從PKE應(yīng)答器入手，分析汽車無線安全應(yīng)用設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

消費(fèi)者對(duì)安防與安全的需求推動(dòng)著汽車電子市場(chǎng)的迅速擴(kuò)張。與此同時(shí)，汽車制造商面臨著必須實(shí)現(xiàn)具有成本效益、以性能為導(dǎo)向的電子控制模塊的挑戰(zhàn)。在汽車制造商的產(chǎn)品細(xì)分目標(biāo)與消費(fèi)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?zé)o鑰門控(RKE)應(yīng)用，到新興的無源無鑰門控(PKE)、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)、電子收費(fèi)和藍(lán)牙免提系統(tǒng)等應(yīng)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(jià)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(yīng)用受到了局限。

除了加快上市進(jìn)程和增加功能性等常見壓力外，設(shè)計(jì)人員還面臨其它許多挑戰(zhàn)，如具備成本效益的性能增強(qiáng)、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(dāng)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(gè)可接收和發(fā)射數(shù)據(jù)的智能應(yīng)答器(smart transponder)。在這種雙向通信系統(tǒng)中，基站與應(yīng)答器能夠自動(dòng)通信，無需人工干預(yù)。這種低成本的雙向通信應(yīng)答器可設(shè)計(jì)成采用兩個(gè)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(hào)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(yīng)答器仍然具備能夠執(zhí)行可選操作的按鈕，故當(dāng)按下發(fā)射按鈕時(shí)，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125kHz頻率發(fā)射命令，同時(shí)搜索區(qū)域內(nèi)的有效應(yīng)答器以UHF頻率發(fā)回的任何響應(yīng)。智能應(yīng)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(yīng)答器以UHF頻率發(fā)射響應(yīng)。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(jìn)行雙向通信。可利用包含有數(shù)字與低頻模擬前端的集成系統(tǒng)級(jí)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(shè)計(jì)人員積累越來越多的系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，他們又面臨著如下挑戰(zhàn)：如何使PKE應(yīng)答器足夠可靠，從而成為常規(guī)RKE應(yīng)答器的一種具務(wù)成本效益的替代方案，同時(shí)又確保它能達(dá)到特定的系統(tǒng)目標(biāo)？盡管PKE應(yīng)答器看起來似乎需要采用復(fù)雜及昂貴的電路才能實(shí)現(xiàn)，但通過使用一些相對(duì)簡單的低成本電路，設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)干預(yù)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(yīng)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(yīng)答器通過一個(gè)UHF發(fā)射機(jī)發(fā)射響應(yīng)(加密數(shù)據(jù))；若數(shù)據(jù)正確，則基站接收響應(yīng)，并啟動(dòng)開關(guān)。

設(shè)計(jì)人員所面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)，是如何以具備成本效益的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能增強(qiáng)？要實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)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(shí)間，可滿足關(guān)鍵的系統(tǒng)性能增強(qiáng)要求。

在電池供電的應(yīng)答器應(yīng)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(dá)到幾米。因此，雙頻PKE應(yīng)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(hào)的非傳播特性，125kHz信號(hào)會(huì)隨距離增加而快速衰減。例如，假設(shè)基站輸出300Vpp左右的天線電壓，則由大約3米開外的應(yīng)答器的線圈天線所感應(yīng)的電壓僅為3mVpp左右，與應(yīng)用環(huán)境的噪聲級(jí)相當(dāng)。所以，如何有效地檢測(cè)弱信號(hào)，成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的一個(gè)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(jī)的發(fā)射功率；或提高應(yīng)答器的輸入靈敏度?；景l(fā)射機(jī)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(hào)檢測(cè)靈敏度，即上述第二種方法，是唯一有效的解決方案。為達(dá)到3米的雙向通信距離，應(yīng)答器輸入靈敏度必須達(dá)到3mVpp左右。

                                                                                                                                                                                                                                     圖：PKE系統(tǒng)的主要操作無需人工進(jìn)行
 
天線的方向性問題

由天線單元輻射的任何無線電信號(hào)都會(huì)沿某種方向角傳播，如果使用性能良好的天線，信號(hào)傳播的方向性更強(qiáng)(或輻射角更窄)。由LC諧振電路輻射的低頻(125kHz)信號(hào)雖不像高頻信號(hào)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(yīng)答器設(shè)計(jì)條件下，低頻信號(hào)的通信距離(或感應(yīng)電壓)取決于基站天線與應(yīng)答器天線的電感性耦合程度。當(dāng)兩副天線面對(duì)面相對(duì)時(shí)，其耦合度最佳。

對(duì)于免提PKE應(yīng)用，應(yīng)答器放在用戶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幾率最高只有30%左右(x、y、z方向)。但如果應(yīng)答器有三副正交天線，則這種幾率可增加至近100%，此時(shí)，應(yīng)答器可以捕獲在任何給定方向上的基站信號(hào)。

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(dòng)模式期間以最少的電路工作。應(yīng)答器中的PIC16F639芯片同時(shí)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(hào)，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(shí)才被喚醒。這可以通過在低頻前端部分中使用一個(gè)特殊的喚醒濾波器來實(shí)現(xiàn)。而且，低頻檢測(cè)電路還可編程，使得僅在輸入信號(hào)帶有預(yù)定義數(shù)據(jù)包頭時(shí)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(shè)計(jì)人員更好地控制片上外設(shè)，如可利用幾種軟件可選速度選項(xiàng)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(dòng)的內(nèi)部振蕩器，可支持低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其周期性喚醒機(jī)制包括低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘工作、超低功率喚醒與擴(kuò)展的低功率看門狗定時(shí)器。憑借這些廣泛的功率管理特性，設(shè)計(jì)人員能夠在應(yīng)用軟件中實(shí)現(xiàn)節(jié)能，并以更低的成本來獲得對(duì)整體系統(tǒng)功耗的更嚴(yán)格的控制。

為方便實(shí)現(xiàn)，并增強(qiáng)靈活性，同時(shí)保持小的占位面積，必需對(duì)MCU和模擬前端之間的集成度進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估。這里采用了一種“雙裸片單封裝”方案，可基于應(yīng)用要求，支持未來向不同MCU的轉(zhuǎn)換。兩個(gè)功能型裸片通過一個(gè)串行外設(shè)接口來進(jìn)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(gè)多達(dá)80個(gè)引腳的器件都有提供。不超過20個(gè)引腳的封裝形式是無線接入系統(tǒng)中空間受限應(yīng)用的理想選擇。較小外形尺寸、先進(jìn)的片上外設(shè)集成以及成本效益等多種優(yōu)勢(shì)的結(jié)合，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建性能更強(qiáng)大的系統(tǒng)，同時(shí)滿足無線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)。

專利的KEELOQ全球標(biāo)準(zhǔn)加密技術(shù)提供了一種用于認(rèn)證、無鑰門控及其它遠(yuǎn)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(yàn)證的跳碼編碼(code hopping encoding)方法，當(dāng)編碼器件被激活時(shí)，代碼改變并被安全發(fā)送。在基于一對(duì)編碼器和解碼器的實(shí)現(xiàn)方案中，編碼器位于遠(yuǎn)端，并發(fā)送一個(gè)滾動(dòng)碼ID編號(hào)與計(jì)數(shù)器值。解碼器則位于接收器中，對(duì)遠(yuǎn)端編碼器所發(fā)送的消息進(jìn)行解碼。它存儲(chǔ)其偵聽到的遠(yuǎn)端設(shè)備的識(shí)別編號(hào)與計(jì)數(shù)器值。解碼器只有在偵聽到遠(yuǎn)端設(shè)備時(shí)才允許訪問。

KEELOQ加密是一種通過復(fù)雜公式及32位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)的高度安全的算法。對(duì)于停車場(chǎng)入口應(yīng)用，駕駛員不用停車即可直接開進(jìn)停車場(chǎng)，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別3米左右有效使用范圍內(nèi)的PKE應(yīng)答器。

未來汽車無線安全接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)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(jí)芯片解決方案實(shí)現(xiàn)的低成本雙向通信應(yīng)答器，即是一個(gè)可為駕駛員提供增強(qiáng)安全保安性功能的無線系統(tǒng)的實(shí)例。無需任何人工干預(yù)，PKE應(yīng)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(jìn)行響應(yīng)。這種小型PKE應(yīng)答器可裝在駕駛員口袋中，能夠自動(dòng)開關(guān)車門，而無需任何人工介入。