汽車無線接入系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計介紹

全球汽車半導(dǎo)體面臨極大的市場機會,但設(shè)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(zhàn)。本文以可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的最新智能應(yīng)答器為例,向中國汽車設(shè)計工程師介紹了在汽車無線接入系統(tǒng)設(shè)計中解決這些挑戰(zhàn)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(dǎo)體大約占到中國汽車半導(dǎo)體的18(。從已在使用的遙控?zé)o鑰匙門控應(yīng)用,到無源無鑰匙門控(PKE)系統(tǒng)、輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)、電子繳費(收費)與藍牙免提系統(tǒng)等新興應(yīng)用,無線系統(tǒng)正不斷在車輛應(yīng)用中涌現(xiàn)。這些無線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(yīng)用的專用短距離無線通信解決方案的出現(xiàn),則只受到高性價比技術(shù)可用性的限制。除縮短上市時間與增加功能的傳統(tǒng)壓力外,設(shè)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(zhàn)。

表1：PKE智能應(yīng)答器的主要技術(shù)難點與解決方案。

例如,我們可以看一下代表當(dāng)今系統(tǒng)架構(gòu)師所面臨眾多挑戰(zhàn)的無線系統(tǒng)—可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的最新智能應(yīng)答器。在這種雙向通信系統(tǒng)中,基站與應(yīng)答器可在無需人工干預(yù)下自動通信。這種低成本、雙向通信應(yīng)答器可設(shè)計成采用兩個頻率工作：125 kHz用于接收數(shù)據(jù);UHF(315、433、868或915 MHz)用于發(fā)送數(shù)據(jù)。由于125 kHz信號的非傳播特性,雙向通信距離一般不超過3米。而由于該應(yīng)答器還擁有可執(zhí)行可選操作的按鈕,故當(dāng)按下發(fā)射按鈕時,還可支持更長的單向傳輸距離(從應(yīng)答器至基站)。

在這些應(yīng)用中,基站用125 kHz頻率發(fā)送命令,同時等待附近的有效應(yīng)答器以UHF頻率發(fā)回響應(yīng)。智能應(yīng)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(yīng)答器以UHF頻率發(fā)送響應(yīng)。這就是我們所說的“無源無鑰匙門控系統(tǒng)”。由于PKE系統(tǒng)采用125kHz電路進行雙向通信,因此低成本、小體積及低功耗PKE應(yīng)答器可使用含有數(shù)字與低頻前端的集成系統(tǒng)級芯片(SoC) 智能微控制器單元(MCU)來生產(chǎn)。

PKE系統(tǒng)挑戰(zhàn)

隨著設(shè)計工程師獲得更多的系統(tǒng)經(jīng)驗,他們?nèi)找婷媾R如下挑戰(zhàn)：如何既可靠地設(shè)計PKE應(yīng)答器功能使其成為傳統(tǒng)PKE應(yīng)答器的一種高性價比替代選項,同時又確保它能達到特定的系統(tǒng)目標(biāo)。表1列出了系統(tǒng)設(shè)計工程師所面臨的一些主要關(guān)注點及解決方案。盡管PKE應(yīng)答器看起來似乎需要用復(fù)雜及昂貴的電路才能實現(xiàn),但設(shè)計工程師所面臨的挑戰(zhàn)已通過使用一些相對簡單、圍繞一個智能PIC型微控制器(PIC16F639),并包含所有必要功能以滿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(tǒng)。它還擁有用于可選操作的按鈕,但主要操作無需任何人工干預(yù)即可完成。PKE應(yīng)用的雙向通信順序如下：基站用125 KHz頻率發(fā)送命令;應(yīng)答器用3付正交LC諧振天線接收125 KHz基站命令;如果命令有效,則應(yīng)答器通過一個UHF發(fā)射機發(fā)出響應(yīng)(加密數(shù)據(jù));如果數(shù)據(jù)正確,則基站接收響應(yīng)并啟動開關(guān)。

圖1：采用雙向通信的智能無源無鑰匙門控(PKE)系統(tǒng)

設(shè)計工程師所面臨的一個挑戰(zhàn)是系統(tǒng)性能增強的高性價比實現(xiàn),這些增強包括：通信距離、天線方向性、小封裝尺寸、加密安全及門鎖“開/關(guān)”條件下的低功耗等。實現(xiàn)一種能可靠接收125 kHz信號作用距離內(nèi)的基站命令,并保持長電池工作時間的應(yīng)答器設(shè)計,可滿足關(guān)鍵的系統(tǒng)增強要求。

雙向通信距離的輸入靈敏度要求

在電池供電應(yīng)答器應(yīng)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(yīng)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信號會隨距離增加而快速衰減。例如,假設(shè)基站輸出300 Vpp左右的天線輸出電壓,則由大約3米距離上的應(yīng)答器的線圈天線所感應(yīng)的電壓大約僅為3 mVpp,與應(yīng)用環(huán)境的噪聲電平相當(dāng)。因此,如何有效地檢測弱信號是系統(tǒng)設(shè)計工程師所面臨的一個主要問題。

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(yīng)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(guī)定的限制,因此,假設(shè)基站發(fā)射的最大功率處于允許范圍內(nèi),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(yīng)答器輸入靈敏度須達到3 mVpp左右。

天線方向性問題的解決方案

由天線單元輻射的任何無線電信號都會在一定的方向角內(nèi)傳播,且當(dāng)使用性能更好的天線時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(yīng)答器設(shè)計條件下,低頻信號的通信距離(或感應(yīng)電壓)取決于基站天線與應(yīng)答器天線的耦合程度。當(dāng)兩付天線面對面相對時,其耦合最佳。

對于免手持PKE應(yīng)用,應(yīng)答器放在您口袋中的方向可以是任意的。因此,應(yīng)答器天線面向固定基站天線方向的機會最高只有30%左右(x、y、z方向)。但如果應(yīng)答器具有3付正交天線,則機會可增加至接近100%。天線分別放在x、y和z方向上。通過利用三個正交放置的天線,應(yīng)答器可以獲得在任何給定方向上的基站信號。