基于PIC16F639的免持式被動(dòng)無鑰門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

免持式被動(dòng)無鑰門禁(PKE)正迅速成為汽車遠(yuǎn)程無鑰門禁應(yīng)用的主流，并成為新車型的普遍選項(xiàng)。該方法無需用手按發(fā)送器按鈕來鎖上或打開車門，只要擁有一個(gè)有效的應(yīng)答器就可方便地進(jìn)出車輛。

免持式PKE應(yīng)用要求基站和應(yīng)答器單元之間進(jìn)行雙向通訊。車輛內(nèi)的基站單元發(fā)出一個(gè)低頻(LF)命令，搜尋周圍的應(yīng)答器。一旦車主的應(yīng)答器被搜索到，該應(yīng)答器隨即自動(dòng)回應(yīng)基站單元?；締卧谑盏接行У尿?yàn)證響應(yīng)信號(hào)后打開車門。

在典型的PKE應(yīng)用中，將基站單元的輸出功率設(shè)計(jì)為政府機(jī)構(gòu)規(guī)定的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)所允許的最大功率。當(dāng)工作于9V到12V直流電源下時(shí)，可達(dá)到的最大天線電壓約為300V峰峰值。由于低頻信號(hào)(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(yīng)答器所接收到的信號(hào)電平只有約幾個(gè)mV峰峰值。另外，由于天線的方向特性，如果天線沒有朝向基站天線，應(yīng)答器的輸入信號(hào)電平會(huì)非常弱。

若PKE無法正常運(yùn)行，最可能的原因是應(yīng)答器輸入信號(hào)電平太弱。因此，為讓免持式PKE應(yīng)用可靠工作，輸入信號(hào)在任何期望的通訊范圍內(nèi)都應(yīng)足夠強(qiáng)(高于輸入靈敏度電平)。為使PKE系統(tǒng)可靠，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須考慮基站命令信號(hào)的輸出功率、應(yīng)答器的輸入靈敏度、天線的方向性以及應(yīng)答器的電池使用壽命這四個(gè)重要參數(shù)。

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(cè)和雙向通訊應(yīng)用中。本文討論了利用PIC16F639 MCU實(shí)現(xiàn)智能PKE應(yīng)答器的設(shè)計(jì)電路示例，并給出了電路中的MCU固件示例。設(shè)計(jì)工程師可以很方便地根據(jù)用戶的特定應(yīng)用對(duì)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)無鑰匙門控(PKE)系統(tǒng)。

PIC16F639 PKE應(yīng)答器

PIC16F639包括數(shù)字MCU部分(PIC16F639內(nèi)核)和模擬前端(AFE)部分，可用于多種低頻檢測(cè)和智能雙向通訊應(yīng)用。圖1為一個(gè)典型的PKE系統(tǒng)示例，基站單元發(fā)出一個(gè)125kHz的命令信號(hào)，搜尋周圍有效的應(yīng)答器。如果接收到的命令有效，PKE應(yīng)答器將返回一個(gè)響應(yīng)信號(hào)。

PIC16F639器件的模擬輸入靈敏度很高(高達(dá)1mV峰峰值)，具有三個(gè)天線連接引腳。通過連接指向X、Y和Z方向的三個(gè)天線，應(yīng)答器可隨時(shí)接收來自任意方向的信號(hào)，從而降低由天線的方向性而造成信號(hào)丟失的可能性。各天線引腳的輸入信號(hào)的檢測(cè)是相互獨(dú)立的，并隨后相加。通過對(duì)配置寄存器進(jìn)行編程，每個(gè)輸入通道可以被單獨(dú)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(xiàn)免持操作，應(yīng)答器連續(xù)等待并檢測(cè)輸入信號(hào)，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(hào)的同時(shí)，數(shù)字MCU部分可以處于低電流模式(休眠模式)。只有當(dāng)AFE檢測(cè)到有效輸入信號(hào)時(shí)，數(shù)字MCU部分才被喚醒。通過使用一個(gè)輸出使能濾波器(喚醒濾波器)可實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。PIC16F639具有9個(gè)輸出使能濾波器選項(xiàng)。用戶可利用配置寄存器對(duì)濾波器進(jìn)行編程。濾波器一旦被編程，則只有在輸入信號(hào)達(dá)到濾波器要求時(shí)，器件才將檢測(cè)到的輸出傳送到數(shù)字部分。

圖2：被動(dòng)無鑰門禁(PKE)應(yīng)答器的配置電路圖。

圖2為PKE應(yīng)答器的配置示例。這個(gè)應(yīng)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(shù)字部分有PORTA和PORTC兩個(gè)I/O口。每個(gè)PORTA引腳都可被單獨(dú)配置為電平變化中斷引腳，而PORTC各引腳沒有電平變化中斷的功能。AFE部分共用數(shù)字部分PORTC的RC1、RC2和RC3三個(gè)I/O引腳，這些引腳在內(nèi)部分別連接到AFE的CS、SCLK/ALERT和LFDATA/CCLK/RSSI/SDIO焊盤上。LFDATA/CCLK/RRSI和ALERT為AFE輸出。SDIO、SCLK和CS被用來編程或讀取AFE配置寄存器。

為節(jié)省電池能量，AFE部分在檢測(cè)LF輸入信號(hào)的同時(shí)，數(shù)字部分通常處于休眠模式。盡管AFE的輸出焊點(diǎn)在內(nèi)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輸出無法通過電平變化中斷事件喚醒數(shù)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(shù)字部分在出現(xiàn)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上的開關(guān)按鈕事件。

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

外部LC諧振天線

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諧振天線電路。外部電路連接至天線輸入引腳及LCCOM引腳。對(duì)所有外部天線電路而言，LCCOM是共用引腳。當(dāng)內(nèi)部檢測(cè)電路檢測(cè)到強(qiáng)輸入信號(hào)時(shí)，建議在LCCOM引腳與地之間接一個(gè)電容(1～10μF)，以提供穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

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

為檢測(cè)低頻磁場(chǎng)，通常要使用調(diào)諧環(huán)型天線。為使天線電壓最大，環(huán)型天線必須精確調(diào)諧到所需的頻率。對(duì)于PKE應(yīng)用，應(yīng)將天線調(diào)諧到基站載波頻率。環(huán)型天線由構(gòu)成并聯(lián)LC諧振電路的一個(gè)線圈(電感)和幾個(gè)電容組成。通過增大環(huán)路表面積和電路的品質(zhì)因數(shù)(Q)使天線電壓最大。