PKE智能鑰匙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的無(wú)線門禁系統(tǒng)已無(wú)法滿足廣大用戶的需求。免持式被動(dòng)無(wú)鑰匙門禁系統(tǒng)PKE（Passive Keyless Entry）正迅速成為汽車遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙門禁應(yīng)用的主流，并成為新型汽車的普遍選擇。在汽車裝配有PKE智能鑰匙系統(tǒng)的情況下，車主只要靠近車輛或者碰一下車門，車門就能自動(dòng)打開[1]。PKE智能鑰匙系統(tǒng)是汽車智能化、信息化、電子化的體現(xiàn)，提高了整車的安全性、可靠性、舒適性，具有極佳的市場(chǎng)前景和巨大的潛在效益。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 PKE系統(tǒng)的工作原理
PKE智能鑰匙系統(tǒng)分為基站（車身）和應(yīng)答器（鑰匙）兩部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。這兩部分之間采取雙向通信。該系統(tǒng)有兩種工作方式：第一種是車輛中的基站單元不停地發(fā)送一條編碼為125 kHz的低頻報(bào)文以搜尋并喚醒一定范圍內(nèi)的應(yīng)答器。該信號(hào)范圍內(nèi)的所有應(yīng)答器都能夠接收到該報(bào)文，并對(duì)編碼的數(shù)據(jù)字段進(jìn)行驗(yàn)證。一旦車主身上的應(yīng)答器識(shí)別成功，它就會(huì)自動(dòng)發(fā)送一條頻率為433.92 MHz的射頻Keeloq編碼報(bào)文，基站單元在收到該報(bào)文后對(duì)其進(jìn)行解碼，如果識(shí)別成功，將控制指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開車門。第二種工作方式中基站單元為了降低電流消耗并不會(huì)輪詢應(yīng)答器?；締卧话闾幱谛菝郀顟B(tài)或掉電狀態(tài)，只有當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)才能將其喚醒，該觸發(fā)事件一般是汽車門把手上的紅外信號(hào)或者是由汽車門把手裝置激活的微動(dòng)開關(guān)。在第二種工作方式下車主必須碰一下車門才能觸發(fā)系統(tǒng)，從而打開車門。

1.2 應(yīng)答器（鑰匙）模塊設(shè)計(jì)
應(yīng)答器模塊由微控制器、高頻發(fā)射電路、低頻接收電路和開關(guān)按鈕組成，其電路圖如圖2所示。由于應(yīng)答器模塊是車主隨身攜帶的，所以該模塊必須以體積小、功耗低為設(shè)計(jì)原則，同時(shí)必須具備一定的安全性。根據(jù)以上特性，微控制器選擇微芯公司的PIC16F639。該芯片采用SSOP封裝，體積小，內(nèi)置一個(gè)Keeloq加密模塊和一個(gè)3通道模擬前端，可用于多種低頻檢測(cè)和雙向智能通信。

應(yīng)答器模塊采用3 V紐扣電池供電，采用內(nèi)部4 MHz時(shí)鐘。在沒有低頻激勵(lì)的情況下，應(yīng)答器模塊以標(biāo)準(zhǔn)RKE（Remote Key Entry）模式工作，當(dāng)接收到有效的低頻激勵(lì)報(bào)文時(shí)，微控制器將如同按下一個(gè)虛擬按鍵一樣做出響應(yīng)。4個(gè)按鍵（S1~S4）分別接到微控制器的PORT A口，通過電平的變化喚醒休眠中的PIC16F639，并觸發(fā)中斷，完成相應(yīng)的上鎖、解鎖、報(bào)警等功能。當(dāng)中斷程序完成以后，PIC16F639將重新進(jìn)入休眠模式。二極管D1用來指示高頻信號(hào)的發(fā)射，高頻信號(hào)由引腳RC5發(fā)出的PWM經(jīng)過聲表面波諧振器產(chǎn)生[2]。
應(yīng)答器對(duì)基站發(fā)送過來的低頻喚醒信號(hào)通過PIC16F639的3通道模擬前端實(shí)現(xiàn)。PIC16F639具有高達(dá)3 mVpp的模擬輸入靈敏度的3個(gè)天線連接引腳(LCX、LCY、LCZ)。通過連接3個(gè)分別指向x軸、y軸、z軸的天線，應(yīng)答器可以隨時(shí)接收來自任何方向的信號(hào)，從而降低由天線的方向性而造成信號(hào)丟失的可能性。在此系統(tǒng)中，3個(gè)方向天線采用PREMO公司專門為PIC16F639設(shè)計(jì)的集成天線模塊，該天線模塊體積小、精度高，電感值在出廠時(shí)已經(jīng)配置好，只需要配合對(duì)應(yīng)通道的電容便可使用。對(duì)于免持式操作，由于應(yīng)答器持續(xù)等待并檢測(cè)輸入信號(hào)，產(chǎn)生電池預(yù)期壽命的問題。為了減小工作電流，可以對(duì)模擬前端內(nèi)置的輸出使能濾波器進(jìn)行配置，設(shè)定報(bào)頭匹配序列。當(dāng)模擬前端搜尋信號(hào)時(shí)，數(shù)字MCU部分可以進(jìn)入休眠模式，只有在低頻輸入信號(hào)的報(bào)頭序列波形與濾波器所設(shè)定的吻合時(shí)，才能喚醒數(shù)字MCU。即當(dāng)有效低頻信號(hào)通過內(nèi)部電路解調(diào)并在PORT C口RC3引腳上輸出LFDATA數(shù)字信號(hào)時(shí)，利用與RC3相連的PORT A口RA2引腳觸發(fā)中斷，才能喚醒休眠中的數(shù)字MCU。PIC16F639通過內(nèi)部SPI配置模擬前端。
應(yīng)答器模塊的高頻發(fā)射電路如圖3所示。聲表面波諧振器SAW與功率放大器Q1構(gòu)成了一個(gè)開關(guān)鍵控高頻發(fā)射器。L1作為高頻發(fā)射器的天線，一般通過PCB上的金屬走線形成。系統(tǒng)需要發(fā)送的各種信息經(jīng)過Keeloq加密并PWM編碼后由RC5引腳輸出，當(dāng)輸出為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路工作；當(dāng)輸出為低電平時(shí)，發(fā)射電路截止。