基于PIC16F639的免持式被動(dòng)無(wú)鑰門(mén)禁系統設計

免持式被動(dòng)無(wú)鑰門(mén)禁(PKE)正迅速成為汽車(chē)遠程無(wú)鑰門(mén)禁應用的主流，并成為新車(chē)型的普遍選項。該方法無(wú)需用手按發(fā)送器按鈕來(lái)鎖上或打開(kāi)車(chē)門(mén)，只要擁有一個(gè)有效的應答器就可方便地進(jìn)出車(chē)輛。

免持式PKE應用要求基站和應答器單元之間進(jìn)行雙向通訊。車(chē)輛內的基站單元發(fā)出一個(gè)低頻(LF)命令，搜尋周?chē)膽鹌?。一旦?chē)主的應答器被搜索到，該應答器隨即自動(dòng)回應基站單元?；締卧谑盏接行У尿炞C響應信號后打開(kāi)車(chē)門(mén)。

在典型的PKE應用中，將基站單元的輸出功率設計為政府機構規定的電磁輻射標準所允許的最大功率。當工作于9V到12V直流電源下時(shí)，可達到的最大天線(xiàn)電壓約為300V峰峰值。由于低頻信號(125kHz)的非傳播特性，距離發(fā)送基站單元約兩米外的典型鑰匙扣應答器所接收到的信號電平只有約幾個(gè)mV峰峰值。另外，由于天線(xiàn)的方向特性，如果天線(xiàn)沒(méi)有朝向基站天線(xiàn)，應答器的輸入信號電平會(huì )非常弱。

若PKE無(wú)法正常運行，最可能的原因是應答器輸入信號電平太弱。因此，為讓免持式PKE應用可靠工作，輸入信號在任何期望的通訊范圍內都應足夠強(高于輸入靈敏度電平)。為使PKE系統可靠，系統設計工程師必須考慮基站命令信號的輸出功率、應答器的輸入靈敏度、天線(xiàn)的方向性以及應答器的電池使用壽命這四個(gè)重要參數。

PIC16F639是一款帶三通道模擬前端(AFE)的MCU，其模擬前端特性由MCU固件控制。由于使用方便，該器件可用于多種智能低頻檢測和雙向通訊應用中。本文討論了利用PIC16F639 MCU實(shí)現智能PKE應答器的設計電路示例，并給出了電路中的MCU固件示例。設計工程師可以很方便地根據用戶(hù)的特定應用對這些電路和MCU固件進(jìn)行修改。

圖1：采用雙向通信的智能被動(dòng)無(wú)鑰匙門(mén)控(PKE)系統。

PIC16F639 PKE應答器

PIC16F639包括數字MCU部分(PIC16F639內核)和模擬前端(AFE)部分，可用于多種低頻檢測和智能雙向通訊應用。圖1為一個(gè)典型的PKE系統示例，基站單元發(fā)出一個(gè)125kHz的命令信號，搜尋周?chē)行У膽鹌?。如果接收到的命令有效，PKE應答器將返回一個(gè)響應信號。

PIC16F639器件的模擬輸入靈敏度很高(高達1mV峰峰值)，具有三個(gè)天線(xiàn)連接引腳。通過(guò)連接指向X、Y和Z方向的三個(gè)天線(xiàn)，應答器可隨時(shí)接收來(lái)自任意方向的信號，從而降低由天線(xiàn)的方向性而造成信號丟失的可能性。各天線(xiàn)引腳的輸入信號的檢測是相互獨立的，并隨后相加。通過(guò)對配置寄存器進(jìn)行編程，每個(gè)輸入通道可以被單獨使能或禁止。被使能的通道越少，器件的功耗就越小。

為實(shí)現免持操作，應答器連續等待并檢測輸入信號，這會(huì )減少電池使用壽命。因此，為減小工作電流，在模擬前端(AFE)搜尋有效輸入信號的同時(shí)，數字MCU部分可以處于低電流模式(休眠模式)。只有當AFE檢測到有效輸入信號時(shí)，數字MCU部分才被喚醒。通過(guò)使用一個(gè)輸出使能濾波器(喚醒濾波器)可實(shí)現這個(gè)功能。PIC16F639具有9個(gè)輸出使能濾波器選項。用戶(hù)可利用配置寄存器對濾波器進(jìn)行編程。濾波器一旦被編程，則只有在輸入信號達到濾波器要求時(shí)，器件才將檢測到的輸出傳送到數字部分。

圖2：被動(dòng)無(wú)鑰門(mén)禁(PKE)應答器的配置電路圖。

圖2為PKE應答器的配置示例。這個(gè)應答器包括PIC16F639器件、外部LC諧振電路、按鈕、UHF發(fā)送器、后備電池(可選)和3V鋰電池。

數字部分有PORTA和PORTC兩個(gè)I/O口。每個(gè)PORTA引腳都可被單獨配置為電平變化中斷引腳，而PORTC各引腳沒(méi)有電平變化中斷的功能。AFE部分共用數字部分PORTC的RC1、RC2和RC3三個(gè)I/O引腳，這些引腳在內部分別連接到AFE的CS、SCLK/ALERT和LFDATA/CCLK/RSSI/SDIO焊盤(pán)上。LFDATA/CCLK/RRSI和ALERT為AFE輸出。SDIO、SCLK和CS被用來(lái)編程或讀取AFE配置寄存器。

為節省電池能量，AFE部分在檢測LF輸入信號的同時(shí)，數字部分通常處于休眠模式。盡管AFE的輸出焊點(diǎn)在內部連接到PORTC引腳，但由于PORTC引腳不是電平變化中斷引腳，所以AFE輸出無(wú)法通過(guò)電平變化中斷事件喚醒數字部分。因此，建議將AFE的LFDATA和ALERT引腳在外部連接到PORTA引腳，如圖2所示。

數字部分在出現以下三種情況之一時(shí)被喚醒：LFDATA引腳有AFE輸出；ALERT引腳有AFE輸出；按下PORTA上的開(kāi)關(guān)按鈕事件。

圖3：由于天線(xiàn)的方向性，在實(shí)際應用中，兩個(gè)天線(xiàn)平行時(shí)檢測距離最大，正交時(shí)檢測距離最短。

外部LC諧振天線(xiàn)

PIC16F639器件具有三個(gè)低頻輸入通道。LCX、LCY和LCZ引腳用于連接(每個(gè)LF輸入通道的)外部LC諧振天線(xiàn)電路。外部電路連接至天線(xiàn)輸入引腳及LCCOM引腳。對所有外部天線(xiàn)電路而言，LCCOM是共用引腳。當內部檢測電路檢測到強輸入信號時(shí)，建議在LCCOM引腳與地之間接一個(gè)電容(1～10μF)，以提供穩定的工作狀態(tài)。

盡管PIC16F639有三個(gè)LC輸入引腳與三個(gè)外部天線(xiàn)連接，但根據具體應用，用戶(hù)可以只用一個(gè)或兩個(gè)天線(xiàn)，而不是同時(shí)使用三個(gè)天線(xiàn)。工作電流消耗與使能的通道數成正比，使能的通道越少，消耗的電流越小，但強烈建議在免持式PKE應用中使用所有三個(gè)天線(xiàn)。

為檢測低頻磁場(chǎng)，通常要使用調諧環(huán)型天線(xiàn)。為使天線(xiàn)電壓最大，環(huán)型天線(xiàn)必須精確調諧到所需的頻率。對于PKE應用，應將天線(xiàn)調諧到基站載波頻率。環(huán)型天線(xiàn)由構成并聯(lián)LC諧振電路的一個(gè)線(xiàn)圈(電感)和幾個(gè)電容組成。通過(guò)增大環(huán)路表面積和電路的品質(zhì)因數(Q)使天線(xiàn)電壓最大。