的低功率看門狗定時器。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現節能，并以更低的成本來獲得對整體系統功耗的更嚴格的控制。 為方便實現，并增強靈活性，同時保持小的占位面積，必需對MCU和模擬前端之間的集成度進行仔細評估。這里采用了一種“雙裸片單封裝”方案，可基于應用要求，支持未來向不同MCU的轉換。兩個功能型裸片通過一個串行外設接口來進行內部邦定。PIC微控制器系列支持多種封裝形式。少至6個多達80個引腳的器件都有提供。不超過20個引腳的封裝形式是無線接入系統中空間受限應用的理想選擇。較小外形尺寸、先進的片上外設集成以及成本效益等多種優勢的結合，使得系統設計人員能夠創建性能更強大的系統，同時滿足無線系統實現的各種挑戰。 專利的KEELOQ全球標準加密技術提供了一種用于認證、無鑰門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加密技術采用經過行業驗證的跳碼編碼(code hopping encoding)方法，當編碼器件被激活時，代碼改變并被安全發送。在基于一對編碼器和解碼器的實現方案中，編碼器位于遠端，并發送一個滾動碼ID編號與計數器值。解碼器則位于接收器中，對遠端編碼器所發送的消息進行解碼。它存儲其偵聽到的遠端設備的識別編號與計數器值。解碼器只有在偵聽到遠端設備時才允許訪問。 KEELOQ加密是一種通過復雜公式及32位隨機數發生器來實現的高度安全的算法。對于停車場入口應用，駕駛員不用停車即可直接開進停車場，因為系統會自動識別3米左右有效使用范圍內的PKE應答器。 未來汽車無線安全接入系統的設計人員可能會遇到各種不同挑戰。具備成本效益的微控制器可為車載無線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現的低成本雙向通信應答器，即是一個可為駕駛員提供增強安全保安性功能的無線系統的實例。無需任何人工干預，PKE應答器即可接收低頻基站命令，并通過UHF發射器加密數據進行響應。這種小型PKE應答器可裝在駕駛員口袋中，能夠自動開關車門，而無需任何人工介入。 |
