智能無(wú)線通信在汽車安全中的應(yīng)用

　　圖1給出的是一個(gè)傳統(tǒng)RKE系統(tǒng)。一旦按鈕被按下，RKE發(fā)射器就發(fā)射數(shù)據(jù)?？刂破鹘邮盏綌?shù)據(jù)后，如果數(shù)據(jù)正確就控制執(zhí)行元件打開(kāi)車門。

　　圖2，智能被動(dòng)遙控自動(dòng)開(kāi)門（PKE）系統(tǒng)

智能被動(dòng)遙控自動(dòng)開(kāi)門（PKE）系統(tǒng)，采用雙向通信。收發(fā)器（鑰匙）利用三個(gè)正交放置的LC共振天線接收控制器命令（125 kHz），并通過(guò)UHF發(fā)射器發(fā)送響應(yīng)。

　　圖2給出的是一個(gè)智能PKE系統(tǒng)。收發(fā)器上的按鈕用于可選操作，但開(kāi)車門的動(dòng)作并不需要人工干擾即可自動(dòng)完成。PKE應(yīng)用的雙向通信順序如下：

　?。╝）控制器利用125 KHz頻率發(fā)送命令；

　　（b）收發(fā)器利用三個(gè)正交排列的125 kHz共振天線接收125 kHz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)）；

　　（d）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)車門。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所面臨的挑戰(zhàn)是決定如何提高125 kHz控制器命令的發(fā)射范圍，從而在保證收發(fā)器電池壽命足夠長(zhǎng)的情況下保證可靠的操作。

　　雙向通信范圍對(duì)輸入靈敏度的要求

　　在電池供電的收發(fā)器應(yīng)用中，UHF信號(hào)（315/433/915 MHz）的最大通信距離約為100米，但對(duì)于低頻信號(hào)（LF， 125 KHz）則僅有數(shù)米。因此，雙頻率PKE收發(fā)器的通信范圍主要受到125 KHz控制器命令發(fā)射范圍的限制。由于低頻信號(hào)的傳輸特性，125KHz信號(hào)隨著傳輸距離衰減得很快。例如，假設(shè)控制器輸出的天線電壓約300 Vpp，那么大約三米處的收發(fā)器天線接收到的電壓則僅有約3mVpp，這與環(huán)境噪聲的水平差不多。檢測(cè)微弱信號(hào)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

有人也許會(huì)有疑問(wèn)，為什么不在兩個(gè)方向都使用UHF來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向通信。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的答案是：首先在收發(fā)器中實(shí)現(xiàn)UHF接收器的成本遠(yuǎn)比125 kHz檢測(cè)電路要高，其次，三米的距離對(duì)于大多數(shù)PKE應(yīng)用都足夠了。

　　為提高125 kHz控制器命令的傳輸范圍，有兩種可能的解決方案可以考慮：提高控制器的發(fā)射功率，或者提高收發(fā)器的輸入靈敏度。然而由于政府管制要求，發(fā)射器的最大功率是有限的。因此，假設(shè)控制器在允許的范圍內(nèi)達(dá)到最大的發(fā)射功率，那么此時(shí)提高輸入信號(hào)檢測(cè)靈敏度是唯一有效的解決方案。為達(dá)到三米的雙向通信距離，收發(fā)器的輸入靈敏度必須達(dá)到3mVpp左右。

　　收發(fā)器的低頻率天線（例如125 KHz）采用的是LC諧振電路。當(dāng)控制器天線發(fā)射的電磁波的磁場(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。接收線圈的電壓由下式確定：

　　其中，fo 是諧振頻率、N是線圈的匝數(shù)、S是線圈的截面積、Q是線圈的品質(zhì)因數(shù)、Bo是磁場(chǎng)強(qiáng)度、a是發(fā)射器和接收天線線圈之間的方向角。天線的調(diào)諧頻率fo 由下式給出：

　　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以下情況時(shí)達(dá)到最大，LC電路調(diào)諧到控制器命令的載波頻率（125 kHz），或天線線圈（電感L）正對(duì)著控制器天線。

　　天線方向問(wèn)題的解決方案

　　從天線輻射出來(lái)的任何射頻信號(hào)傳播時(shí)都有一定的方向角，如果采用良好的天線，那么會(huì)有很好的方向性（即較窄的輻射角）。從LC諧振電路輻射出來(lái)的低頻（125kHz）信號(hào)其方向性沒(méi)有高頻信號(hào)好，但仍然包含方向性場(chǎng)分量。對(duì)于特定的收發(fā)器設(shè)計(jì)，低頻信號(hào)的通信范圍（感生電壓）取決于控制器和收發(fā)器電線的耦合情況。耦合最佳的情況是兩個(gè)天線面對(duì)面放置。

　　對(duì)于不需人為干預(yù)的PKE應(yīng)用，收發(fā)器（鑰匙）在車主口袋中可能處于任意角度。因此，收發(fā)器天線與固定在車上的控制器天線處于最佳耦合位置的可能性為30%（x、y、z方向）。如果收發(fā)器有三個(gè)正交排列的天線，那么這一可能性提高到約100%。三個(gè)天線分別置于x、y和z方向。通過(guò)采用三個(gè)正交天線，收發(fā)器能夠接收到控制器從任何方向發(fā)射來(lái)的信號(hào)。

　　圖 3，收發(fā)器天線方向問(wèn)題圖示。當(dāng)收發(fā)器天線與磁場(chǎng)強(qiáng)度B垂直時(shí)，收發(fā)器接收到的感生電壓最大，此時(shí)收發(fā)器電路與控制器天線正好處于面對(duì)面的位置。

　　采用特殊的喚醒濾波器延長(zhǎng)電池使用時(shí)間

　　由于MCU集成了大多數(shù)功能，因此其功耗也最大。所以，為了節(jié)省功耗，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，需要仔細(xì)地管理MCU的工作。在非激活模式下，MCU中處于工作狀態(tài)的電路必須盡量少。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。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。

　　圖 4，當(dāng)輸入與喚醒濾波器預(yù)設(shè)時(shí)序相符時(shí)的輸入信號(hào)和檢測(cè)器輸出。檢測(cè)器輸出會(huì)喚醒數(shù)字電路部分。