汽車(chē)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)

全球汽車(chē)半導體面臨極大的市場(chǎng)機會(huì ),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(shù)挑戰。本文以可接收和發(fā)送數據的最新智能應答器為例,向中國汽車(chē)設計工程師介紹了在汽車(chē)無(wú)線(xiàn)接入系統設計中解決這些挑戰的技術(shù)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(chē)半導體的18(。從已在使用的遙控無(wú)鑰匙門(mén)控應用,到無(wú)源無(wú)鑰匙門(mén)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(wú)線(xiàn)系統正不斷在車(chē)輛應用中涌現。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用的專(zhuān)用短距離無(wú)線(xiàn)通信解決方案的出現,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壓力外,設計工程師還面臨經(jīng)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(shù)難點(diǎn)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(wú)線(xiàn)系統—可接收和發(fā)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(wú)需人工干預下自動(dòng)通信。這種低成本、雙向通信應答器可設計成采用兩個(gè)頻率工作：125 kHz用于接收數據;UHF(315、433、868或915 MHz)用于發(fā)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(guò)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(fā)射按鈕時(shí),還可支持更長(cháng)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(fā)送命令,同時(shí)等待附近的有效應答器以UHF頻率發(fā)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(fā)送響應。這就是我們所說(shuō)的“無(wú)源無(wú)鑰匙門(mén)控系統”。由于PKE系統采用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(lái)生產(chǎn)。

PKE系統挑戰

隨著(zhù)設計工程師獲得更多的系統經(jīng)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?xún)r(jià)比替代選項,同時(shí)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(guān)注點(diǎn)及解決方案。盡管PKE應答器看起來(lái)似乎需要用復雜及昂貴的電路才能實(shí)現,但設計工程師所面臨的挑戰已通過(guò)使用一些相對簡(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。它還擁有用于可選操作的按鈕,但主要操作無(wú)需任何人工干預即可完成。PKE應用的雙向通信順序如下：基站用125 KHz頻率發(fā)送命令;應答器用3付正交LC諧振天線(xiàn)接收125 KHz基站命令;如果命令有效,則應答器通過(guò)一個(gè)UHF發(fā)射機發(fā)出響應(加密數據);如果數據正確,則基站接收響應并啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。

圖1：采用雙向通信的智能無(wú)源無(wú)鑰匙門(mén)控(PKE)系統

設計工程師所面臨的一個(gè)挑戰是系統性能增強的高性?xún)r(jià)比實(shí)現,這些增強包括：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(cháng)電池工作時(shí)間的應答器設計,可滿(mǎn)足關(guān)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(huì )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(xiàn)輸出電壓,則由大約3米距離上的應答器的線(xiàn)圈天線(xiàn)所感應的電壓大約僅為3 mVpp,與應用環(huán)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(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)射機的發(fā)射功率;(b) 提高應答器的輸入靈敏度?；景l(fā)射機的最大發(fā)射功率一般受政府規定的限制,因此,假設基站發(fā)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(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)電信號都會(huì )在一定的方向角內傳播,且當使用性能更好的天線(xiàn)時(shí)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(xiàn)與應答器天線(xiàn)的耦合程度。當兩付天線(xiàn)面對面相對時(shí),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(xiàn)面向固定基站天線(xiàn)方向的機會(huì )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(xiàn),則機會(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),應答器可以獲得在任何給定方向上的基站信號。

圖2：具有無(wú)線(xiàn)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(dòng)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(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。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(lái)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(lái)節省電池能量外,PIC16F639還具有專(zhuān)利的納瓦(nanoWatt)技術(shù),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(guò)幾種軟件可選速度選項來(lái)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(dòng)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(shí)時(shí)時(shí)鐘工作、超低功率喚醒特性與擴展低功率看門(mén)狗定時(shí)器。以這些廣泛的功率管理特性,設計工程師可在應用軟件中實(shí)施功率節省概念,并以更低的系統成本來(lái)獲得對整體系統功耗的更緊密控制。

加密支持

專(zhuān)利的KEELOQ加密技術(shù)這一全球標準提供了一種用于認證、無(wú)鑰匙門(mén)控及其他遠程接入控制系統的高性?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)驗證的跳碼編碼 (code hopping encoding) 方法,當編碼器件激活時(shí)代碼會(huì )自動(dòng)改變并安全發(fā)送。以基于編/解碼器對的實(shí)現,編碼器位于遠端并發(fā)送一個(gè)滾動(dòng)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(fā)送的消息進(jìn)行解碼。它存儲其偵聽(tīng)到的遠端設備識別號與計數器值,解碼器只有在偵聽(tīng)到遠端設備時(shí)才允許訪(fǎng)問(wèn)。KEELOQ加密是一種通過(guò)復雜公式及32位隨機數發(fā)生器來(lái)實(shí)現的高度安全算法。

本文結論

未來(lái)汽車(chē)中無(wú)線(xiàn)安全接入系統的設計工程師可能會(huì )遇到各種不同挑戰,像PIC系列這種微控制器可為車(chē)輛中的無(wú)線(xiàn)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(shí)現,即是一個(gè)可為駕駛員提供增強安全與保密性的無(wú)線(xiàn)系統的較好例子。無(wú)需任何人工干預,PKE應答器即可接收低頻基站命令并通過(guò)UHF發(fā)射機以加密數據進(jìn)行響應?？裳b在駕駛員口袋中的小型PKE應答器,可自動(dòng)開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)而無(wú)需任何干預。對于停車(chē)場(chǎng)入口應用,駕駛員不用停車(chē)即可直接開(kāi)進(jìn)停車(chē)場(chǎng),因為系統會(huì )自動(dòng)識別3米左右有效使用距離內的PKE應答器。

無(wú)線(xiàn)安全接入系統可滿(mǎn)足一些駕車(chē)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(mén)與汽車(chē)制造商本身也在推出(或計劃推出)相應的計劃來(lái)提高汽車(chē)中的安全與保密性創(chuàng )新。安全與保密性計劃的下一步將是單個(gè)子系統的集成,以通過(guò)增強無(wú)線(xiàn)安全接入系統來(lái)提高汽車(chē)制造商的競爭優(yōu)勢。