汽車無線接入系統(tǒng)中解決成本、功耗、安全性的技術(shù)方法

全球汽車半導(dǎo)體面臨極大的市場機(jī)會,但設(shè)計(jì)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(jì)工程師介紹了在汽車無線接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fèi)(收費(fèi))與藍(lán)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(jià)比技術(shù)可用性的限制。除縮短上市時(shí)間與增加功能的傳統(tǒng)壓力外,設(shè)計(jì)工程師還面臨經(jīng)濟(jì)高效的性能增強(qiáng)、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(diǎn)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(dòng)通信。這種低成本、雙向通信應(yīng)答器可設(shè)計(jì)成采用兩個(gè)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(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125 kHz頻率發(fā)送命令,同時(shí)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(jìn)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(jì)工程師獲得更多的系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn),他們?nèi)找婷媾R如下挑戰(zhàn)：如何既可靠地設(shè)計(jì)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(jià)比替代選項(xiàng),同時(shí)又確保它能達(dá)到特定的系統(tǒng)目標(biāo)。表1列出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所面臨的一些主要關(guān)注點(diǎn)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(shí)現(xiàn),但設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)UHF發(fā)射機(jī)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(dòng)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(jì)工程師所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是系統(tǒng)性能增強(qiáng)的高性價(jià)比實(shí)現(xiàn),這些增強(qiáng)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(shí)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(shí)間的應(yīng)答器設(shè)計(jì),可滿足關(guān)鍵的系統(tǒng)增強(qiáng)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(dá)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(jì)工程師所面臨的一個(gè)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(jī)的發(fā)射功率;(b) 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(dá)到3米的雙向通信距離,應(yīng)答器輸入靈敏度須達(dá)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(shí)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(jì)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(shí),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(jī)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(jī)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(gè)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。

圖2：具有無線安全接入的各種應(yīng)用。

喚醒濾波器節(jié)省電池能量

喚醒濾波器可有效地控制微控制器PIC16F639的工作以節(jié)省電池能量。此外,微控制器還必須在非活動(dòng)模式期間以最少的電路工作。應(yīng)答器中的PIC16F639芯片含有低頻前端與數(shù)字電路,低頻前端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)省電池消耗,且只有在收到一條有效基站命令時(shí)才被喚醒(或激活)。這可通過在低頻前端部分中使用一個(gè)特殊喚醒濾波器來實(shí)現(xiàn)。此外,低頻檢測電路還可編程為僅在輸入信號帶有預(yù)定數(shù)據(jù)包頭才有輸出。

喚醒濾波器用來防止數(shù)字部分被噪聲或非期望的輸入信號喚醒。因此,可有效節(jié)省工作電流及電池能量。

功率管理

除利用特殊濾波器來節(jié)省電池能量外,PIC16F639還具有專利的納瓦(nanoWatt)技術(shù),可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供對片上外設(shè)的更大的控制,包括可以通過幾種軟件可選速度選項(xiàng)來將頻率降至32 KHz的8 MHz內(nèi)部振蕩器。極低睡眠電流消耗以及快速啟動(dòng)的內(nèi)部振蕩器,可支持低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。周期性喚醒機(jī)制包括低功率實(shí)時(shí)時(shí)鐘工作、超低功率喚醒特性與擴(kuò)展低功率看門狗定時(shí)器。以這些廣泛的功率管理特性,設(shè)計(jì)工程師可在應(yīng)用軟件中實(shí)施功率節(jié)省概念,并以更低的系統(tǒng)成本來獲得對整體系統(tǒng)功耗的更緊密控制。

加密支持

專利的KEELOQ加密技術(shù)這一全球標(biāo)準(zhǔn)提供了一種用于認(rèn)證、無鑰匙門控及其他遠(yuǎn)程接入控制系統(tǒng)的高性價(jià)比解決方案,如圖2所示。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)編碼器件激活時(shí)代碼會自動(dòng)改變并安全發(fā)送。以基于編/解碼器對的實(shí)現(xiàn),編碼器位于遠(yuǎn)端并發(fā)送一個(gè)滾動(dòng)碼ID#與計(jì)數(shù)器值;解碼器則位于接收器中,并對遠(yuǎn)端編碼器所發(fā)送的消息進(jìn)行解碼。它存儲其偵聽到的遠(yuǎn)端設(shè)備識別號與計(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)的高度安全算法。

本文結(jié)論

未來汽車中無線安全接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師可能會遇到各種不同挑戰(zhàn),像PIC系列這種微控制器可為車輛中的無線系統(tǒng)提供一種成熟、可靠的構(gòu)建模塊。采用集成系統(tǒng)級芯片解決方案的低成本雙向通信應(yīng)答器實(shí)現(xiàn),即是一個(gè)可為駕駛員提供增強(qiáng)安全與保密性的無線系統(tǒng)的較好例子。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)射機(jī)以加密數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)。可裝在駕駛員口袋中的小型PKE應(yīng)答器,可自動(dòng)開關(guān)車門而無需任何干預(yù)。對于停車場入口應(yīng)用,駕駛員不用停車即可直接開進(jìn)停車場,因?yàn)橄到y(tǒng)會自動(dòng)識別3米左右有效使用距離內(nèi)的PKE應(yīng)答器。

無線安全接入系統(tǒng)可滿足一些駕車者對安全與保密性不斷提高的要求。除消費(fèi)者外,政府管理部門與汽車制造商本身也在推出(或計(jì)劃推出)相應(yīng)的計(jì)劃來提高汽車中的安全與保密性創(chuàng)新。安全與保密性計(jì)劃的下一步將是單個(gè)子系統(tǒng)的集成,以通過增強(qiáng)無線安全接入系統(tǒng)來提高汽車制造商的競爭優(yōu)勢。