汽車(chē)無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)的新型設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　1 引言

　　在如今的汽車(chē)行業(yè)，無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)已成為安全應(yīng)用解決方案的熱門(mén)話題。其安全解決方案能在消費(fèi)市場(chǎng)和汽車(chē)市場(chǎng)之間提供了一個(gè)協(xié)作的橋梁。但要給自己的老式、配件難尋的“傳統(tǒng)”車(chē)輛也裝上一套無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)該怎么辦呢？這也是消費(fèi)者所關(guān)心的熱門(mén)話題。為此本文將對(duì)汽車(chē)無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)的新型設(shè)計(jì)方案與應(yīng)用發(fā)展作分析介紹。

　　汽車(chē)安全應(yīng)用所使用的典型無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)-遙控鑰匙（RKE）系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)組成包括一個(gè)安裝在汽車(chē)上的控制器（或稱(chēng)接收器）和一個(gè)由用戶(hù)攜帶的收發(fā)器（或發(fā)射器），即無(wú)線遙控車(chē)門(mén)鑰匙。收發(fā)器一般包括一個(gè)微控制器、RF器件以及按鈕和LED等人機(jī)接口器件。微控制器可用DS89C440或PIC16F639，RF器件可用MAX7044或MAX1479或TRF6901。收發(fā)器通常關(guān)閉，只在按下按鈕或需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才工作。收發(fā)器用來(lái)向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，因此是單向通信。然而，這一情況正在改變。新型智能收發(fā)器即可發(fā)送數(shù)據(jù)，也可接收數(shù)據(jù)，因此是雙向通信。在雙向通信系統(tǒng)中，控制器（安裝在汽車(chē)上）和收發(fā)器（即車(chē)鑰匙）可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通信，不需要人機(jī)接口。

　　2 設(shè)計(jì)思想

　　從上述無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)組成可看出，系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思想是基于用微控制器構(gòu)建發(fā)射器（遙控鑰匙）與接收器。

　　眾所周知，MAXQ系列是采用低噪聲設(shè)計(jì)并為配合模擬電路工作而進(jìn)行了優(yōu)化的16位RISC微控制器，能夠與RF接收器器件整合到一起構(gòu)建模擬電路的最佳方案。

　　2.1 遙控鑰匙（發(fā)射器或收發(fā)器）與接收器（車(chē)上控制器）

　　遙控鑰匙可選用DS89C450-KIT和MAX7044或兩個(gè)評(píng)估板（EV KIT），即DS89C450-KIT和MAX7044EVKIT （EVht）構(gòu)成發(fā)射器?？梢园惭b在一個(gè)殼體內(nèi)，充電電池位于下方。如使用天線，發(fā)送距離超出標(biāo)準(zhǔn)鑰匙鏈幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　接收器（車(chē)上控制器）可由并排安裝在一起的MAXQ3212 16位微控制器和MAXl473接收器組成。其連線接到汽車(chē)的車(chē)體控制模塊（BCM）上。若是在作調(diào)試或演示，可使用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的MAXQ3212端口引腳以9600bps發(fā)送異步串行數(shù)據(jù)。

　　在此之所以采用MAXQ3212 16位微控制器，是因?yàn)镸AXQ系列是采用低噪聲設(shè)計(jì)并為配合模擬電路工作而進(jìn)行了優(yōu)化的16位RISC微控制器，除數(shù)字元件外還集成了高精密的模擬功能，因而應(yīng)用方案需要的芯片數(shù)更少，能夠與RF接收器器件MAXl473整合到一起構(gòu)建模擬電路的最佳方案，而且基本不會(huì)干擾RF信號(hào)。其優(yōu)異的功耗特性與強(qiáng)大的功能組合使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和構(gòu)建更加簡(jiǎn)單，可縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　而RF接收器器件MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK（振幅變換調(diào)制）射頻接收器平均靈敏度為-114dBm，正常工作僅消耗5.5mA（典型值）的電流。內(nèi)置鏡頻抑制，無(wú)需通常使用的前端SAW濾波器。睡眠模式時(shí)，MAXl473可在小于250ps的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并發(fā)送數(shù)據(jù)，保證了更深的睡眠周期和更長(zhǎng)的電池壽命。MAXl473可工作于3V至5V的電源電壓。該300MHz至450MHz發(fā)送器和接收器的最大優(yōu)點(diǎn)是能將RKE系統(tǒng)有效距離擴(kuò)大一倍，可理想應(yīng)用子電池供電設(shè)備，包括鑰匙，汽車(chē)報(bào)警和胎壓檢測(cè)。

　　2.2 關(guān)于模擬信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量

　　MAXl473接收器提供一個(gè)模擬接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSl），可對(duì)此信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。MAXQ3212內(nèi)置一個(gè)模擬比較器，以比較VREF和CMPI輸入，并可以在定時(shí)器輸出引腳上產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）。圖2示出了由比較器和PWM構(gòu)建ADC的方法。將RSSI信號(hào)送到MAXQ3212比較器的VREF引腳端。然后將定時(shí)器編程為PWM模式，如果對(duì)該P(yáng)WM進(jìn)行適當(dāng)濾波，就可產(chǎn)生DAC輸出到T2PB引腳端，并將輸出（即DAC）連接到比較器的另一個(gè)輸入CMPI引腳端。比較器隨后比較信號(hào)電平，如果信號(hào)匹配，可在沒(méi)有專(zhuān)用硬件ADC的情況下成功進(jìn)行了模數(shù)轉(zhuǎn)換。

　　軟件中沒(méi)有采用逐次逼近法，而是采用斜率ADC。從一個(gè)合理的最小值開(kāi)始，DAC輸出緩慢增加，直到比較器指示匹配狀態(tài)。

　　2.3 RF信號(hào)如何解碼

　　MAXl473接收器提供一路數(shù)字信號(hào)輸出（DATAOUT）。由于RF噪聲一直存在，無(wú)論鑰匙鏈實(shí)際上是否在發(fā)送數(shù)據(jù)，該引腳都將連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。為將該噪聲與信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，MAXQ微控制器必須采用一個(gè)小型軟件狀態(tài)機(jī)，測(cè)量上升沿和下降沿信號(hào)之間的時(shí)間，以識(shí)別前同步碼。

　　而測(cè)量邊沿間隔的最有效方法是使用中斷觸發(fā)技術(shù)。MAXQ可編程為上升沿或下降沿觸發(fā)中斷。將中斷設(shè)置為“上升沿”觸發(fā)，即開(kāi)始測(cè)量。一旦探測(cè)到上升沿，復(fù)位并重啟定時(shí)器，同時(shí)將中斷觸發(fā)邊沿設(shè)置為“下降”沿。到下降沿時(shí)，中斷處理程序讀取定時(shí)器的值。這可用一小段程序以示一個(gè)代碼段，該代碼段讀取和復(fù)位定時(shí)器，然后轉(zhuǎn)換中斷觸發(fā)信號(hào)的極性。如果邊沿間隔與8400bps數(shù)據(jù)率（加／減一個(gè)合理的容限）匹配，并檢測(cè)到協(xié)議所指定的同步脈沖數(shù)，則微控制器軟件狀態(tài)機(jī)切換到接收模式，開(kāi)始解析余下的數(shù)據(jù)包。

　　2.4 關(guān)于數(shù)據(jù)流--曼徹斯特編碼的使用

　　由于制造商、型號(hào)以及出廠時(shí)間的不同，圖1中所示的發(fā)射器（遙控鑰匙）數(shù)據(jù)流（脈沖串）的協(xié)議的差異極大。而對(duì)這種售后的市場(chǎng)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，使用可編程微控制器恰到好處。在此隨意選用了8400bps曼徹斯特編碼的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，并采用ASK（振幅變換調(diào)制）方式以433MHz進(jìn)行發(fā)射。若要使用FSK（頻率變換調(diào)制）或不同的發(fā)射頻率，必須用不同的接收器芯片替換MAXl473。

　?。?） 曼徹斯特編碼基本概念

　　每個(gè)數(shù)據(jù)位至少由一個(gè)信號(hào)跳變來(lái)表示，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流自同步。圖3（a）給出了0和1的表示符號(hào)，這里選擇下降沿為0，上升沿為1。串形數(shù)據(jù)通常先發(fā)送LSB。如圖3（b）所示，ASCⅡ字符“A”（41h，0100.000lb）以1000.0010b的形式發(fā)送。編碼可以通過(guò)連接0和1的符號(hào)形成。圖3（b）通過(guò)連接0和1的符號(hào)形成ASCII“A”的編碼。

　?。?） 數(shù)據(jù)流與軟件

　　當(dāng)按下鑰匙鏈上的按鈕時(shí)，將發(fā)送前同步碼，隨后依次是發(fā)送ID、計(jì)數(shù)值以及鑰匙數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖4所示。按鈕釋放前，發(fā)送器一直重復(fù)該序列過(guò)程，同時(shí)還需要一個(gè)軟件去抖程序。在該實(shí)例代碼中，是簡(jiǎn)單地通過(guò)短暫關(guān)閉接收器實(shí)現(xiàn)的。

　　實(shí)際的系統(tǒng)還會(huì)將部分?jǐn)?shù)據(jù)加密，防止車(chē)輛被盜。一般由車(chē)體控制模塊（BCM）進(jìn)行解密。接收器軟件測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度、等待和同步至前同步碼、解碼數(shù)據(jù)流并通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)。

　　2.5 發(fā)射器（遙控鑰匙）與接收器中幾種芯片的選用

　　（1） MAXl473接收器與MAX7044發(fā)送器的選用

　　RF接收器器件MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK射頻接收器，其特性已如前述。

　　而發(fā)射器中的MAX7044器件是可輸出+3dBmASK信號(hào)的發(fā)送器，采用微型的8引腳SOT封裝，采用占空比為50％的編碼方式時(shí)，如曼徹斯特碼，僅需消耗7.7mA的電流。MAX7044可使用電壓低至2.1V的單個(gè)鋰電池供電。

　　該300MHz至450MHz發(fā)送器和接收器的最大優(yōu)點(diǎn)是能將RKE系統(tǒng)有效距離擴(kuò)大一倍（即控制范圍超過(guò)兩倍）是理想應(yīng)用于電池供電設(shè)備，包括鑰匙，汽車(chē)報(bào)警和胎壓檢測(cè)的選擇。

　?。?） 雙通道接收器同時(shí)捕捉兩種信號(hào)的MAX1471結(jié)構(gòu)方框與應(yīng)用

　　使用MAXl471雙通道接收器同時(shí)捕捉兩種信號(hào)，即能同時(shí)接收ASK和FSK，模式間切換時(shí)間為零。針對(duì)同時(shí)需要對(duì)ASK和FSK解碼的低成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，MAXl471雙模接收器還可進(jìn)行自輪詢(xún)，器件可保持長(zhǎng)達(dá)8分鐘的睡眠模式，并可喚醒微處理器，以進(jìn)一步節(jié)省能源。MAXl47l工作于300MHz至450MHz，包括內(nèi)置的42dB（兆型值）鏡頻抑制混頻器，不需常見(jiàn)的SAW濾波器。MAXl471內(nèi)置一個(gè)可用于3.3V或5V的穩(wěn)壓器，可在低至2.4V的電壓下工作。圖5為MAX1471結(jié)構(gòu)方框與應(yīng)用示意圖，從圖看出MAX1471也可用于汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)中接收器。

　　3 智能無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)

　　利用兩個(gè)頻率可實(shí)現(xiàn)低成本雙向通信收發(fā)器，其中125kHz用于接收數(shù)據(jù)，UHF（315、433868或915MHz）用于發(fā)射數(shù)據(jù)。由于125kHz信號(hào)的傳播能力不強(qiáng)，因此雙向通信的范圍通常在三米以下。

　　在此類(lèi)智能無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)中，控制器（接收器）利用125kHz頻率發(fā)送命令，同時(shí)不斷搜索有效范圍內(nèi)收發(fā)器（在此的發(fā)射器稱(chēng)收發(fā)器更為確切）發(fā)出的UHF頻率信號(hào)。而該智能收發(fā)器通常處于接收模式，等待有效的125kHz控制器命令。如果接收到有效的控制器命令，那么收發(fā)器將通過(guò)UHF頻率做出響應(yīng)。這就是通常所說(shuō)的新型被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)（PKE）系統(tǒng)。

　　而傳統(tǒng)遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)中的發(fā)射器和新型被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)中的收發(fā)器之間最大的差別是后者擁有用于雙向通信的125kHz電路。并利用包括數(shù)字和低頻前端電路的集成片上系統(tǒng)（SoC）智能MCU可以實(shí)現(xiàn)低成本無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)（PKE）的收發(fā)器。圖6為智能無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)示意圖。

　　由于智能無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)收發(fā)器的工作依賴(lài)于與控制器間的自動(dòng)通信，不需要人機(jī)接口，因此系統(tǒng)工作的可靠性直接依賴(lài)于控制器和收發(fā)器之間的信號(hào)狀況。

　　圖6所示智能無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)收發(fā)器上的按鈕用于可選操作，但開(kāi)車(chē)門(mén)的動(dòng)作并不需要人工干擾即可自動(dòng)完成。智能無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)應(yīng)用的雙向通信順序如下：控制器利用125kHz頻率發(fā)送命令；收發(fā)器利用三個(gè)正交排列的125kHz共振天線接收125kHz控制器命令；如果命令正確，收發(fā)器通過(guò)一個(gè)UHF發(fā)射器發(fā)送響應(yīng)（加密數(shù)據(jù)）；控制器接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)正確則激活開(kāi)關(guān)打開(kāi)車(chē)門(mén)。

　　收發(fā)器的低頻率天線（例如125kHz）采用的是LC諧振電路。當(dāng)控制器天線發(fā)射的電磁波磁場(chǎng)通過(guò)收發(fā)器的線圈天線時(shí)，LC諧振電路感生出電壓。在LC諧振電路物理限制給定的情況下，收發(fā)器的輸入接收電壓在LC電路調(diào)諧到控制器命令的載波頻率（125kHz），或天線線圈（電感L）正對(duì)著控制器天線時(shí)，輸入接收電壓達(dá)到最大。

　　收發(fā)器中的智能MCU同時(shí)包括了低頻（LF）前端和數(shù)字部分。LF前端部分不斷尋找輸入信號(hào)。與此同時(shí)，數(shù)字電路部分則處于睡眠模式以減少電池消耗。只有在接收到正確的控制器命令時(shí)，數(shù)字電路部分才會(huì)被喚醒（類(lèi)似圖5MAX1471方框中喚醒MCU引腳功能）。通過(guò)在LF前端部分采用特殊的喚醒濾波器可以做到這一點(diǎn)。通過(guò)對(duì)LF檢測(cè)電路進(jìn)行編程，使得只有輸入信號(hào)帶有預(yù)先設(shè)定的頭標(biāo)志時(shí)才會(huì)產(chǎn)生輸出。

　　4 智能無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)收發(fā)及其應(yīng)用

　?。?） 利用微控制器PIC16F639 MCU構(gòu)成的智能無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)收發(fā)器。

　　圖7所示為方案圖。收發(fā)器采用三個(gè)正交放置的天線LCX、LCY、LCZ來(lái)探測(cè)來(lái)自X，Y和Z方向的輸入信號(hào)。由于其通用的智能功能，以及其低成本優(yōu)勢(shì)，智能收發(fā)器能夠用于多種應(yīng)用，特別是汽車(chē)和安全行業(yè)中的應(yīng)用。采用智能MCU的被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)（PKE）收發(fā)配置實(shí)例，收發(fā)器采用三個(gè)正交放置的天線來(lái)探測(cè)來(lái)自X，Y和Z方向的輸入信號(hào)。

　?。?） 汽車(chē)行業(yè)：智能被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)；遙控車(chē)庫(kù)門(mén)鎖和開(kāi)門(mén)系統(tǒng)；引擎啟動(dòng)控制與輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)（如圖5所示）LF啟動(dòng)傳感器。

　?。?） 安全行業(yè)：長(zhǎng)距離訪問(wèn)控制；停車(chē)位控制；自動(dòng)房門(mén)開(kāi)關(guān)。

　　利用雙向通信方法可以實(shí)現(xiàn)智能無(wú)線汽車(chē)通信。采用集成式片上系統(tǒng)（SoC）智能微控制器（MCU）可以實(shí)現(xiàn)低成本雙向通信收發(fā)器。通過(guò)在收發(fā)器中增加一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓充電電路，利用輸入的低頻率控制器命令來(lái)生成一個(gè)直流電壓，那么還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)電池工作。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　安全和保密功能是汽車(chē)安全問(wèn)題中的關(guān)鍵。汽車(chē)中不斷增加的通信應(yīng)用使得安全和保密功能被集成到更廣泛的汽車(chē)平臺(tái)中。不斷發(fā)展的無(wú)線通信技術(shù)可以將汽車(chē)中的獨(dú)立子系統(tǒng)整合起來(lái)。應(yīng)該說(shuō)基于用微控制器構(gòu)建的無(wú)線遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)前景看好。