智能無線通訊在促進(jìn)汽車安全應(yīng)用中的作用

汽車電子工業(yè)對(duì)電子元器件的消費(fèi)需求呈現(xiàn)持續(xù)高漲的發(fā)展態(tài)勢，而基于汽車安全保護(hù)方面的應(yīng)用也不斷發(fā)展。由于汽車駕駛?cè)藛T和政府機(jī)構(gòu)方面施加的影響，以及汽車制造廠商自身希望提高其市場份額的需求，汽車安全性對(duì)于汽車制造廠商來講異常重要。智能無線通信技術(shù)是由遙控?zé)o鑰門禁應(yīng)用演變發(fā)展而來的。廉價(jià)智能應(yīng)答器的問世，標(biāo)志著智能無線通信系統(tǒng)正在成為一種新的發(fā)展趨勢。在現(xiàn)有遙控?zé)o鑰門禁（RKE）系統(tǒng)中，汽車駕駛?cè)藛T通過按下一個(gè)發(fā)射無線信號(hào)的按鈕來開/鎖車門。使用新型的汽車接入系統(tǒng)后，駕駛?cè)藛T僅需隨身攜帶一個(gè)應(yīng)答器就可以輕松實(shí)現(xiàn)上述操作。這種新型的汽車進(jìn)入系統(tǒng)被稱為被動(dòng)無鑰門禁系統(tǒng)（PKE）。

PKE系統(tǒng)無需人為干預(yù)就可以自動(dòng)執(zhí)行對(duì)用戶的身份識(shí)別。這種安全保護(hù)系統(tǒng)需要加入智能機(jī)制來保證在任何應(yīng)用場合下操作的可靠性，而免提操作系統(tǒng)的可靠性主要依賴于應(yīng)答器中模擬檢測電路的性能。本文將深入探討典型PKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題及其解決方案。
下面將首先介紹什么是智能無線通訊，并介紹幾個(gè)簡單的應(yīng)用示例。然后將對(duì)智能無線通訊中的兩個(gè)重要功能：可編程數(shù)字喚醒濾波器和幅值靈敏度及調(diào)制深度進(jìn)行闡述。最后，將展示一個(gè)智能被動(dòng)無鑰門禁（PKE）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)示例。

什么是智能無線通訊？ 目前普遍應(yīng)用的無鑰門禁系統(tǒng)由兩個(gè)單元組成。一個(gè)是基站單元，由單片機(jī)和高頻接收器構(gòu)成。另一個(gè)是可以隨身攜帶的發(fā)送器單元，由一個(gè)高頻發(fā)送器和單片機(jī)組成。當(dāng)用戶通過按鈕啟動(dòng)發(fā)送器時(shí)，發(fā)送器會(huì)加密代碼，把信號(hào)發(fā)給基站。但這并不是智能的無線通信系統(tǒng)，智能無線通信系統(tǒng)應(yīng)具備以下特點(diǎn)：1、自動(dòng)操作，使用者無需按任何按鈕，系統(tǒng)自己可以檢測和發(fā)送信號(hào)；2、100％獨(dú)立；3、在不同的環(huán)境下可以自己學(xué)習(xí)和適應(yīng)，在有噪音的情況下，可以排除噪音，正常工作。
構(gòu)建這樣一個(gè)智能系統(tǒng)有很多要求，其中幾個(gè)最簡單的要求及相應(yīng)解決方案如下： 1、體積小、成本低；解決方案是采用一枚智能單片機(jī)（MCU），單片機(jī)集成了數(shù)字和模擬前端電路。

2、經(jīng)濟(jì)的雙向通訊；解決方案是基站命令用125kHz，響應(yīng)用UHF。

3、通訊距離大于2米；解決方案是應(yīng)答器具有高輸入靈敏度，以便檢測基站命令。

4、工作在噪聲環(huán)境下（因?yàn)橐话愕沫h(huán)境下有很多噪音、干擾）；解決方案是高輸入調(diào)制深度靈敏度。

5、消除天線方向性；解決方案是在應(yīng)答器板上使用三付正交放置的LF天線。

6、電池壽命長；解決方案是使用喚醒濾波器。

7、數(shù)據(jù)安全性；解決方案是使用加密/解密算法。

圖1是1個(gè)智能被動(dòng)無鑰門禁(PKE)系統(tǒng)示例。它同目前普遍使用的無匙門禁系統(tǒng)有所不同。左邊的基站部分除單片機(jī)和高頻發(fā)送器外，還有1個(gè)低頻發(fā)送器/接收器；基站發(fā)出125kHz的低頻命令，右邊的智能接收器收到信號(hào)后，進(jìn)行處理。信號(hào)達(dá)到一定的要求，就可以使用高頻或低頻作為響應(yīng)。在智能接收器中有3個(gè)方向（X、Y、Z）的天線，從而能保證可以收到從任意方向過來的信號(hào)。另外，用戶不需按任何按鈕，智能接收器就可以自動(dòng)接收和發(fā)送信號(hào)。

PKE可以應(yīng)用在智能車輛出入系統(tǒng)、引擎防盜鎖止系統(tǒng)以及胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）等多種應(yīng)用中。下面以胎壓監(jiān)測系統(tǒng)為例，詳細(xì)闡述其使用。如圖3所示，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)由3個(gè)單元組成。左下方是安裝在輪胎上的傳感單元，由智能單片機(jī)、胎壓傳感器和一個(gè)高頻發(fā)送器組成。右上方是一個(gè)基站，由單片機(jī)和高頻接收器組成。右下方是一個(gè)低頻觸發(fā)器。它放在靠近輪胎很近的車身中，使用時(shí)，每過3～4秒，低頻觸發(fā)器發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)命令，發(fā)給輪胎里的傳感單元。傳感單元中的MCU接收到信號(hào)，信號(hào)達(dá)到要求后，會(huì)要求胎壓傳感器測量胎壓，再由高頻發(fā)送器發(fā)送到基站。

可編程數(shù)字喚醒濾波器是一個(gè)非常重要的功能。使用它的目的在于：減小工作電流（延長電池壽命），即：使數(shù)字部分一直處于低電流模式（休眠），除非模擬部分發(fā)現(xiàn)有效輸入信號(hào)。達(dá)到上述目的的方法是：應(yīng)答器只搜尋具有預(yù)定義報(bào)頭（波形）的輸入信號(hào)，而忽略其他所有不具有預(yù)定義報(bào)頭的輸入信號(hào)。

圖4是喚醒濾波器輸入信號(hào)波形和輸出數(shù)字。第一段是模擬前端所需的穩(wěn)定時(shí)間，有一段間隙。第二段是可編程喚醒濾波器預(yù)定義的報(bào)頭，它完全由用戶設(shè)定，這里設(shè)的是2個(gè)毫秒高、2個(gè)毫秒低。當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到這個(gè)要求時(shí)，我們才會(huì)看到數(shù)字從單片機(jī)輸出。

幅值靈敏度及調(diào)制深度是另一個(gè)重要的功能。圖 6是近場中的RF脈沖。有時(shí)候，基站和應(yīng)答器非常靠近時(shí)，一般信號(hào)是從最高到最低來回?cái)[動(dòng)，但有時(shí)信號(hào)沒有足夠的時(shí)間實(shí)現(xiàn)最高到最低的擺動(dòng)。這時(shí)信號(hào)的最高值和最低值很接近，這樣就對(duì)信號(hào)的處理造成了困難。
圖7是噪聲環(huán)境下的RF脈沖。上面的圖形是觸發(fā)電平，在下面的圖形中可以看到，噪聲最低值已經(jīng)加高到與最高值十分接近。這樣就對(duì)信號(hào)的處理造成了困難。

圖8是調(diào)制輸入檢測示例。上面是100％的調(diào)制輸入，最高值和最低值非常明顯。下面是25％的調(diào)制輸入，最高值和最低值非常接近。

圖9是具有無電池及后備電池電路的智能 PKE 應(yīng)答器。在有些情況下，比如電視機(jī)接觸不良時(shí)，可以用磁線圈給電池短暫供電，這樣應(yīng)答器在沒有電池供電時(shí)，仍可工作。

雙向通訊距離的參數(shù)包括：應(yīng)答器中，有天線調(diào)諧及Q、天線定位（使用三維天線）、接收靈敏度、輸入信號(hào)的調(diào)制深度、數(shù)據(jù)率；基站中，有輸出功率、接收靈敏度。

天線設(shè)計(jì)中，低頻部分普遍使用的頻率為125kHz；使用LC諧振電路；天線類型為空心線圈或鐵氧體磁芯（1～10 mH）；LC諧振頻率＝基站的載波頻率；范圍：被動(dòng)標(biāo)簽小于1米，主動(dòng)標(biāo)簽小于5米。高頻部分，UHF:315～960 MHz；使用偶極天線，蝕刻在PCB上；范圍：被動(dòng)標(biāo)簽5米，主動(dòng)標(biāo)簽100米。

磁通量與天線感應(yīng)電壓具有專門的公式。在判斷感應(yīng)電壓時(shí)，有很多因素，比如說線圈匝數(shù)、接收器線圈的表面積、頻率、品質(zhì)因數(shù)等。天線感應(yīng)電壓同距離的關(guān)系為：基站和接收器靠的很近時(shí)，信號(hào)的電壓是200V；距離到3米時(shí)，電壓信號(hào)只能達(dá)到5mV的峰峰值。因此信號(hào)輸入靈敏度在這里是非常關(guān)鍵和重要的。

目前，Microchip已經(jīng)提供了PKE的演示板，可以登錄Microchip網(wǎng)站www.microchip.com查找。

結(jié)論

可靠的自動(dòng)操作有以下要求：智能雙向通訊、系統(tǒng)成本低、LF 輸入靈敏度高、功耗低（通過控制電池的使用來實(shí)現(xiàn)）、安全的數(shù)據(jù)加密與解密（Microchip使用專利的KEELOQ加密和解密方式）。您可以使用一枚智能單片機(jī)來構(gòu)建系統(tǒng)，智能單片機(jī)能提供滿足上述要求的解決方案。