????? 全球汽車(chē)半導(dǎo)體面臨極大的市場(chǎng)機(jī)會(huì),但設(shè)計(jì)工程師同樣面臨在成本、功耗、安全性等多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文以可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的最新智能應(yīng)答器為例,向中國(guó)汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師介紹了在汽車(chē)無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中解決這些挑戰(zhàn)的技術(shù)方法。

????? 在中國(guó),安全與保密性電子控制模塊所使用的半導(dǎo)體大約占到中國(guó)汽車(chē)半導(dǎo)體的18(。從已在使用的遙控?zé)o鑰匙門(mén)控應(yīng)用,到無(wú)源無(wú)鑰匙門(mén)控(PKE)系統(tǒng)、輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)、電子繳費(fèi)(收費(fèi))與藍(lán)牙免提系統(tǒng)等新興應(yīng)用,無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)正不斷在車(chē)輛應(yīng)用中涌現(xiàn)。這些無(wú)線(xiàn)連接是提高安全與保密性模塊性能的技術(shù)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(yīng)用的專(zhuān)用短距離無(wú)線(xiàn)通信解決方案的出現(xiàn),則只受到高性?xún)r(jià)比技術(shù)可用性的限制。除縮短上市時(shí)間與增加功能的傳統(tǒng)壓力外,設(shè)計(jì)工程師還面臨經(jīng)濟(jì)高效的性能增強(qiáng)、功耗、小尺寸和加密安全等多種挑戰(zhàn)。

表1：PKE智能應(yīng)答器的主要技術(shù)難點(diǎn)與解決方案。

????? 例如,我們可以看一下代表當(dāng)今系統(tǒng)架構(gòu)師所面臨眾多挑戰(zhàn)的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)—可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的最新智能應(yīng)答器。在這種雙向通信系統(tǒng)中,基站與應(yīng)答器可在無(wú)需人工干預(yù)下自動(dòng)通信。這種低成本、雙向通信應(yīng)答器可設(shè)計(jì)成采用兩個(gè)頻率工作：125 kHz用于接收數(shù)據(jù);UHF(315、433、868或915 MHz)用于發(fā)送數(shù)據(jù)。由于125 kHz信號(hào)的非傳播特性,雙向通信距離一般不超過(guò)3米。而由于該應(yīng)答器還擁有可執(zhí)行可選操作的按鈕,故當(dāng)按下發(fā)射按鈕時(shí),還可支持更長(zhǎng)的單向傳輸距離(從應(yīng)答器至基站)。

????? 在這些應(yīng)用中,基站用125 kHz頻率發(fā)送命令,同時(shí)等待附近的有效應(yīng)答器以UHF頻率發(fā)回響應(yīng)。智能應(yīng)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(yīng)答器以UHF頻率發(fā)送響應(yīng)。這就是我們所說(shuō)的“無(wú)源無(wú)鑰匙門(mén)控系統(tǒng)”。由于PKE系統(tǒng)采用125kHz電路進(jìn)行雙向通信,因此低成本、小體積及低功耗PKE應(yīng)答器可使用含有數(shù)字與低頻前端的集成系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC) 智能微控制器單元(MCU)來(lái)生產(chǎn)。

PKE系統(tǒng)挑戰(zhàn)

????? 隨著設(shè)計(jì)工程師獲得更多的系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn),他們?nèi)找婷媾R如下挑戰(zhàn)：如何既可靠地設(shè)計(jì)PKE應(yīng)答器功能使其成為傳統(tǒng)PKE應(yīng)答器的一種高性?xún)r(jià)比替代選項(xiàng),同時(shí)又確保它能達(dá)到特定的系統(tǒng)目標(biāo)。表1列出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所面臨的一些主要關(guān)注點(diǎn)及解決方案。盡管PKE應(yīng)答器看起來(lái)似乎需要用復(fù)雜及昂貴的電路才能實(shí)現(xiàn),但設(shè)計(jì)工程師所面臨的挑戰(zhàn)已通過(guò)使用一些相對(duì)簡(jiǎn)單、圍繞一個(gè)智能PIC型微控制器(PIC16F639),并包含所有必要功能以滿(mǎn)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(tǒng)。它還擁有用于可選操作的按鈕,但主要操作無(wú)需任何人工干預(yù)即可完成。PKE應(yīng)用的雙向通信順序如下：基站用125 KHz頻率發(fā)送命令;應(yīng)答器用3付正交LC諧振天線(xiàn)接收125 KHz基站命令;如果命令有效,則應(yīng)答器通過(guò)一個(gè)UHF發(fā)射機(jī)發(fā)出響應(yīng)(加密數(shù)據(jù));如果數(shù)據(jù)正確,則基站接收響應(yīng)并啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。
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圖1：采用雙向通信的智能無(wú)源無(wú)鑰匙門(mén)控(PKE)系統(tǒng)

????? 設(shè)計(jì)工程師所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是系統(tǒng)性能增強(qiáng)的高性?xún)r(jià)比實(shí)現(xiàn),這些增強(qiáng)包括：通信距離、天線(xiàn)方向性、小封裝尺寸、加密安全及門(mén)鎖“開(kāi)/關(guān)”條件下的低功耗等。實(shí)現(xiàn)一種能可靠接收125 kHz信號(hào)作用距離內(nèi)的基站命令,并保持長(zhǎng)電池工作時(shí)間的應(yīng)答器設(shè)計(jì),可滿(mǎn)足關(guān)鍵的系統(tǒng)增強(qiáng)要求。

雙向通信距離的輸入靈敏度要求

????? 在電池供電應(yīng)答器應(yīng)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(dá)到幾米的通信距離。因此,雙頻PKE應(yīng)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(hào)的非傳播特性,125 kHz信號(hào)會(huì)隨距離增加而快速衰減。例如,假設(shè)基站輸出300 Vpp左右的天線(xiàn)輸出電壓,則由大約3米距離上的應(yīng)答器的線(xiàn)圈天線(xiàn)所感應(yīng)的電壓大約僅為3 mVpp,與應(yīng)用環(huán)境的噪聲電平相當(dāng)。因此,如何有效地檢測(cè)弱信號(hào)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所面臨的一個(gè)主要問(wèn)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(fā)射機(jī)的發(fā)射功率;(b) 提高應(yīng)答器的輸入靈敏度?；景l(fā)射機(jī)的最大發(fā)射功率一般受政府規(guī)定的限制,因此,假設(shè)基站發(fā)射的最大功率處于允許范圍內(nèi),則上述第二種提高輸入信號(hào)檢測(cè)靈敏度的方法,即是唯一有效的解決方案。為達(dá)到3米的雙向通信距離,應(yīng)答器輸入靈敏度須達(dá)到3 mVpp左右。

天線(xiàn)方向性問(wèn)題的解決方案

????? 由天線(xiàn)單元輻射的任何無(wú)線(xiàn)電信號(hào)都會(huì)在一定的方向角內(nèi)傳播,且當(dāng)使用性能更好的天線(xiàn)時(shí)信號(hào)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(hào)雖不像高頻信號(hào)那樣具有方向性,但它仍具有一定的方向性。在給定的應(yīng)答器設(shè)計(jì)條件下,低頻信號(hào)的通信距離(或感應(yīng)電壓)取決于基站天線(xiàn)與應(yīng)答器天線(xiàn)的耦合程度。當(dāng)兩付天線(xiàn)面對(duì)面相對(duì)時(shí),其耦合最佳。

?????? 對(duì)于免手持PKE應(yīng)用,應(yīng)答器放在您口袋中的方向可以是任意的。因此,應(yīng)答器天線(xiàn)面向固定基站天線(xiàn)方向的機(jī)會(huì)最高只有30%左右(x、y、z方向)。但如果應(yīng)答器具有3付正交天線(xiàn),則機(jī)會(huì)可增加至接近100%。天線(xiàn)分別放在x、y和z方向上。通過(guò)利用三個(gè)正交放置的天線(xiàn),應(yīng)答器可以獲得在任何給定方向上的基站信號(hào)。
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圖2：具有無(wú)線(xiàn)安全接入的各種應(yīng)用。

喚醒濾波器節(jié)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(jié)省電池能量。此外,微控制器還必須在非活動(dòng)模式期間以最少的電路工作。應(yīng)答器中的PIC16F639芯片含有低頻前端與數(shù)字電路,低頻前端總是在搜索輸入信號(hào),而數(shù)字部分則處于睡眠模式以節(jié)省電池消耗,且只有在收到一條有效基站命令時(shí)才被喚醒(或激活)。這可通過(guò)在低頻前端部分中使用一個(gè)特殊喚醒濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外,低頻檢測(cè)電路還可編程為僅在輸入信號(hào)帶有預(yù)定數(shù)據(jù)包頭才有輸出。

????? 喚醒濾波器用來(lái)防止數(shù)字部分被噪聲或非期望的輸入信號(hào)喚醒。因此,可有效節(jié)省工作電流及電池能量。

功率管理

????? 除利用特殊濾波器來(lái)節(jié)省電池能量外,PIC16F639還具有專(zhuān)利的納瓦(nanoWatt)技術(shù),可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供對(duì)片上外設(shè)的更大的控制,包括可以通過(guò)幾種軟件可選速度選項(xiàng)來(lái)將頻率降至32 KHz的8 MHz內(nèi)部振蕩器。極低睡眠電流消耗以及快速啟動(dòng)的內(nèi)部振蕩器,可支持低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。周期性喚醒機(jī)制包括低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘工作、超低功率喚醒特性與擴(kuò)展低功率看門(mén)狗定時(shí)器。以這些廣泛的功率管理特性,設(shè)計(jì)工程師可在應(yīng)用軟件中實(shí)施功率節(jié)省概念,并以更低的系統(tǒng)成本來(lái)獲得對(duì)整體系統(tǒng)功耗的更緊密控制。

加密支持

????? 專(zhuān)利的KEELOQ加密技術(shù)這一全球標(biāo)準(zhǔn)提供了一種用于認(rèn)證、無(wú)鑰匙門(mén)控及其他遠(yuǎn)程接入控制系統(tǒng)的高性?xún)r(jià)比解決方案,如圖2所示。KEELOQ加密技術(shù)采用經(jīng)過(guò)行業(yè)驗(yàn)證的跳碼編碼 (code hopping encoding) 方法,當(dāng)編碼器件激活時(shí)代碼會(huì)自動(dòng)改變并安全發(fā)送。以基于編/解碼器對(duì)的實(shí)現(xiàn),編碼器位于遠(yuǎn)端并發(fā)送一個(gè)滾動(dòng)碼ID#與計(jì)數(shù)器值;解碼器則位于接收器中,并對(duì)遠(yuǎn)端編碼器所發(fā)送的消息進(jìn)行解碼。它存儲(chǔ)其偵聽(tīng)到的遠(yuǎn)端設(shè)備識(shí)別號(hào)與計(jì)數(shù)器值,解碼器只有在偵聽(tīng)到遠(yuǎn)端設(shè)備時(shí)才允許訪(fǎng)問(wèn)。KEELOQ加密是一種通過(guò)復(fù)雜公式及32位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)的高度安全算法。

本文結(jié)論

????? 未來(lái)汽車(chē)中無(wú)線(xiàn)安全接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師可能會(huì)遇到各種不同挑戰(zhàn),像PIC系列這種微控制器可為車(chē)輛中的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)提供一種成熟、可靠的構(gòu)建模塊。采用集成系統(tǒng)級(jí)芯片解決方案的低成本雙向通信應(yīng)答器實(shí)現(xiàn),即是一個(gè)可為駕駛員提供增強(qiáng)安全與保密性的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的較好例子。無(wú)需任何人工干預(yù),PKE應(yīng)答器即可接收低頻基站命令并通過(guò)UHF發(fā)射機(jī)以加密數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)。可裝在駕駛員口袋中的小型PKE應(yīng)答器,可自動(dòng)開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)而無(wú)需任何干預(yù)。對(duì)于停車(chē)場(chǎng)入口應(yīng)用,駕駛員不用停車(chē)即可直接開(kāi)進(jìn)停車(chē)場(chǎng),因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別3米左右有效使用距離內(nèi)的PKE應(yīng)答器。

????? 無(wú)線(xiàn)安全接入系統(tǒng)可滿(mǎn)足一些駕車(chē)者對(duì)安全與保密性不斷提高的要求。除消費(fèi)者外,政府管理部門(mén)與汽車(chē)制造商本身也在推出(或計(jì)劃推出)相應(yīng)的計(jì)劃來(lái)提高汽車(chē)中的安全與保密性創(chuàng)新。安全與保密性計(jì)劃的下一步將是單個(gè)子系統(tǒng)的集成,以通過(guò)增強(qiáng)無(wú)線(xiàn)安全接入系統(tǒng)來(lái)提高汽車(chē)制造商的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。