被動(dòng)門(mén)禁系統的RF設計注意事項

被動(dòng)門(mén)禁 (Passive Entry, PE)系統在汽車(chē)舒適度和安全性方面正在引領(lǐng)一個(gè)新的發(fā)展趨勢。就完全性而言，遙控無(wú)匙門(mén)禁(Remote Keyless Entry, RKE)系統是交互式的，即用戶(hù)必須按下鑰匙才能打開(kāi)車(chē)門(mén)；而被動(dòng)門(mén)禁系統則是被動(dòng)式的，也就是說(shuō)，它們無(wú)需用戶(hù)做出任何交互式動(dòng)作就可以打開(kāi)車(chē)門(mén)。當用戶(hù)準備進(jìn)入車(chē)輛時(shí)，通過(guò)拉門(mén)柄的動(dòng)作觸發(fā)PE系統發(fā)射低頻Low frequency, LF)信號。幾毫秒內密鑰卡接收到LF信號，并對接收到的數據包進(jìn)行加密，然后經(jīng)由射頻(RF)信道把加密信號發(fā)送給車(chē)輛作確認。

被動(dòng)門(mén)禁系統還可以包含一個(gè)被動(dòng)式引擎發(fā)動(dòng)功能，即被動(dòng)門(mén)禁啟動(dòng)(Passive Entry Go, PEG)。只要系統確認密鑰卡在車(chē)輛里面，則駕駛員一坐上駕駛席就會(huì )觸發(fā)LF電路。在驗證確認并且完成位置測量之后，只需按下啟動(dòng)鍵就可以發(fā)動(dòng)引擎。

這兩種情況都是通過(guò)密鑰卡來(lái)接收純文本數據，并利用功能強大的硬件加密模塊(如AES-28模塊)對之進(jìn)行加密，然后再把加密數據返回給車(chē)輛以做驗證。

PE密鑰卡采用小型鋰電池，為數據接收、加密及傳輸提供電源。被動(dòng)門(mén)禁系統中的密鑰卡經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計來(lái)確保盡可能長(cháng)的電池壽命。如果電池快將用完，密鑰卡就會(huì )進(jìn)入一個(gè)緊急模式，通過(guò)LF線(xiàn)圈獲得足夠的磁場(chǎng)能量來(lái)實(shí)現無(wú)電池工作。這時(shí)需要把密鑰卡放置在車(chē)門(mén)線(xiàn)圈附近的位置。在這種情況下，系統只會(huì )通過(guò)LF信道進(jìn)行通信。

典型的PE系統

一個(gè)典型的PE系統是由汽車(chē)車(chē)內部分和一個(gè)密鑰卡子系統組成，這兩者作為通信對等點(diǎn)，建立有兩條通信鏈路：(1) LF上行鏈路：車(chē)輛到密鑰卡，(2) 超高頻(UHF)下行鏈路：密鑰卡到車(chē)輛 (見(jiàn)圖1)。


圖1 被動(dòng)門(mén)禁系統的模塊示意圖

車(chē)內部分

當用戶(hù)拉動(dòng)汽車(chē)門(mén)柄時(shí)，車(chē)輛中的天線(xiàn)驅動(dòng)器便會(huì )產(chǎn)生LF場(chǎng)。這種變化激活中央儀表板的控制器，請求密鑰卡啟動(dòng)LF通信。通常每扇車(chē)門(mén)內都安裝有LF天線(xiàn)線(xiàn)圈，由天線(xiàn)驅動(dòng)器單元驅動(dòng) (一個(gè)天線(xiàn)驅動(dòng)器單元可以驅動(dòng)多個(gè)天線(xiàn)線(xiàn)圈，比如，ATA5279就能夠驅動(dòng)多達6個(gè)不同的天線(xiàn)線(xiàn)圈)。系統采用一個(gè)UHF接收器模塊來(lái)接收從密鑰卡發(fā)出的RF數據，以支持RF鏈路。接收到的數據經(jīng)加密后再被發(fā)送回儀表板控制器，然后通過(guò)軟件進(jìn)行解密(AES-128)。

密鑰卡

在任何PE系統中，密鑰卡都必須能夠測量LF信號在三個(gè)正交軸(X、Y和Z方向)上的強度，并能利用UHF發(fā)射器，通過(guò)RF信道把這一信息發(fā)回給車(chē)輛，以確定密鑰卡的位置。這種信號強度信息 (也被稱(chēng)為遠程信號強度指示器，即RSSI) 由與3D LF接收器相連接的三個(gè)正交天線(xiàn)線(xiàn)圈收集。任何數字數據，比如喚醒數據模式(前導碼，ID)、系統命令或作為協(xié)議載荷的純文本數據口令，將會(huì )被接收并傳送給密鑰卡中的微控制器(MCU)處理(返回信息包，加密)。為了節能，LF接收器帶有一個(gè)專(zhuān)用的控制邏輯，能夠以極低功耗來(lái)分析和檢測喚醒信號，故無(wú)需全面喚醒整個(gè)系統，這樣可以大大延長(cháng)密鑰卡的電池壽命。密鑰卡數據流量的進(jìn)出可通過(guò)一個(gè)小型8位超低功耗MCU(如ATtiny44)來(lái)控制。接收到的數據可以通過(guò)軟件進(jìn)行加密，也可以通過(guò)帶有功能強大的加密功能的硬件加密模塊(如AES-128)進(jìn)行加密。為提高安全性，一個(gè)加密機制會(huì )同時(shí)用在硬件內部和嵌入在MCU上。加密后的數據被傳送到UHF發(fā)射器，并以很高的波特率向車(chē)輛發(fā)射。

在電池完全耗盡的情況下，發(fā)射應答器可以作為一個(gè)無(wú)電池的無(wú)源設備進(jìn)行工作，這時(shí)被稱(chēng)為緊急模式工作。在此模式下，正交線(xiàn)圈中只有一個(gè)與LF磁場(chǎng)耦合，從中獲得足夠的能量，并以電荷的形式存儲在外部電容器里。發(fā)射應答器通過(guò)LF鏈路與基站通信來(lái)打開(kāi)車(chē)門(mén)，并被用作一個(gè)防盜鎖止裝置，可阻止發(fā)動(dòng)引擎(參見(jiàn)圖1，其中X軸線(xiàn)圈相當于一個(gè)3D LF接收器線(xiàn)圈和一個(gè)緊急/防盜鎖止收發(fā)器天線(xiàn))。模擬前端(AFE)模塊被用于LF通信，而功率管理(PM)模塊用來(lái)管理場(chǎng)電源，即存儲在外部電容器Cbuf上的電荷。在緊急模式下，RSSI測量、3D LF數據接收和RF發(fā)射都被禁用。

表1：PE系統密鑰卡的基本參數



圖2 3D LF接收器的喚醒

圖3 RSSI定位測量

接收LF信號

載波頻率為125kHz左右的低頻場(chǎng)可以有以下作用：(1) 低波特率發(fā)射數據的數據通信鏈路；(2) 計算3個(gè)軸向上RSSI值定位信息的媒介；(3) 短距發(fā)射電能的無(wú)接觸式電磁媒介。不過(guò)，每一類(lèi)應用及其發(fā)射質(zhì)量都與發(fā)射器和接收器天線(xiàn)的耦合程度密切相關(guān)。這種耦合程度又取決于眾多物理參數和電氣參數，比如天線(xiàn)電感、電阻、線(xiàn)圈之間的距離、諧振調諧程度等等因素。耦合因子越大，通信鏈路越強大(亦即從線(xiàn)圈傳輸到線(xiàn)圈的能量增加)。

發(fā)射器線(xiàn)圈天線(xiàn)發(fā)射的LF電磁波信號沿著(zhù)磁場(chǎng)強度最大的方向角傳播，并隨著(zhù)遠離中心而逐漸衰減。要獲得最佳天線(xiàn)耦合性能，發(fā)射器必須直接面向接收器天線(xiàn)。通過(guò)采用三個(gè)按X、Y和Z軸向正交放置的接收器天線(xiàn)，單個(gè)發(fā)射器天線(xiàn)的方向性問(wèn)題就得以解決。反之，多個(gè)正交放置的接收器天線(xiàn)可以接收到來(lái)自不同天線(xiàn)線(xiàn)圈的任何方向的信號。


圖4 RSSI分辨率

被動(dòng)門(mén)禁系統中的RF通信

愛(ài)特梅爾提供廣泛的UHF IC，這些芯片專(zhuān)為ISM頻率范圍上的單向或雙向通信而設計，適用于汽車(chē)門(mén)禁系統等車(chē)載應用。如用于單向通信的 T5750/53/54、ATA5756/57發(fā)射器系列和 ATA5723/24/28、ATA5745/46接收器系列。至于雙向通信，則有收發(fā)器系列ATA5811/12和ATA5823/24。表1總結了設計被動(dòng)門(mén)禁系統時(shí)必須考慮的RF事項。

表2：不同類(lèi)型天線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)比較


RF設計中討論最多的是可接收距離，當然還有系統可靠性。一般而言，一個(gè)RF系統包含一個(gè)發(fā)射器模塊(本例中即為密鑰卡)和一個(gè)接收器模塊。要設計出最好的解決方案，必須考慮到發(fā)射功率和靈敏度這兩個(gè)主要參數。例如，愛(ài)特梅爾的收發(fā)器IC ATA5824就能夠提供 典型值達-109 dBm 的出色頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)靈敏度(在2.4kBps的數據速率下)和典型值達10dBm 的發(fā)射功率，這有助于汽車(chē)門(mén)禁系統實(shí)現十分理想的覆蓋距離。


圖5 車(chē)輛天線(xiàn)2D輻射模式實(shí)例

天線(xiàn)性能

要獲得一個(gè)最佳系統鏈路成本預算和盡可能大的覆蓋距離，除了發(fā)射功率和靈敏度等RF參數之外，天線(xiàn)的性能也是至關(guān)重要的。在大多數情況下，天線(xiàn)設計必須在可用空間和天線(xiàn)尺寸之間進(jìn)行權衡折衷。鑒于此，密鑰卡中往往不能實(shí)現最佳天線(xiàn)形狀，而更常采用小型環(huán)形天線(xiàn)。環(huán)形天線(xiàn)是一種磁性天線(xiàn)，在密鑰卡應用中，這類(lèi)天線(xiàn)比鞭形（whip）天線(xiàn)更有用，因為環(huán)形天線(xiàn)對人體接觸不太敏感。不過(guò)，有些應用因為發(fā)射距離長(cháng)，故可能需要高效天線(xiàn)，這時(shí)，(折疊式)鞭形天線(xiàn)也許是很適合的密鑰卡解決方案。有些天線(xiàn)制造商提供芯片式天線(xiàn)，相比印制式天線(xiàn)，其品質(zhì)因數(Q因子)和增益都更高。如果系統的成本不是關(guān)鍵因素的話(huà)，這也是一種很好的解決方案。在車(chē)輛中，天線(xiàn)的尺寸并不算相當重要，有的汽車(chē)把天線(xiàn)放在車(chē)窗上(比如后車(chē)窗)，但最流行的解決方案是放置在接收模塊的PCB上的印制式天線(xiàn)。表2總結了這兩類(lèi)天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。


圖6 密鑰卡天線(xiàn)2D輻射模式實(shí)例

接地噪聲反射

在實(shí)際生活中，由于反射和衰退效應，環(huán)境影響著(zhù)系統鏈路預算的衰減。在定義系統的鏈路預算時(shí)，必須把這些因素考慮在內。下面通過(guò)一個(gè)計算例子來(lái)說(shuō)明接地噪聲(接地反彈)反射對可接收距離的影響：

舉例：

? 接收器靈敏度：典型值

-109dBm，433.92MHz

? 發(fā)射功率：典型值10dBm

? 發(fā)射器天線(xiàn)增益：-18dB (接近小尺寸環(huán)形天線(xiàn)的性能)

? 本例中假設接收器的天線(xiàn)增益為-6dB

如果接地噪聲反射可以忽略，按照自由空間方程，可計算出距離大約為3km。然而本例考慮到了接地噪聲反射，典型可接收距離降至300m。當然，實(shí)際中接地噪聲反射遠比本例的更為復雜。圖7顯示了反射效應是如何影響車(chē)輛天線(xiàn)的接收功率的。紅色曲線(xiàn)代表自由空間條件下的理想情況，而藍色曲線(xiàn)代表有人慢慢走近汽車(chē)時(shí)的行為。