射頻解決方案在汽車電子中的應(yīng)用

本文主要探討各種可用的無線網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)和必須在應(yīng)用過程中解決的局限性，旨在為設(shè)計(jì)師提供一些選擇工業(yè)應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)所需的實(shí)用信息。用于汽車車門的上鎖和解鎖的RKE系統(tǒng)就是簡單命令和控制應(yīng)用的一個(gè)典型例子。在RKE應(yīng)用中，命令從遙控鑰匙發(fā)送到汽車接收器上。車門會上鎖和解鎖，以回應(yīng)正確收到的命令。

就理論而言，相似車型的接收器也可接受從任何相似型號的遙控鑰匙中發(fā)送的封包，但車輛僅會接受從唯一匹配的遙控鑰匙所發(fā)出的命令。通常會使用滾動碼產(chǎn)生器和安全加密等協(xié)定，從遙控鑰匙將唯一識別碼傳輸?shù)狡嚿?。如此一來，您的遙控鑰匙便無法對您的朋友的類似車款解鎖，反之亦然，這樣可確保安全性。以汽車RKE為例，遙控鑰匙操作員通常能聽到上鎖的聲音。如果沒有聽到這種“上鎖”聲，操作員只需再按一次該按鈕。透過這種方式，人機(jī)互動就完成了RKE例子中的回饋回路。如果您沒有聽到車門解鎖的聲音，只需重新按下按鈕，直至聽到為止。

圖1.RKE應(yīng)用

許多任務(wù)業(yè)應(yīng)用都需要傳輸命令和控制類型的數(shù)據(jù)。例如，將感應(yīng)器的溫度指示發(fā)送到主機(jī)。工業(yè)應(yīng)用和RKE的差異在于，前者無需人來確認(rèn)是否實(shí)際收到溫度指示。確認(rèn)數(shù)據(jù)是否收到的前提條件是必須存在雙向網(wǎng)絡(luò)。隨著參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)尿?qū)動器、交換機(jī)和電機(jī)的需求量增多，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也會立即增加。因此，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常不會使用簡單的單向RKE網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樾枰_認(rèn)已發(fā)送的數(shù)據(jù)是否真正送達(dá)。基本上，工業(yè)無線解決方案的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)微控制器。這種微控制器會與溫度感應(yīng)器和驅(qū)動器之類的實(shí)體設(shè)備連接，以對這些設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭?。同時(shí)，這種微控制器還需負(fù)責(zé)管理射頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)定。該協(xié)定的選擇取決于多種因素。傳輸范圍、數(shù)據(jù)速率、功耗和網(wǎng)絡(luò)協(xié)定堆疊的復(fù)雜性等都是判斷哪種解決方案的效果最佳的因素。

ZigBee最近受到了大量關(guān)注。做為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，ZigBee或802.15.4在剛開始時(shí)對許多低功率、低數(shù)據(jù)速率的無線通信應(yīng)用而言是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。但是，它真的適合所有應(yīng)用嗎?答案當(dāng)然不是。在某些情況下，對于高數(shù)據(jù)速率的通信而言，802.11 WLAN才是天衣無縫的搭配。類似地，有些應(yīng)用需要的是更遠(yuǎn)的傳輸范圍和更長的電池壽命。簡言之，特定的架構(gòu)原因決定了特定應(yīng)用所需的無線網(wǎng)絡(luò)類型。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)速率的提升也會帶動系統(tǒng)資源相應(yīng)增加。以802.11 WLAN為例，部署網(wǎng)絡(luò)所需的功耗和代碼長度決定了這些協(xié)議不適合大部分嵌入式應(yīng)用。一個(gè)典型的802.11 WLAN節(jié)點(diǎn)需要1MB的程序記憶體和功能更強(qiáng)大的處理器才能部署單一功能節(jié)點(diǎn)。

圖2.不同射頻網(wǎng)絡(luò)所需的系統(tǒng)資源

藍(lán)牙是另一種經(jīng)常在工業(yè)應(yīng)用中被提及的選擇。但藍(lán)牙的傳輸范圍(短)和代碼需求(稍大)及其本身為點(diǎn)到點(diǎn)通信方案等事實(shí)，使其被排除在工業(yè)射頻應(yīng)用的選擇范圍外。那專用網(wǎng)絡(luò)呢?專用網(wǎng)絡(luò)是指獨(dú)立于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作的網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)的頻帶通常為915MHz ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))和2.4GHz。在命令和控制類型的應(yīng)用中，有時(shí)也會使用315MHz或433MHz的頻帶。當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)要求通常會規(guī)定可以使用的頻率類型。

做為以空氣傳輸?shù)纳漕l信號，其功率的降低速度與傳輸距離成反比，與頻率成正比。除了在自由空間的路徑損耗外，信號在傳輸過程中還會受到建筑物、植物和其他物體的阻擋而進(jìn)一步衰減。其他因素(例如，多重路徑和信號散射等)也會影響接收器對所接收的射頻信號的解碼效果。其他路徑損耗模型(例如，Hata模型)還需考慮天線的離地距離和市區(qū)影響的損耗，這些模型是路徑損耗更為真實(shí)的顯示。在多數(shù)應(yīng)用中，實(shí)際的路徑損耗值比圖3所示的數(shù)據(jù)高得多。有趣的是，如果頻率增加，路徑損耗也會增加。這就是為什么 2.4GHz系統(tǒng)的傳輸范圍要比同等的915MHz或433MHz系統(tǒng)更小的原因之一。

射頻工程中常用的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是：鏈路預(yù)算每增加6dB，傳輸距離將增加約一倍。只要謹(jǐn)記此法則，即可容易能算出 915MHz系統(tǒng)的傳輸距離同等于2.4GHz系統(tǒng)的兩倍以上。同理，433MHz系統(tǒng)的傳輸距離也是915MHz系統(tǒng)的兩倍。因此，頻率較低的系統(tǒng)可進(jìn)行更長距離的數(shù)據(jù)傳輸。在為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)選擇頻率和調(diào)變類型時(shí)，數(shù)據(jù)速率也是一大關(guān)鍵要素。如前所述，以低功率運(yùn)作小型軟體堆疊的專用網(wǎng)絡(luò)是遠(yuǎn)端溫度監(jiān)控和驅(qū)動等應(yīng)用的最佳選擇。設(shè)計(jì)師可依預(yù)期應(yīng)用自訂封包，借此大幅簡化這些網(wǎng)絡(luò)。