從PKE應答器入手，分析汽車無線安全應用設計挑戰(zhàn)

消費者對安防與安全的需求推動著汽車電子市場的迅速擴張。與此同時，汽車制造商面臨著必須實現(xiàn)具有成本效益、以性能為導向的電子控制模塊的挑戰(zhàn)。在汽車制造商的產(chǎn)品細分目標與消費者的需求之間，汽車安防與安全系統(tǒng)架起了一座相互協(xié)調(diào)的橋梁。

從成熟的遙控無鑰門控(RKE)應用，到新興的無源無鑰門控(PKE)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)、電子收費和藍牙免提系統(tǒng)等應用，車載無線系統(tǒng)正在不斷開花結(jié)果。這些無線連接有助于提高安防與安全模塊的性能。而由于技術(shù)性價比及可獲得性等原因，其它一些專用短距離通信系統(tǒng)在安防與安全領(lǐng)域的應用受到了局限。

除了加快上市進程和增加功能性等常見壓力外，設計人員還面臨其它許多挑戰(zhàn)，如具備成本效益的性能增強、功耗、系統(tǒng)尺寸和加密安全等。

舉例來說，我們可以審視一種代表著當今系統(tǒng)架構(gòu)師所面臨眾多挑戰(zhàn)之一的無線系統(tǒng)：一個可接收和發(fā)射數(shù)據(jù)的智能應答器(smart transponder)。在這種雙向通信系統(tǒng)中，基站與應答器能夠自動通信，無需人工干預。這種低成本的雙向通信應答器可設計成采用兩個頻率工作：125kHz用于接收數(shù)據(jù)，UHF(315、433、868或915MHz)用于發(fā)射數(shù)據(jù)。由于125kHz信號的非傳播(nonpropagating)屬性，雙向通信距離一般不超過3米。而鑒于該應答器仍然具備能夠執(zhí)行可選操作的按鈕，故當按下發(fā)射按鈕時，還可支持更長的單向傳輸距離(從應答器至基站)。

在這些應用中，基站用125kHz頻率發(fā)射命令，同時搜索區(qū)域內(nèi)的有效應答器以UHF頻率發(fā)回的任何響應。智能應答器一般處于接收模式，并搜索任何有效的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)射響應。這就是我們所說的“無源無鑰門控(PKE)系統(tǒng)”。PKE系統(tǒng)采用125kHz電路進行雙向通信?？衫冒袛?shù)字與低頻模擬前端的集成系統(tǒng)級芯片(SoC)智能微控制器來生產(chǎn)低成本、小體積及低功耗的PKE轉(zhuǎn)發(fā)器。

但隨著設計人員積累越來越多的系統(tǒng)經(jīng)驗，他們又面臨著如下挑戰(zhàn)：如何使PKE應答器足夠可靠，從而成為常規(guī)RKE應答器的一種具務成本效益的替代方案，同時又確保它能達到特定的系統(tǒng)目標？盡管PKE應答器看起來似乎需要采用復雜及昂貴的電路才能實現(xiàn)，但通過使用一些相對簡單的低成本電路，設計人員所面臨的挑戰(zhàn)即可以得到解決。這些低成本電路以一個智能PIC微控制器(PIC16F639)為中心，包含了支持安全雙向通信所必需的全部功能。

圖中所示的智能PKE系統(tǒng)仍然具有支持可選操作的按鈕，但主要工作無需任何人機干預即可完成。PKE系統(tǒng)的雙向通信順序如下：

基站用125KHz頻率發(fā)射命令；

應答器經(jīng)由三副正交125KHz LC諧振天線接收基站命令；

若命令有效，應答器通過一個UHF發(fā)射機發(fā)射響應(加密數(shù)據(jù))；若數(shù)據(jù)正確，則基站接收響應，并啟動開關(guān)。

設計人員所面臨的另一項挑戰(zhàn)，是如何以具備成本效益的方式實現(xiàn)系統(tǒng)性能增強？要實現(xiàn)增強的性能包括：通信距離、天線方向性、小尺寸封裝、加密安全及門鎖“開/關(guān)”條件下的低功耗等。通過提高125kHz基站命令的可靠作用距離，并保持較長的電池工作時間，可滿足關(guān)鍵的系統(tǒng)性能增強要求。

在電池供電的應答器應用中，使用UHF的最大通信距離大約為100米，但采用低頻(125kHz)則只能達到幾米。因此，雙頻PKE應答器的通信距離主要受125kHz基站命令作用距離的限制。由于低頻信號的非傳播特性，125kHz信號會隨距離增加而快速衰減。例如，假設基站輸出300Vpp左右的天線電壓，則由大約3米開外的應答器的線圈天線所感應的電壓僅為3mVpp左右，與應用環(huán)境的噪聲級相當。所以，如何有效地檢測弱信號，成為系統(tǒng)設計人員所面臨的一個棘手的性能問題。

要延長125kHz基站命令的作用距離，可考慮以下兩種可能的解決方案：增加基站發(fā)射機的發(fā)射功率；或提高應答器的輸入靈敏度?；景l(fā)射機的最大發(fā)射功率一般由政府規(guī)范規(guī)定。因此，若基站發(fā)射的最大功率在允許范圍內(nèi)，則提高輸入信號檢測靈敏度，即上述第二種方法，是唯一有效的解決方案。為達到3米的雙向通信距離，應答器輸入靈敏度必須達到3mVpp左右。

圖：PKE系統(tǒng)的主要操作無需人工進行

天線的方向性問題

由天線單元輻射的任何無線電信號都會沿某種方向角傳播，如果使用性能良好的天線，信號傳播的方向性更強(或輻射角更窄)。由LC諧振電路輻射的低頻(125kHz)信號雖不像高頻信號那樣有更好的方向性，但它仍然具有一定的方向性。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)取決于基站天線與應答器天線的電感性耦合程度。當兩副天線面對面相對時，其耦合度最佳。

對于免提PKE應用，應答器放在用戶口袋中的方向可以是任意的，因此，應答器天線面向固定基站天線方向的幾率最高只有30%左右(x、y、z方向)。但如果應答器有三副正交天線，則這種幾率可增加至近100%，此時，應答器可以捕獲在任何給定方向上的基站信號。

PIC16F639的工作可被有效控制，從而節(jié)省電池電量消耗。此外，該微控制器還必須在非主動模式期間以最少的電路工作。應答器中的PIC16F639芯片同時含有低頻前端與數(shù)字電路，低頻前端部分總是在搜索輸入信號，而數(shù)字部分則處于睡眠模式，以節(jié)省電池電量，只有在接收到一條有效基站命令時才被喚醒。這可以通過在低頻前端部分中使用一個特殊的喚醒濾波器來實現(xiàn)。而且，低頻檢測電路還可編程，使得僅在輸入信號帶有預定義數(shù)據(jù)包頭時才有輸出。

功率管理及封裝尺寸問題

除利用特殊的濾波器來節(jié)省電池電量外，PIC16F639還具備專有的納瓦(nanoWatt)技術(shù)，可方便系統(tǒng)設計人員更好地控制片上外設，如可利用幾種軟件可選速度選項功能將頻率降至32KHz的8MHz內(nèi)部振蕩器。極低的睡眠電流消耗加上快速啟動的內(nèi)部振蕩器，可支持低功耗系統(tǒng)設計。其周期性喚醒機制包括低功率實時時鐘工作、超低功率喚醒與擴展的低功率看門狗定時器。憑借這些廣泛的功率管理特性，設計人員能夠在應用軟件中實現(xiàn)節(jié)能，并以更低的成本來獲得對整體系統(tǒng)功耗的更嚴格的控制。

為方便實現(xiàn)，并增強靈活性，同時保持小的占位面積，必需對MCU和模擬前端之間的集成度進行仔細評估。這里采用了一種“雙裸片單封裝”方案，可基于應用要求，支持未來向不同MCU的轉(zhuǎn)換。兩個功能型裸片通過一個串行外設接口來進行內(nèi)部邦定。PIC微控制器系列支持多種封裝形式。少至6個多達80個引腳的器件都有提供。不超過20個引腳的封裝形式是無線接入系統(tǒng)中空間受限應用的理想選擇。較小外形尺寸、先進的片上外設集成以及成本效益等多種優(yōu)勢的結(jié)合，使得系統(tǒng)設計人員能夠創(chuàng)建性能更強大的系統(tǒng)，同時滿足無線系統(tǒng)實現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)。

專利的KEELOQ全球標準加密技術(shù)提供了一種用于認證、無鑰門控及其它遠程接入控制系統(tǒng)的具有成本效益的解決方案。KEELOQ加密技術(shù)采用經(jīng)過行業(yè)驗證的跳碼編碼(code hopping encoding)方法，當編碼器件被激活時，代碼改變并被安全發(fā)送。在基于一對編碼器和解碼器的實現(xiàn)方案中，編碼器位于遠端，并發(fā)送一個滾動碼ID編號與計數(shù)器值。解碼器則位于接收器中，對遠端編碼器所發(fā)送的消息進行解碼。它存儲其偵聽到的遠端設備的識別編號與計數(shù)器值。解碼器只有在偵聽到遠端設備時才允許訪問。

KEELOQ加密是一種通過復雜公式及32位隨機數(shù)發(fā)生器來實現(xiàn)的高度安全的算法。對于停車場入口應用，駕駛員不用停車即可直接開進停車場，因為系統(tǒng)會自動識別3米左右有效使用范圍內(nèi)的PKE應答器。

未來汽車無線安全接入系統(tǒng)的設計人員可能會遇到各種不同挑戰(zhàn)。具備成本效益的微控制器可為車載無線系統(tǒng)提供一種成熟可靠的構(gòu)建模塊。采用集成系統(tǒng)級芯片解決方案實現(xiàn)的低成本雙向通信應答器，即是一個可為駕駛員提供增強安全保安性功能的無線系統(tǒng)的實例。無需任何人工干預，PKE應答器即可接收低頻基站命令，并通過UHF發(fā)射器加密數(shù)據(jù)進行響應。這種小型PKE應答器可裝在駕駛員口袋中，能夠自動開關(guān)車門，而無需任何人工介入。