1 引言

在如今的汽車行業(yè)，無線遙控開門系統(tǒng)已成為安全應用解決方案的熱門話題。其安全解決方案能在消費市場和汽車市場之間提供了一個協作的橋梁。但要給自己的老式、配件難尋的“傳統(tǒng)”車輛也裝上一套無線遙控開門系統(tǒng)該怎么辦呢？這也是消費者所關心的熱門話題。為此本文將對汽車無線遙控開門系統(tǒng)的新型設計方案與應用發(fā)展作分析介紹。

汽車安全應用所使用的典型無線遙控開門系統(tǒng)-遙控鑰匙（RKE）系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)組成包括一個安裝在汽車上的控制器（或稱接收器）和一個由用戶攜帶的收發(fā)器（或發(fā)射器），即無線遙控車門鑰匙。收發(fā)器一般包括一個微控制器、RF器件以及按鈕和LED等人機接口器件。微控制器可用DS89C440或PIC16F639，RF器件可用MAX7044或MAX1479或TRF6901。收發(fā)器通常關閉，只在按下按鈕或需要發(fā)送數據時才工作。收發(fā)器用來向控制器發(fā)送數據，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)送數據，也可接收數據，因此是雙向通信。在雙向通信系統(tǒng)中，控制器（安裝在汽車上）和收發(fā)器（即車鑰匙）可以實現自動通信，不需要人機接口。



2 設計思想

從上述無線遙控開門系統(tǒng)組成可看出，系統(tǒng)方案的設計思想是基于用微控制器構建發(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計并為配合模擬電路工作而進行了優(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（車上控制器）

遙控鑰匙可選用DS89C450-KIT和MAX7044或兩個評估板（EV KIT），即DS89C450-KIT和MAX7044EVKIT （EVht）構成發(fā)射器?？梢园惭b在一個殼體內，充電電池位于下方。如使用天線，發(fā)送距離超出標準鑰匙鏈幾個數量級。

接收器（車上控制器）可由并排安裝在一起的MAXQ3212 16位微控制器和MAXl473接收器組成。其連線接到汽車的車體控制模塊（BCM）上。若是在作調試或演示，可使用一個專門的MAXQ3212端口引腳以9600bps發(fā)送異步串行數據。

在此之所以采用MAXQ3212 16位微控制器，是因為MAXQ系列是采用低噪聲設計并為配合模擬電路工作而進行了優(yōu)化的16位RISC微控制器，除數字元件外還集成了高精密的模擬功能，因而應用方案需要的芯片數更少，能夠與RF接收器器件MAXl473整合到一起構建模擬電路的最佳方案，而且基本不會干擾RF信號。其優(yōu)異的功耗特性與強大的功能組合使產品的設計和構建更加簡單，可縮短產品上市時間。

而RF接收器器件MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK（振幅變換調制）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。內置鏡頻抑制，無需通常使用的前端SAW濾波器。睡眠模式時，MAXl473可在小于250ps的時間內啟動并發(fā)送數據，保證了更深的睡眠周期和更長的電池壽命。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)點是能將RKE系統(tǒng)有效距離擴大一倍，可理想應用子電池供電設備，包括鑰匙，汽車報警和胎壓檢測。

2.2 關于模擬信號強度測量

MAXl473接收器提供一個模擬接收信號強度指示器（RSSl），可對此信號進行測量。MAXQ3212內置一個模擬比較器，以比較VREF和CMPI輸入，并可以在定時器輸出引腳上產生脈寬調制信號（PWM）。圖2示出了由比較器和PWM構建ADC的方法。將RSSI信號送到MAXQ3212比較器的VREF引腳端。然后將定時器編程為PWM模式，如果對該PWM進行適當濾波，就可產生DAC輸出到T2PB引腳端，并將輸出（即DAC）連接到比較器的另一個輸入CMPI引腳端。比較器隨后比較信號電平，如果信號匹配，可在沒有專用硬件ADC的情況下成功進行了模數轉換。



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

2.3 RF信號如何解碼

MAXl473接收器提供一路數字信號輸出（DATAOUT）。由于RF噪聲一直存在，無論鑰匙鏈實際上是否在發(fā)送數據，該引腳都將連續(xù)轉換狀態(tài)。為將該噪聲與信號區(qū)分開來，MAXQ微控制器必須采用一個小型軟件狀態(tài)機，測量上升沿和下降沿信號之間的時間，以識別前同步碼。

而測量邊沿間隔的最有效方法是使用中斷觸發(fā)技術。MAXQ可編程為上升沿或下降沿觸發(fā)中斷。將中斷設置為“上升沿”觸發(fā)，即開始測量。一旦探測到上升沿，復位并重啟定時器，同時將中斷觸發(fā)邊沿設置為“下降”沿。到下降沿時，中斷處理程序讀取定時器的值。這可用一小段程序以示一個代碼段，該代碼段讀取和復位定時器，然后轉換中斷觸發(fā)信號的極性。如果邊沿間隔與8400bps數據率（加／減一個合理的容限）匹配，并檢測到協議所指定的同步脈沖數，則微控制器軟件狀態(tài)機切換到接收模式，開始解析余下的數據包。

2.4 關于數據流--曼徹斯特編碼的使用

由于制造商、型號以及出廠時間的不同，圖1中所示的發(fā)射器（遙控鑰匙）數據流（脈沖串）的協議的差異極大。而對這種售后的市場項目來說，使用可編程微控制器恰到好處。在此隨意選用了8400bps曼徹斯特編碼的數字數據流，并采用ASK（振幅變換調制）方式以433MHz進行發(fā)射。若要使用FSK（頻率變換調制）或不同的發(fā)射頻率，必須用不同的接收器芯片替換MAXl473。

（1） 曼徹斯特編碼基本概念

每個數據位至少由一個信號跳變來表示，從而實現數據流自同步。圖3（a）給出了0和1的表示符號，這里選擇下降沿為0，上升沿為1。串形數據通常先發(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。編碼可以通過連接0和1的符號形成。圖3（b）通過連接0和1的符號形成ASCII“A”的編碼。



（2） 數據流與軟件

當按下鑰匙鏈上的按鈕時，將發(fā)送前同步碼，隨后依次是發(fā)送ID、計數值以及鑰匙數據，見圖4所示。按鈕釋放前，發(fā)送器一直重復該序列過程，同時還需要一個軟件去抖程序。在該實例代碼中，是簡單地通過短暫關閉接收器實現的。

實際的系統(tǒng)還會將部分數據加密，防止車輛被盜。一般由車體控制模塊（BCM）進行解密。接收器軟件測量接收信號強度、等待和同步至前同步碼、解碼數據流并通過串口傳輸數據。



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，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的單個鋰電池供電。

該300MHz至450MHz發(fā)送器和接收器的最大優(yōu)點是能將RKE系統(tǒng)有效距離擴大一倍（即控制范圍超過兩倍）是理想應用于電池供電設備，包括鑰匙，汽車報警和胎壓檢測的選擇。

（2） 雙通道接收器同時捕捉兩種信號的MAX1471結構方框與應用

使用MAXl471雙通道接收器同時捕捉兩種信號，即能同時接收ASK和FSK，模式間切換時間為零。針對同時需要對ASK和FSK解碼的低成本系統(tǒng)設計，MAXl471雙模接收器還可進行自輪詢，器件可保持長達8分鐘的睡眠模式，并可喚醒微處理器，以進一步節(jié)省能源。MAXl47l工作于300MHz至450MHz，包括內置的42dB（兆型值）鏡頻抑制混頻器，不需常見的SAW濾波器。MAXl471內置一個可用于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結構方框與應用示意圖，從圖看出MAX1471也可用于汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)中接收器。

3 智能無線遙控開門系統(tǒng)

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

在此類智能無線遙控開門系統(tǒng)中，控制器（接收器）利用125kHz頻率發(fā)送命令，同時不斷搜索有效范圍內收發(fā)器（在此的發(fā)射器稱收發(fā)器更為確切）發(fā)出的UHF頻率信號。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UHF頻率做出響應。這就是通常所說的新型被動遙控開門（PKE）系統(tǒng)。

而傳統(tǒng)遙控開門系統(tǒng)中的發(fā)射器和新型被動遙控開門系統(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。并利用包括數字和低頻前端電路的集成片上系統(tǒng)（SoC）智能MCU可以實現低成本無線遙控開門系統(tǒng)（PKE）的收發(fā)器。圖6為智能無線遙控開門系統(tǒng)示意圖。



由于智能無線遙控開門系統(tǒng)收發(fā)器的工作依賴于與控制器間的自動通信，不需要人機接口，因此系統(tǒng)工作的可靠性直接依賴于控制器和收發(fā)器之間的信號狀況。

圖6所示智能無線遙控開門系統(tǒng)收發(fā)器上的按鈕用于可選操作，但開車門的動作并不需要人工干擾即可自動完成。智能無線遙控開門系統(tǒng)應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)器通過一個UHF發(fā)射器發(fā)送響應（加密數據）；控制器接收到響應數據，如果數據正確則激活開關打開車門。

收發(fā)器的低頻率天線（例如125kHz）采用的是LC諧振電路。當控制器天線發(fā)射的電磁波磁場通過收發(fā)器的線圈天線時，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電路調諧到控制器命令的載波頻率（125kHz），或天線線圈（電感L）正對著控制器天線時，輸入接收電壓達到最大。

收發(fā)器中的智能MCU同時包括了低頻（LF）前端和數字部分。LF前端部分不斷尋找輸入信號。與此同時，數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，數字電路部分才會被喚醒（類似圖5MAX1471方框中喚醒MCU引腳功能）。通過在LF前端部分采用特殊的喚醒濾波器可以做到這一點。通過對LF檢測電路進行編程，使得只有輸入信號帶有預先設定的頭標志時才會產生輸出。

4 智能無線遙控開門系統(tǒng)收發(fā)及其應用

（1） 利用微控制器PIC16F639 MCU構成的智能無線遙控開門系統(tǒng)收發(fā)器。

圖7所示為方案圖。收發(fā)器采用三個正交放置的天線LCX、LCY、LCZ來探測來自X，Y和Z方向的輸入信號。由于其通用的智能功能，以及其低成本優(yōu)勢，智能收發(fā)器能夠用于多種應用，特別是汽車和安全行業(yè)中的應用。采用智能MCU的被動遙控開門（PKE）收發(fā)配置實例，收發(fā)器采用三個正交放置的天線來探測來自X，Y和Z方向的輸入信號。



（2） 汽車行業(yè)：智能被動遙控開門系統(tǒng)；遙控車庫門鎖和開門系統(tǒng)；引擎啟動控制與輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)（如圖5所示）LF啟動傳感器。

（3） 安全行業(yè)：長距離訪問控制；停車位控制；自動房門開關。

利用雙向通信方法可以實現智能無線汽車通信。采用集成式片上系統(tǒng)（SoC）智能微控制器（MCU）可以實現低成本雙向通信收發(fā)器。通過在收發(fā)器中增加一個簡單的電壓充電電路，利用輸入的低頻率控制器命令來生成一個直流電壓，那么還可以實現無電池工作。

5 結語

安全和保密功能是汽車安全問題中的關鍵。汽車中不斷增加的通信應用使得安全和保密功能被集成到更廣泛的汽車平臺中。不斷發(fā)展的無線通信技術可以將汽車中的獨立子系統(tǒng)整合起來。應該說基于用微控制器構建的無線遙控開門系統(tǒng)的開發(fā)前景看好。