????? 全球汽車半導體面臨極大的市場機會,但設計工程師同樣面臨在成本、功耗、安全性等多方面的技術挑戰。本文以可接收和發送數據的最新智能應答器為例,向中國汽車設計工程師介紹了在汽車無線接入系統設計中解決這些挑戰的技術方法。

????? 在中國,安全與保密性電子控制模塊所使用的半導體大約占到中國汽車半導體的18(。從已在使用的遙控無鑰匙門控應用,到無源無鑰匙門控(PKE)系統、輪胎氣壓監視系統、電子繳費(收費)與藍牙免提系統等新興應用,無線系統正不斷在車輛應用中涌現。這些無線連接是提高安全與保密性模塊性能的技術手段,并正在建立駕駛員所希望的各種特性。而其它面向安全與保密性應用的專用短距離無線通信解決方案的出現,則只受到高性價比技術可用性的限制。除縮短上市時間與增加功能的傳統壓力外,設計工程師還面臨經濟高效的性能增強、功耗、小尺寸和加密安全等多種挑戰。

表1：PKE智能應答器的主要技術難點與解決方案。

????? 例如,我們可以看一下代表當今系統架構師所面臨眾多挑戰的無線系統—可接收和發送數據的最新智能應答器。在這種雙向通信系統中,基站與應答器可在無需人工干預下自動通信。這種低成本、雙向通信應答器可設計成采用兩個頻率工作：125 kHz用于接收數據;UHF(315、433、868或915 MHz)用于發送數據。由于125 kHz信號的非傳播特性,雙向通信距離一般不超過3米。而由于該應答器還擁有可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125 kHz頻率發送命令,同時等待附近的有效應答器以UHF頻率發回響應。智能應答器一般處于接收模式并等待任何有效的125kHz基站命令。如果接收到任何有效的基站命令,應答器以UHF頻率發送響應。這就是我們所說的“無源無鑰匙門控系統”。由于PKE系統采用125kHz電路進行雙向通信,因此低成本、小體積及低功耗PKE應答器可使用含有數字與低頻前端的集成系統級芯片(SoC) 智能微控制器單元(MCU)來生產。

PKE系統挑戰

????? 隨著設計工程師獲得更多的系統經驗,他們日益面臨如下挑戰：如何既可靠地設計PKE應答器功能使其成為傳統PKE應答器的一種高性價比替代選項,同時又確保它能達到特定的系統目標。表1列出了系統設計工程師所面臨的一些主要關注點及解決方案。盡管PKE應答器看起來似乎需要用復雜及昂貴的電路才能實現,但設計工程師所面臨的挑戰已通過使用一些相對簡單、圍繞一個智能PIC型微控制器(PIC16F639),并包含所有必要功能以滿足安全雙向通信要求的低成本電路而得到解決。

????? 圖1顯示一種智能PKE系統。它還擁有用于可選操作的按鈕,但主要操作無需任何人工干預即可完成。PKE應用的雙向通信順序如下：基站用125 KHz頻率發送命令;應答器用3付正交LC諧振天線接收125 KHz基站命令;如果命令有效,則應答器通過一個UHF發射機發出響應(加密數據);如果數據正確,則基站接收響應并啟動開關。
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圖1：采用雙向通信的智能無源無鑰匙門控(PKE)系統

????? 設計工程師所面臨的一個挑戰是系統性能增強的高性價比實現,這些增強包括：通信距離、天線方向性、小封裝尺寸、加密安全及門鎖“開/關”條件下的低功耗等。實現一種能可靠接收125 kHz信號作用距離內的基站命令,并保持長電池工作時間的應答器設計,可滿足關鍵的系統增強要求。

雙向通信距離的輸入靈敏度要求

????? 在電池供電應答器應用中,用UHF (315/433/915 MHz) 的最大通信距離大約為100米左右,但用低頻(LF, 125 kHz)則只能達到幾米的通信距離。因此,雙頻PKE應答器的通信距離主要受125 kHz基站命令作用距離的限制。由于低頻信號的非傳播特性,125 kHz信號會隨距離增加而快速衰減。例如,假設基站輸出300 Vpp左右的天線輸出電壓,則由大約3米距離上的應答器的線圈天線所感應的電壓大約僅為3 mVpp,與應用環境的噪聲電平相當。因此,如何有效地檢測弱信號是系統設計工程師所面臨的一個主要問題。

????? 為增加125 kHz基站命令的作用距離,可考慮以下兩種可能的解決方案：(a) 增加基站發射機的發射功率;(b) 提高應答器的輸入靈敏度。基站發射機的最大發射功率一般受政府規定的限制,因此,假設基站發射的最大功率處于允許范圍內,則上述第二種提高輸入信號檢測靈敏度的方法,即是唯一有效的解決方案。為達到3米的雙向通信距離,應答器輸入靈敏度須達到3 mVpp左右。

天線方向性問題的解決方案

????? 由天線單元輻射的任何無線電信號都會在一定的方向角內傳播,且當使用性能更好的天線時信號傳播的方向性更高(或輻射角更窄)。由LC諧振電路所輻射的低頻(125 kHz)信號雖不像高頻信號那樣具有方向性,但它仍具有一定的方向性。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耦合程度。當兩付天線面對面相對時,其耦合最佳。

?????? 對于免手持PKE應用,應答器放在您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機會最高只有30%左右(x、y、z方向)。但如果應答器具有3付正交天線,則機會可增加至接近100%。天線分別放在x、y和z方向上。通過利用三個正交放置的天線,應答器可以獲得在任何給定方向上的基站信號。
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圖2：具有無線安全接入的各種應用。

喚醒濾波器節省電池能量

????? 喚醒濾波器可有效地控制微控制器PIC16F639的工作以節省電池能量。此外,微控制器還必須在非活動模式期間以最少的電路工作。應答器中的PIC16F639芯片含有低頻前端與數字電路,低頻前端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消耗,且只有在收到一條有效基站命令時才被喚醒(或激活)。這可通過在低頻前端部分中使用一個特殊喚醒濾波器來實現。此外,低頻檢測電路還可編程為僅在輸入信號帶有預定數據包頭才有輸出。

????? 喚醒濾波器用來防止數字部分被噪聲或非期望的輸入信號喚醒。因此,可有效節省工作電流及電池能量。

功率管理

????? 除利用特殊濾波器來節省電池能量外,PIC16F639還具有專利的納瓦(nanoWatt)技術,可為系統設計工程師提供對片上外設的更大的控制,包括可以通過幾種軟件可選速度選項來將頻率降至32 KHz的8 MHz內部振蕩器。極低睡眠電流消耗以及快速啟動的內部振蕩器,可支持低功耗系統設計。周期性喚醒機制包括低功率實時時鐘工作、超低功率喚醒特性與擴展低功率看門狗定時器。以這些廣泛的功率管理特性,設計工程師可在應用軟件中實施功率節省概念,并以更低的系統成本來獲得對整體系統功耗的更緊密控制。

加密支持

????? 專利的KEELOQ加密技術這一全球標準提供了一種用于認證、無鑰匙門控及其他遠程接入控制系統的高性價比解決方案,如圖2所示。KEELOQ加密技術采用經過行業驗證的跳碼編碼 (code hopping encoding) 方法,當編碼器件激活時代碼會自動改變并安全發送。以基于編/解碼器對的實現,編碼器位于遠端并發送一個滾動碼ID#與計數器值;解碼器則位于接收器中,并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識別號與計數器值,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算法。

本文結論

????? 未來汽車中無線安全接入系統的設計工程師可能會遇到各種不同挑戰,像PIC系列這種微控制器可為車輛中的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的低成本雙向通信應答器實現,即是一個可為駕駛員提供增強安全與保密性的無線系統的較好例子。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發射機以加密數據進行響應。可裝在駕駛員口袋中的小型PKE應答器,可自動開關車門而無需任何干預。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米左右有效使用距離內的PKE應答器。

????? 無線安全接入系統可滿足一些駕車者對安全與保密性不斷提高的要求。除消費者外,政府管理部門與汽車制造商本身也在推出(或計劃推出)相應的計劃來提高汽車中的安全與保密性創新。安全與保密性計劃的下一步將是單個子系統的集成,以通過增強無線安全接入系統來提高汽車制造商的競爭優勢。