遙控車門開關(guān)系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方案分析

前言

　　汽車防盜、報(bào)警功能以及門禁控制將成為汽車安全控制系統(tǒng)必備的功能之一。通過對Maxim公司的發(fā)射器MAXl472、接收器MAXl473以及微控制器芯片DS80C323等器件的應(yīng)用,得出一套較為完整的遙控車門開關(guān)系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在低功耗、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優(yōu)勢,可使RKE系統(tǒng)有效控制范圍擴(kuò)大一倍。

　　RKE系統(tǒng)對于提高汽車的防盜性、控制性有重要意義。大多數(shù)RKE系統(tǒng)具有汽車防盜、報(bào)警功能以及用于汽車、行李箱的門禁控制,其中一些系統(tǒng)還包括遙控啟動汽車和汽車尋找的功能。新一代RKE有望采用雙向通信,安裝在汽車內(nèi)遙控車門開關(guān)PKE(Remote Keyless Entry)方案對于汽車的配置來說,已經(jīng)作為一種標(biāo)準(zhǔn)配置,成為汽車不可或缺的部分。RKE系統(tǒng)對于提高汽車的防盜性、控制性有重要意義。大多數(shù)RKE系統(tǒng)具有汽車防盜、報(bào)警功能以及用于汽車、行李箱的門禁控制,其中一些系統(tǒng)還包括遙控啟動汽車和汽車尋找的功能。新一代RKE有望采用雙向通信,安裝在汽車內(nèi)的接收裝置會發(fā)送數(shù)據(jù),為司機(jī)提供油量和輪胎壓力等信息。

　　RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最大挑戰(zhàn)是在RKE發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)低功耗,同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信與高可靠性;特別作為一種開關(guān)門禁系統(tǒng),有關(guān)安全性方面的問題也是至關(guān)重要的。本設(shè)計(jì)提出一種高安全性RKE系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案,詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件原理電路、軟件流程設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)編碼解碼的原理。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1 RKE系統(tǒng)的工作原理

　　RKE系統(tǒng)由類似鑰匙扣的發(fā)射機(jī)和安裝在車內(nèi)的接收機(jī)構(gòu)成。通常工作在315～450 MHz的IsM頻段。在歐洲開放了868 MHz頻段,以滿足遙控車門開關(guān)系統(tǒng)日益增長的需求。

　　圖l為RKE系統(tǒng)的簡單框圖。由框圖可以看出,用戶按下鑰匙扣上的按鈕開關(guān)即可觸發(fā)系統(tǒng)工作,喚醒RKE鑰匙扣內(nèi)部的CPU,CPU則發(fā)送數(shù)據(jù)流到射頻(RF)發(fā)射機(jī)。數(shù)據(jù)流通常是64～128位長,包括1個前置位、1個命令碼和1個滾動碼,采用2～20 kHz的發(fā)送速率。在車內(nèi)的RKE射頻接收機(jī)捕捉射頻信號并解調(diào),傳送數(shù)據(jù)流給cPu,由cPu對數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼并發(fā)送指令到指令模塊。調(diào)制方式為幅度鍵控(AsK),主要目的是延長鑰匙扣的電池壽命。

　　1.2 RKE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

　　RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在低電流消耗下實(shí)現(xiàn)具有穩(wěn)定性、可靠性和保密性的低成本系統(tǒng)。因此系統(tǒng)對功耗、收發(fā)距離、可靠性和保密性的設(shè)計(jì)要求是至關(guān)重要的。

　　(1)功耗管理

　　對于發(fā)射機(jī),電池需要3～5年的壽命;對于接收機(jī),電池壽命同樣重要。因?yàn)榻邮諜C(jī)必須始終保持工作狀態(tài),監(jiān)聽用戶數(shù)據(jù)的傳輸。典型指標(biāo)要求,平均電流不超過1 mA。解決這個問題的方法之一就是,讓接收機(jī)在一段重要時(shí)間內(nèi)保持工作狀態(tài),保證這段時(shí)問足夠長以判定是否存在合法的傳輸;而接收機(jī)在剩余的時(shí)間里休眠,同時(shí)接收機(jī)必須具有快速喚醒的能力,以最大化利用已存儲的能量。

　　(2)收發(fā)距離與可靠性

　　RKE應(yīng)用需要好的收發(fā)距離和可靠的傳輸。提高接收機(jī)的靈敏度和發(fā)射機(jī)的功率(電流消耗沒有顯著增加)直接影響到收發(fā)距離與可靠性。顯而易見,低成本是一個要求,因?yàn)樾枰惭b百萬個這樣的系統(tǒng)。

　　(3)安全性

　　RKE系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)應(yīng)該具有保密性,不易被他人竊取。早期使用固定密碼方式,容易被破解;近來的RKE系統(tǒng)逐漸采用具有跳變編碼功能的集成電路實(shí)現(xiàn),大大提高了安全性。

2　 硬件電路設(shè)計(jì)

　　RKE系統(tǒng)是由鑰匙扣發(fā)射模塊和車內(nèi)接收模塊組成的。

2.1鑰匙扣發(fā)射模塊

　　鑰匙扣發(fā)射模塊由按鈕開關(guān)、CPU、射頻發(fā)射器和鈕扣電池組成,電路原理如圖2所示。模塊采用3 V的鈕扣電池供電。表1為50 Ω輸出時(shí),不同頻率下元件參數(shù)值,其數(shù)值受PCB布局的影響。

　　(1)按鈕掃描

　　發(fā)射模塊接入3個按鈕,分別作為上鎖、解鎖、尋車功能,分別與微控制器DS80C323的3個外部中斷INTO、INTl和INT3相接。按下任一按鈕是將DS80C323喚醒,并進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序中。處理完畢后,重新進(jìn)入待機(jī)模式。3個LED分別顯示3個按鈕的狀態(tài)。有按鈕按下時(shí),相應(yīng)的LED會被點(diǎn)亮。

　　(2)微控制器DSSOC323

　　DS80C323是Maxim公司出品的一款低功耗快速單片機(jī),其在外部電路的接法以及操作指令方面完全兼容80C51系列。DS80C323具有6個外部中斷,并具有電源故障管理功能,工作電壓范圍為2.7～5.5 V。

　　DS80C323的功能是利用其外部中斷對按鈕進(jìn)行掃描,并將掃描的結(jié)果加密編碼,通過P1.O送給發(fā)射器的數(shù)據(jù)端DATA。DS80C323的P1.1控制發(fā)射器的喚醒。

      (3)射頻發(fā)射器MAX1472

　　MAXl472是VHF/UHF基于鎖相環(huán)的ASK/00K發(fā)射器,工作在300～450 MHz頻段,支持高達(dá)100 kbps的數(shù)據(jù)速率。當(dāng)工作電壓降至2.1 V時(shí)脫離單節(jié)鋰電池工作,在待機(jī)模式僅消耗100 nA的電流;匹配于50Ω系統(tǒng)時(shí),MAXl472的功率放大器能夠提供+10 dBm的輸出電平,并保持高于43%的效率。MAXl472發(fā)射機(jī)特別適合于低成本、高容量、體積是關(guān)鍵因素的應(yīng)用。

　　一旦MAXl472的使能引腳電平有效,MAXl472僅需250μs便可使PLL和晶振穩(wěn)定工作并發(fā)射數(shù)據(jù)。MAX1472使用基于晶體的PLL,避免了許多基于LC濾波或者SAW發(fā)送器的常見問題。內(nèi)部固有的晶體頻率精度需要更窄的接收機(jī)中頻帶寬,以改善系統(tǒng)靈敏度。使用MAXl473,可將中頻帶寬從600kHz減至50 kHz,獲得9 dB的靈敏度改善。靈敏度的改善意味著RKE系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更長距離傳輸和更高的傳輸可靠性。

　　2.2車內(nèi)接收模塊

車內(nèi)接收模塊由射頻接收器、微控制器和汽車指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。射頻接收器將接收到的00K調(diào)制數(shù)據(jù)解調(diào)為原始數(shù)據(jù);微控制器將原始數(shù)據(jù)解碼去密得到有效的指令信息,并送給指令執(zhí)行機(jī)構(gòu),由指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動作。

　　考慮到車內(nèi)接收模塊要始終處于工作狀態(tài),微控制器仍使用快速低功耗的DS80C323,并由DS80C323控制接收器處于工作/休眠交替的間歇休眠狀態(tài)。

　　對于射頻接收器,使用與發(fā)射器MAXl472配對的MAXl473。MAXl473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差A(yù)SK接收器,工作在300～450 MHz頻段,具有一114 dBm的高靈敏度、高于50 dB的鏡像載波抑制。這款芯片在關(guān)斷模式下電流消耗低于1.5μA,在接收模式電流消耗為5.2 mA。MAXl473可接收最高達(dá)100 kbps的數(shù)據(jù)速率,從關(guān)斷模式到有效數(shù)據(jù)輸出的過渡時(shí)間小于250 μs。MAXl473包含一個一級自動增益控制(AGC)電路,在射頻輸入信號電平大于一57dBrm時(shí),可降低低噪聲放大器(LNA)35dB的增益。接收器使用帶有接收信號強(qiáng)度指示(RSSD的10.7 MHz中頻濾波器,帶有集成壓控振蕩器VCD的片上鎖相環(huán)(PLL)以及基帶數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。MAXl473僅需很少的外圍元件即可構(gòu)成RKE系統(tǒng)接收模塊的射頻前端,如圖3所示。

3　系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

　　發(fā)射端軟件流程如圖4所示?！?/p>

按所處理任務(wù)的不同,接收模塊分為三種工作狀態(tài)：喚醒與休眠交替的監(jiān)聽狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)和處理接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。接收系統(tǒng)應(yīng)始終處在間歇休眠的狀態(tài),以監(jiān)聽外來的信息。當(dāng)收到有效的通信命令后,觸發(fā)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收完畢后,對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理,并有執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的操作,而接收系統(tǒng)則重新進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。

4　 系統(tǒng)編碼解碼設(shè)計(jì)

　　總體上講,一個單向RKE系統(tǒng)由一個控制端(鑰匙扣發(fā)射模塊)與一個執(zhí)行端(車內(nèi)接收模塊)組成。其中控制端將控制信息經(jīng)過編碼、調(diào)制后發(fā)射,執(zhí)行端則接收、解調(diào)、解碼并根據(jù)控制信息執(zhí)行相應(yīng)的操作。單向RKE系統(tǒng)的安全關(guān)鍵在于編碼。早期使用固定密碼方式容易受到“無線偵聽”,易被破解。這里使用跳變密碼技術(shù),可有效地避免“無線偵聽”,提高安全性。以下介紹系統(tǒng)編解碼設(shè)計(jì)原理。

　　系統(tǒng)通過微控制器DSC80C323軟件編程實(shí)現(xiàn)編解碼過程。

　　編碼過程如圖6(a)所示。編碼器檢測到按鍵輸入,把系統(tǒng)從省電狀態(tài)中喚醒,同步計(jì)數(shù)加l,與序列號一起經(jīng)密匙加密后形成密文數(shù)據(jù),并同鍵值等數(shù)據(jù)發(fā)送出去。由于同步計(jì)數(shù)值每次發(fā)送都不同,即使是同一按鍵多次按下也不例外。同步計(jì)數(shù)自動向前滾動,發(fā)送的碼字不會再發(fā)生。滾動范圍為216個記數(shù)值。傳送過程中有新的鍵按下,則終止當(dāng)前發(fā)送并開始新的傳送;否則,不管是不是按鍵已經(jīng)松開,完成發(fā)送并進(jìn)入休眠狀態(tài)。

　　解碼過程如圖6(b)所示。解碼電路接收到數(shù)據(jù)包后,將鍵值與密文分開,并將密文用密匙解密后還原為序列號和同步計(jì)數(shù)值,并在核對序列號及同步計(jì)數(shù)值后依照鍵值驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

結(jié)語

      汽車防盜、報(bào)警功能以及門禁控制將成為汽車安全控制系統(tǒng)必備的功能之一。通過對Maxim公司的發(fā)射器Max1472 、接收器Max1473以及微控制器芯片DS80C323等器件的應(yīng)用，得出一套完整的遙控車門開關(guān)系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在低耗、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優(yōu)勢，可使RKE系統(tǒng)有效控制范圍擴(kuò)大一倍。目前，我們正在這方面繼續(xù)努力，爭取開拓更加廣闊的應(yīng)用空間。