用單一MCU實(shí)現遙控開(kāi)鎖和輪胎壓力感測系統
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無(wú)源遙控開(kāi)鎖
遙控開(kāi)鎖技術(shù)自從前幾年出現后，得到了很好改進(jìn)。早期的系統只需要從按鍵到車(chē)輛控制器發(fā)射一個(gè)序列約幾個(gè)bits的數據，控制器只是簡(jiǎn)單驗證該序列是否正確，然后決定是否打開(kāi)車(chē)門(mén)鎖。這樣的系統從安全角度講非常不完善，在信號發(fā)射，通信時(shí)容易被截獲，偷車(chē)人可發(fā)射所有可能的序列組合，或通過(guò)截獲開(kāi)鎖密碼，容易地進(jìn)入車(chē)內而不必破壞車(chē)輛，這樣也就不易被人發(fā)現。
目前所用的RKE系統通過(guò)加長(cháng)密碼序列來(lái)防止這類(lèi)問(wèn)題，要想解密所有的數據幾乎不可能。另外為了防止密碼被截獲，RKE系統在每次按鍵時(shí)都改變密碼，這種技術(shù)稱(chēng)為編碼跳躍(code hopping)，在密碼每次發(fā)射時(shí)進(jìn)行加密。接收器在解密時(shí)，需要確認計數器從前次儲存發(fā)射數據增加一定值，這種高度安全的解決方案借助于Microchip公司的Keeloq家族編碼跳躍產(chǎn)品非常容易。
可以預見(jiàn)，未來(lái)的車(chē)門(mén)控制將使用無(wú)源遙控開(kāi)鎖(Passive Keyless Entry， PKE)系統，車(chē)主攜帶控鍵靠近車(chē)門(mén)時(shí)將被激活，在車(chē)主拉車(chē)門(mén)時(shí)，汽車(chē)將確認控鍵已靠近車(chē)門(mén)，并自動(dòng)將門(mén)打開(kāi)。這種技術(shù)需要雙向無(wú)線(xiàn)通信系統，汽車(chē)首先向控鍵發(fā)射數據，控鍵加密數據并發(fā)送回汽車(chē)，如圖1所示。
雙向通信的TPS系統
在有些高檔汽車(chē)中已經(jīng)安裝了壓力感測系統，但最近交通事故數據顯示，錯誤的輪胎壓力是造成這些事故的主要原因之一，迫使汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商在所有汽車(chē)產(chǎn)品中安裝輪胎壓力感測系統。感測系統一般包括傳感器，用來(lái)測定輪胎內的溫度和壓力，并不斷將數據通過(guò)RF鏈路傳給汽車(chē)中的接收器，該接收器與一警告顯示器相連，這樣車(chē)內的司機就可隨時(shí)了解輪胎是氣壓不足還是過(guò)高。
但其中的一個(gè)問(wèn)題是如何區分數據來(lái)自哪一個(gè)輪胎，這可以通過(guò)下述方式解決。一是給輪胎編上序號，二是使用選向性接收器，三是根據汽車(chē)轉向時(shí)不同輪車(chē)轉速不同確定。這幾種方法各有所長(cháng)，優(yōu)劣不能一概而論。編號方法在換輪胎或輪胎位置變化時(shí)容易混淆，需要重新編號。選向接收器和轉速法非常復雜，成本也高。
功耗在TPS系統中是另一問(wèn)題，單向數據通信中，傳感器需要周期性地加電，并傳送壓力、溫度等數據，在汽車(chē)不用時(shí)往往也需這樣。為解決電池使用壽命問(wèn)題，可在輪胎中使用一長(cháng)壽命電池，并安裝附加的加速度計，在汽車(chē)開(kāi)動(dòng)時(shí)，才將傳感器加電。但這會(huì )增加重量并使成本提高。
雖然可以設計出基于一個(gè)電池的單向通信系統，并維持10年的使用壽命，但理想的解決方案是在每一個(gè)車(chē)輪和接收器之間實(shí)現雙向無(wú)線(xiàn)連接，如圖2所示。雙向通信方式不必同時(shí)解決車(chē)輪的辨認問(wèn)題，因為此時(shí)司機可以選擇車(chē)輪進(jìn)行測量，而且也可減低系統功耗，在汽車(chē)不用時(shí)，司機可將傳感器斷電。
通信手段
PKE和TPS系統都可通過(guò)雙向無(wú)線(xiàn)連接實(shí)現，但問(wèn)題是在合適的功耗、通信距離、成本以及物理尺寸之間進(jìn)行適當折衷?，F有的控鍵、輪胎傳感器到汽車(chē)控制器之間的數據交換可用RF發(fā)射器實(shí)現，但簡(jiǎn)單地將發(fā)射器改為收發(fā)器是不可取的，收發(fā)器必須要永久加電，會(huì )很快將電源耗盡，因此應在控鍵和輪胎中都應有一低功耗接收器，利用一共振LC電路產(chǎn)生125KHz或13.56MHz的電磁波，通過(guò)電磁波的通和斷來(lái)進(jìn)行數據通信，因此控鍵和輪胎處的接收器只需增加一LC電路即可。
對于開(kāi)鎖控鍵，這種方案雖解決了功耗和體積問(wèn)題，但在作用距離、數據傳送率等方面有局限性。PKE和TPS都要求1~2米的通信距離，需要敏感的低功耗輸入檢測電路。另一個(gè)限制是電磁場(chǎng)的方向性，這使接收器的位置非常關(guān)鍵。在TPS系統中這不稱(chēng)其為問(wèn)題，因輪軸附近的位置變化并非很大。但在PKE系統中，控鍵的位置就很隨意，為解決方向性問(wèn)題，需要兩兩正交地安裝三組LC，以三個(gè)LC敏感輸入電路進(jìn)行三維接收。
Microchip的Keeloq家族是傳統RKE系統的標準產(chǎn)品，設計者只要增加LC電路的數量，將三維敏感輸入電路集成到一起，即可構成PKE解決方案。
低功耗RF
前面談到，由控鍵或輪胎到汽車(chē)控制器通信使用現有RF電路的315和433MHz頻段，低功耗RF設計主要基于表面聲波(SAW)諧振器，這種技術(shù)只需極少量器件即可構成一高性?xún)r(jià)比的幅移鍵控(ASK)RF發(fā)射器。但由于各國對于RF輻射的限制越來(lái)越嚴格，上述方法逐漸被基于鎖相環(huán)(PLL)的技術(shù)所取代。使用PLL技術(shù)，可利用接收器的窄帶寬得到更遠的作用距離。由于在低頻段的飽和及干擾影響，一些設計已經(jīng)高達868或915MHz?；赑LL的設計也使之與MCU集成在一個(gè)封裝內，Microchip的 rfPIC器件即是一例，它物理尺寸很小，非常適合于無(wú)線(xiàn)控制，集成解決方案也減少了所需器件的數量，頻移鍵控(FSK)設計在提供3dB增益的同時(shí)，受噪聲影響也較低，這種集成可使FSK設計更容易滿(mǎn)足當地RF法律的要求。
安全可靠性
TPS系統的設計源由出自于安全性考慮，它只是對輪胎壓力出現的異常給司機提出警告，因此如果TPS系統的失效將給廠(chǎng)商和用戶(hù)帶來(lái)同樣不可估量的損失，必須重視系統的安全可靠性問(wèn)題。
輪胎內壓力傳感器必須能夠長(cháng)時(shí)間承受高溫和高加速度，由于車(chē)輪中金屬量很多，并在高速轉動(dòng)，對于無(wú)線(xiàn)鏈路天線(xiàn)的安裝提出了很高的要求。TPS系統經(jīng)常忽視的問(wèn)題也是安全性，如果系統安全性不好，偷車(chē)人可靠近汽車(chē)，測得發(fā)射的壓力測量數據，然后發(fā)出一假的低壓力信號，在司機下車(chē)檢查輪胎時(shí)將汽車(chē)劫持。
雙向通信系統可部分解決該問(wèn)題，因接收器知道何時(shí)來(lái)自某一輪胎的發(fā)射信號，而且信號電磁波輻射的強度也不是很高，偷車(chē)人難以可靠地檢測到。如果進(jìn)一步提高系統的安全性，可使用加密機制，并以隨機的時(shí)間和順序來(lái)檢測輪胎的壓力。
在PKE和TPS系統之間存在著(zhù)許多相似之處，很顯然它們可以共用一些元器件。在系統級，它們可共用RF接收器接收來(lái)自控鍵和輪胎壓力傳感器的信號，產(chǎn)生電磁場(chǎng)激活壓力傳感器的電感同樣可用來(lái)激活PKE鍵。兩者結合的系統結構如圖3所示。
在器件級，同一MCU可同時(shí)實(shí)現壓力傳感器以及控鍵接口。該MCU只需很低的待機電流，2V的工作電壓，一個(gè)可靠的板上E2PROM來(lái)存儲控鍵的安全信息以及壓力傳感器的校準值等。將來(lái)可實(shí)現轉發(fā)器輸入電路與RF發(fā)射器的進(jìn)一步集成，那時(shí)所需的外部器件將更少。
結語(yǔ)
雖然無(wú)線(xiàn)技術(shù)可使汽車(chē)與Internet、電話(huà)等連接，對于汽車(chē)中的其它應用并非優(yōu)勢特別明顯。但TPS和PKE卻是近期無(wú)線(xiàn)技術(shù)在汽車(chē)中應用的極好例證，兩系統的相似之處可使設計者將二者結合起來(lái)，構成一可靠、價(jià)位適中的完美解決方案?！?麥凱)
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