用單一MCU實現(xiàn)遙控開鎖和輪胎壓力感測系統(tǒng)

在汽車內(nèi)部的指令和控制系統(tǒng)中，由于相對較短的通信距離和各個子系統(tǒng)都位置固定，再加上安全和可靠性等因素，使無線通信在汽車電子中的應(yīng)用受到限制，給人的印象是必要性不大。另外，控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Control Area Network)總線的出現(xiàn)也使系統(tǒng)的連接大為簡化，重量減輕很多。然而，在汽車中心有些應(yīng)用如遙控開鎖(Remote Keyless Entry ,RKE)以及輪胎壓力感測(Tire Pressure Sensing ,TPS)等，無線連接則能非常簡單地實現(xiàn)。

無源遙控開鎖
遙控開鎖技術(shù)自從前幾年出現(xiàn)后，得到了很好改進(jìn)。早期的系統(tǒng)只需要從按鍵到車輛控制器發(fā)射一個序列約幾個bits的數(shù)據(jù)，控制器只是簡單驗證該序列是否正確，然后決定是否打開車門鎖。這樣的系統(tǒng)從安全角度講非常不完善，在信號發(fā)射，通信時容易被截獲，偷車人可發(fā)射所有可能的序列組合，或通過截獲開鎖密碼，容易地進(jìn)入車內(nèi)而不必破壞車輛，這樣也就不易被人發(fā)現(xiàn)。
目前所用的RKE系統(tǒng)通過加長密碼序列來防止這類問題，要想解密所有的數(shù)據(jù)幾乎不可能。另外為了防止密碼被截獲，RKE系統(tǒng)在每次按鍵時都改變密碼，這種技術(shù)稱為編碼跳躍(code hopping)，在密碼每次發(fā)射時進(jìn)行加密。接收器在解密時，需要確認(rèn)計數(shù)器從前次儲存發(fā)射數(shù)據(jù)增加一定值，這種高度安全的解決方案借助于Microchip公司的Keeloq家族編碼跳躍產(chǎn)品非常容易。
可以預(yù)見，未來的車門控制將使用無源遙控開鎖(Passive Keyless Entry， PKE)系統(tǒng)，車主攜帶控鍵靠近車門時將被激活，在車主拉車門時，汽車將確認(rèn)控鍵已靠近車門，并自動將門打開。這種技術(shù)需要雙向無線通信系統(tǒng)，汽車首先向控鍵發(fā)射數(shù)據(jù)，控鍵加密數(shù)據(jù)并發(fā)送回汽車，如圖1所示。

雙向通信的TPS系統(tǒng)
在有些高檔汽車中已經(jīng)安裝了壓力感測系統(tǒng)，但最近交通事故數(shù)據(jù)顯示，錯誤的輪胎壓力是造成這些事故的主要原因之一，迫使汽車生產(chǎn)廠商在所有汽車產(chǎn)品中安裝輪胎壓力感測系統(tǒng)。感測系統(tǒng)一般包括傳感器，用來測定輪胎內(nèi)的溫度和壓力，并不斷將數(shù)據(jù)通過RF鏈路傳給汽車中的接收器，該接收器與一警告顯示器相連，這樣車內(nèi)的司機(jī)就可隨時了解輪胎是氣壓不足還是過高。
但其中的一個問題是如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來自哪一個輪胎，這可以通過下述方式解決。一是給輪胎編上序號，二是使用選向性接收器，三是根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向時不同輪車轉(zhuǎn)速不同確定。這幾種方法各有所長，優(yōu)劣不能一概而論。編號方法在換輪胎或輪胎位置變化時容易混淆，需要重新編號。選向接收器和轉(zhuǎn)速法非常復(fù)雜，成本也高。
功耗在TPS系統(tǒng)中是另一問題，單向數(shù)據(jù)通信中，傳感器需要周期性地加電，并傳送壓力、溫度等數(shù)據(jù)，在汽車不用時往往也需這樣。為解決電池使用壽命問題，可在輪胎中使用一長壽命電池，并安裝附加的加速度計，在汽車開動時，才將傳感器加電。但這會增加重量并使成本提高。
雖然可以設(shè)計出基于一個電池的單向通信系統(tǒng)，并維持10年的使用壽命，但理想的解決方案是在每一個車輪和接收器之間實現(xiàn)雙向無線連接，如圖2所示。雙向通信方式不必同時解決車輪的辨認(rèn)問題，因為此時司機(jī)可以選擇車輪進(jìn)行測量，而且也可減低系統(tǒng)功耗，在汽車不用時，司機(jī)可將傳感器斷電。

通信手段
PKE和TPS系統(tǒng)都可通過雙向無線連接實現(xiàn)，但問題是在合適的功耗、通信距離、成本以及物理尺寸之間進(jìn)行適當(dāng)折衷?，F(xiàn)有的控鍵、輪胎傳感器到汽車控制器之間的數(shù)據(jù)交換可用RF發(fā)射器實現(xiàn)，但簡單地將發(fā)射器改為收發(fā)器是不可取的，收發(fā)器必須要永久加電，會很快將電源耗盡，因此應(yīng)在控鍵和輪胎中都應(yīng)有一低功耗接收器，利用一共振LC電路產(chǎn)生125KHz或13.56MHz的電磁波，通過電磁波的通和斷來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此控鍵和輪胎處的接收器只需增加一LC電路即可。
對于開鎖控鍵，這種方案雖解決了功耗和體積問題，但在作用距離、數(shù)據(jù)傳送率等方面有局限性。PKE和TPS都要求1~2米的通信距離，需要敏感的低功耗輸入檢測電路。另一個限制是電磁場的方向性，這使接收器的位置非常關(guān)鍵。在TPS系統(tǒng)中這不稱其為問題，因輪軸附近的位置變化并非很大。但在PKE系統(tǒng)中，控鍵的位置就很隨意，為解決方向性問題，需要兩兩正交地安裝三組LC，以三個LC敏感輸入電路進(jìn)行三維接收。
Microchip的Keeloq家族是傳統(tǒng)RKE系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，設(shè)計者只要增加LC電路的數(shù)量，將三維敏感輸入電路集成到一起，即可構(gòu)成PKE解決方案。

低功耗RF
前面談到，由控鍵或輪胎到汽車控制器通信使用現(xiàn)有RF電路的315和433MHz頻段，低功耗RF設(shè)計主要基于表面聲波(SAW)諧振器，這種技術(shù)只需極少量器件即可構(gòu)成一高性價比的幅移鍵控(ASK)RF發(fā)射器。但由于各國對于RF輻射的限制越來越嚴(yán)格，上述方法逐漸被基于鎖相環(huán)(PLL)的技術(shù)所取代。使用PLL技術(shù)，可利用接收器的窄帶寬得到更遠(yuǎn)的作用距離。由于在低頻段的飽和及干擾影響，一些設(shè)計已經(jīng)高達(dá)868或915MHz?；赑LL的設(shè)計也使之與MCU集成在一個封裝內(nèi)，Microchip的 rfPIC器件即是一例，它物理尺寸很小，非常適合于無線控制，集成解決方案也減少了所需器件的數(shù)量，頻移鍵控(FSK)設(shè)計在提供3dB增益的同時，受噪聲影響也較低，這種集成可使FSK設(shè)計更容易滿足當(dāng)?shù)豏F法律的要求。

安全可靠性
TPS系統(tǒng)的設(shè)計源由出自于安全性考慮，它只是對輪胎壓力出現(xiàn)的異常給司機(jī)提出警告，因此如果TPS系統(tǒng)的失效將給廠商和用戶帶來同樣不可估量的損失，必須重視系統(tǒng)的安全可靠性問題。
輪胎內(nèi)壓力傳感器必須能夠長時間承受高溫和高加速度，由于車輪中金屬量很多，并在高速轉(zhuǎn)動，對于無線鏈路天線的安裝提出了很高的要求。TPS系統(tǒng)經(jīng)常忽視的問題也是安全性，如果系統(tǒng)安全性不好，偷車人可靠近汽車，測得發(fā)射的壓力測量數(shù)據(jù)，然后發(fā)出一假的低壓力信號，在司機(jī)下車檢查輪胎時將汽車劫持。
雙向通信系統(tǒng)可部分解決該問題，因接收器知道何時來自某一輪胎的發(fā)射信號，而且信號電磁波輻射的強(qiáng)度也不是很高，偷車人難以可靠地檢測到。如果進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性，可使用加密機(jī)制，并以隨機(jī)的時間和順序來檢測輪胎的壓力。
在PKE和TPS系統(tǒng)之間存在著許多相似之處，很顯然它們可以共用一些元器件。在系統(tǒng)級，它們可共用RF接收器接收來自控鍵和輪胎壓力傳感器的信號，產(chǎn)生電磁場激活壓力傳感器的電感同樣可用來激活PKE鍵。兩者結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
在器件級，同一MCU可同時實現(xiàn)壓力傳感器以及控鍵接口。該MCU只需很低的待機(jī)電流，2V的工作電壓，一個可靠的板上E2PROM來存儲控鍵的安全信息以及壓力傳感器的校準(zhǔn)值等。將來可實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)器輸入電路與RF發(fā)射器的進(jìn)一步集成，那時所需的外部器件將更少。

結(jié)語
雖然無線技術(shù)可使汽車與Internet、電話等連接，對于汽車中的其它應(yīng)用并非優(yōu)勢特別明顯。但TPS和PKE卻是近期無線技術(shù)在汽車中應(yīng)用的極好例證，兩系統(tǒng)的相似之處可使設(shè)計者將二者結(jié)合起來，構(gòu)成一可靠、價位適中的完美解決方案。■(麥凱)