??? 摘 要： 一種汽車智能無匙門控" title="智能無匙門控">智能無匙門控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。結(jié)合微芯公司PIC16F639微控制器" title="微控制器">微控制器的特性，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的無線收發(fā)通信系統(tǒng)，給出了硬件電路和軟件流程。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)短程無線通信的特點(diǎn)提出了系統(tǒng)改進(jìn)措施，討論了數(shù)據(jù)傳輸格式和差錯(cuò)控制原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在功耗、通信距離及可靠性方面均達(dá)到較高指標(biāo)。
??? 關(guān)鍵詞： 智能無匙門控? 低頻喚醒? KEELOQ滾碼編碼? 通斷鍵控? 脈寬調(diào)制
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??? 隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，無匙門控系統(tǒng)已成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置，這對(duì)提高汽車的防盜性、控制性有重要意義。傳統(tǒng)的無匙門控系統(tǒng)以單向通信為特征，用戶通過按鍵進(jìn)行門控操作；而在新型的智能無匙門控PKE（Passive Keyless Entry)系統(tǒng)中，基站(車身)和收發(fā)器" title="收發(fā)器">收發(fā)器(鑰匙)可以實(shí)現(xiàn)雙向自動(dòng)通信，不需要人機(jī)接口，用戶僅需隨身攜帶一個(gè)收發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)免提門控操作。圖1是一個(gè)PKE系統(tǒng)的框圖。系統(tǒng)由收發(fā)器（鑰匙）和基站（車身）兩部分組成。當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)（如用戶拉動(dòng)車門把手上的開關(guān)），汽車總線會(huì)將此觸發(fā)信號(hào)送交基站，基站收到觸發(fā)信號(hào)后利用125kHz LF(低頻)發(fā)送喚醒信號(hào)，同時(shí)不斷搜索有效范圍內(nèi)UHF（超高頻）頻率的收發(fā)器響應(yīng)。收發(fā)器通常處于待機(jī)模式，如果接收到有效的喚醒信號(hào)，收發(fā)器將通過UHF頻率向基站發(fā)送控制命令，基站收到控制命令后送交相關(guān)機(jī)構(gòu)執(zhí)行。由于125kHz信號(hào)的傳播能力較弱，雙向通信的范圍通常在2米以下，但收發(fā)器本身仍然可以提供按鍵用于可選的其他操作，因此其通過UHF頻率向基站發(fā)送按鍵信息的距離可以更長(zhǎng)?？刂泼钤诎l(fā)送前須經(jīng)編碼模塊編碼加密，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；在被接收后由解碼模塊解碼。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的編碼及解碼由微控制器（MCU）完成。
??? PIC16F639是微芯公司推出的針對(duì)無匙及智能無匙門控系統(tǒng)（RKE/PKE）設(shè)計(jì)的一款性價(jià)比較高的微控制器。其主要特點(diǎn)如下：（1)多種時(shí)鐘源和選擇特性，并有2個(gè)內(nèi)置振蕩器可配置為系統(tǒng)時(shí)鐘源；(2)3.5KB FLASH存儲(chǔ)器；(3)128B的片上RAM存儲(chǔ)器；(4)256B的片上EEPROM存儲(chǔ)器；(5)1個(gè)8位定時(shí)器和1個(gè)16位定時(shí)器；(6)12個(gè)通用IO口，內(nèi)置上拉/下拉功能，其中6個(gè)（PORTA）支持電平變化中斷；(7)1個(gè)外部中斷管腳（RA2）；(8)芯片有休眠模式，支持中斷喚醒；(9)集成了一個(gè)3通道模擬前端" title="模擬前端">模擬前端，AFE（Analog Front-End）通過SPI接口與PIC16F639通信；(10)內(nèi)置1個(gè)KEELOQ硬件加密模塊。
??? 利用PIC16F639可以和簡(jiǎn)單的收發(fā)電路或RF收發(fā)芯片相配合實(shí)現(xiàn)無線遙控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，并可利用其?nèi)置KEELOQ模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行KEELOQ滾碼加密。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
??? 收發(fā)器原理如圖2所示。
1.1 收發(fā)器（鑰匙模塊）
??? (1)電源系統(tǒng)
??? 收發(fā)器采用3V鈕扣電池供電，系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHz(內(nèi)置振蕩器),待機(jī)時(shí)PIC16F639進(jìn)入休眠模式，功耗很低，約幾納安。
??? (2)按鍵掃描
??? 收發(fā)器接入5個(gè)按鍵(S0~S4)到PORTA口，分別完成上鎖、解鎖、報(bào)警等功能。當(dāng)按下任一按鍵時(shí)通過PORTA的電平變化中斷喚醒PIC16F639，并進(jìn)入相應(yīng)的中斷流程；處理完畢后，重新進(jìn)入休眠模式。
??? (3)低頻喚醒
??? 收發(fā)器對(duì)基站低頻喚醒信號(hào)的接收是通過集成在PIC16F639上的模擬前端（AFE）實(shí)現(xiàn)的。通過3組相互正交放置的LC諧振線圈可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻信號(hào)" title="低頻信號(hào)">低頻信號(hào)的全方位接收，消除了收發(fā)器的方向性。3個(gè)線圈回路分別接入模擬前端的3個(gè)輸入通道（引腳LCX，LCY，LCZ）。閑置時(shí)，模擬前端處于待機(jī)模式（大部分內(nèi)部電路斷電以減少電流消耗），當(dāng)任一輸入通道正確接收低頻信號(hào)達(dá)一定時(shí)間，模擬前端的其余部分才上電，有效的低頻信號(hào)會(huì)經(jīng)其內(nèi)部電路解調(diào)并在PORTC口RC3引腳上形成數(shù)字信號(hào)（LFDATA）輸出，并通過PORTA口RA5引腳喚醒休眠中的PIC16F639。為防止其他低頻信號(hào)干擾（如噪聲、廣播信號(hào)）致使模擬前端喚醒PIC16F639而消耗系統(tǒng)電量，可以配置模擬前端內(nèi)置的輸出使能濾波器，設(shè)定報(bào)頭匹配序列。只有當(dāng)接收到的低頻信號(hào)的報(bào)頭波形序列與之吻合時(shí),才判為有效信號(hào)，并使能LFDATA輸出，否則無數(shù)字信號(hào)輸出。喚醒后收發(fā)器利用LFDATA數(shù)據(jù)驗(yàn)證基站身份，可取收發(fā)器KEELOQ模塊序列號(hào)作為驗(yàn)證信息（基站事先通過“學(xué)習(xí)”[5]過程獲得該序列號(hào)）。PIC16F639通過內(nèi)部SPI接口（與RC1，RC2，RC3復(fù)用）對(duì)其模擬前端進(jìn)行配置。
??? (4)LED指示
??? PORTC口的RC0、RC4作為輸出控制LED，用以指示UHF信號(hào)的發(fā)射和LF喚醒信號(hào)的接收。
??? (5)KEELOQ硬件加密
??? 收發(fā)器收到有效的低頻喚醒信號(hào)或按鍵信息后，須向基站發(fā)送相應(yīng)的控制命令；控制命令在發(fā)送前須編碼加密。傳統(tǒng)的用于單向傳輸?shù)陌卜喇a(chǎn)品主要采用固定編碼集成電路，其編解碼芯片的編碼長(zhǎng)度有限，碼形格式固定不變，通過捕捉波形和跟蹤掃描等方法易于破解，安全性不高。采用基于KEELOQ算法的滾動(dòng)碼編碼技術(shù)，克服了以上缺點(diǎn)，在傳輸代碼之前通過非線性位加密技術(shù)產(chǎn)生高保密性的滾動(dòng)編碼，每次發(fā)送的代碼（滾動(dòng)碼）都是唯一的、不規(guī)則的，且不重復(fù)。其技術(shù)核心是用64位的加密密鑰去加密32位的待加密信息（按鍵信息、識(shí)別碼、同步計(jì)數(shù)值）得到32位滾動(dòng)碼[6]，再加上固定碼（32～34位）構(gòu)成完整數(shù)據(jù)幀。
??? (6)高頻發(fā)射
??? 高頻發(fā)射電路如圖3，調(diào)制方式為OOK(通斷鍵控)，發(fā)射頻段為433MHz，采用聲表面波器件穩(wěn)頻，頻率一致性好，頻穩(wěn)度高?？刂泼罱?jīng)KEELOQ滾碼編碼，PWM（脈寬調(diào)制）編碼后成為待發(fā)射數(shù)據(jù)UHFDATA，并由PIC16F639 PORTC口的RC5輸出進(jìn)行移位發(fā)射。當(dāng)輸出為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路工作，輸出為低電平時(shí)，發(fā)射電路截止。
1.2 基站（車身接收模塊）
??? 基站由UHF接收模塊、LF發(fā)射模塊、微控制器及汽車總線接口等組成，如圖4所示。UHF接收模塊將接收到的OOK調(diào)制數(shù)據(jù)解調(diào)為PWM數(shù)據(jù)送交微控制器，微控制器通過軟件方式解碼PWM數(shù)據(jù)，再解碼滾碼數(shù)據(jù)得到原控制命令，并通過汽車總線送給相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同樣，若收到來自汽車總線的有效觸發(fā)信號(hào)，微控制器將組織喚醒信號(hào)并送交低頻發(fā)射模塊發(fā)射。本系統(tǒng)的UHF接收模塊采用臺(tái)灣HIMARK的RX3310A組成超外差接收電路，RX3310A是一款性價(jià)比高的超外差A(yù)SK接收芯片，工作在250MHz～450MHz頻段，具有-104dBm的高靈敏度，正常平均工作電流2.6mA,功耗低。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得有效通信距離可達(dá)10～15米。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 通信協(xié)議
??? (1)PWM編碼
發(fā)送方和接收方之間采用PWM(脈寬調(diào)制)編碼方式進(jìn)行半雙工通信，PWM信號(hào)的產(chǎn)生及解碼由微控制器通過軟件方式實(shí)現(xiàn)。碼元周期Te(一般取100μs～400μs），則傳輸波特率=1/Te。用3碼元表示1位數(shù)據(jù),中間碼元作為信息碼元。
??? (2)數(shù)據(jù)格式
??? 如圖5，滾碼數(shù)據(jù)構(gòu)成為：32位滾動(dòng)碼+34位固定碼，模擬前端穩(wěn)定時(shí)間TSTAB=4ms,間隔脈沖TGAP=500μs，輸出使能匹配序列TOEH=2ms，TOEL=2ms。
??? (3)PWM信號(hào)的接收與解碼
??? 微控制器通過軟件方式按以下步驟接收PWM信號(hào)：①根據(jù)引導(dǎo)位開始準(zhǔn)備接收；②利用同步頭作為接收速率校正，并計(jì)算出Te的值；③同步頭結(jié)束后，在偵測(cè)的第一個(gè)上升沿，延時(shí)0.5Te后取樣(取樣點(diǎn)A)，并測(cè)試是否為1，如果為0則接收失??；④延時(shí)1Te后取樣(取樣點(diǎn)B)，若測(cè)試為1則存為‘0’，測(cè)試為0則存為‘1’，實(shí)現(xiàn)解碼；⑤延時(shí)1Te后取樣(取樣點(diǎn)C)并測(cè)試，如果為1則接收失敗;⑥等待下一個(gè)上升沿到來，如果等待時(shí)間超過1Te則接收失?。虎咧貜?fù)3～6步，直到完成所有數(shù)據(jù)位接收。采用PWM編碼，接收方可以自適應(yīng)地校正接收速率，通信雙方無須事先約定傳輸速率，提高了系統(tǒng)的靈活性。
2.2 流程圖
??? 收發(fā)器流程圖如圖6所示。
3 系統(tǒng)的改進(jìn)措施
3.1 數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e(cuò)控制
??? 盡管滾碼編碼技術(shù)的引入提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，但?duì)傳輸過程中可能出現(xiàn)的誤碼檢錯(cuò)能力弱，特別是當(dāng)控制命令的關(guān)鍵數(shù)據(jù)位出錯(cuò)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的可靠性將產(chǎn)生很大影響。為此，考慮引入ARQ（自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)）：在控制命令經(jīng)滾碼編碼后，再加入一級(jí)循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)；當(dāng)接收端（基站）發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，就通過低頻信號(hào)請(qǐng)求發(fā)送端（收發(fā)器）重發(fā)，直到收到正確的碼字為止。
3.2 UHF信號(hào)的接收
????基站對(duì)UHF信號(hào)的接收可用ASH（時(shí)分放大器序列混合）接收機(jī)取代超外差接收機(jī)。超外差接收機(jī)靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。但超外差接收對(duì)天線阻抗的的匹配要求較高，偏離50Ω會(huì)導(dǎo)致靈敏度急劇降低。近年來無線接收機(jī)家族的新成員ASH接收機(jī)，可以在任何天線阻抗下(35~72?贅)穩(wěn)定工作。在UHF的鏈路應(yīng)用中，這種穩(wěn)定性非常重要。ASH接收機(jī)還有很強(qiáng)的頻道捕捉性，在UHF場(chǎng)合內(nèi)最強(qiáng)的信號(hào)就能對(duì)接收機(jī)起主導(dǎo)作用；對(duì)較弱的信號(hào)，接收機(jī)就加以忽略，從而避免PKE系統(tǒng)間的同頻干擾。
3.3 滾碼編碼的軟件實(shí)現(xiàn)
??? 微芯公司基于KEELOQ加密算法的滾碼技術(shù)是一項(xiàng)封裝在芯片中的技術(shù)，用戶基于硬件進(jìn)行開發(fā)，成本高、靈活性差、易受制于人[5]。用軟件手段實(shí)現(xiàn)滾碼技術(shù)，系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)將更方便，但在單片機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)滾碼技術(shù)，必須考慮芯片的時(shí)空資源并選取合適的加密算法。
3.4 本系統(tǒng)與其他汽車電子系統(tǒng)的集成
??? 無匙/智能無匙門控、無線倒車?yán)走_(dá)、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）都是近年汽車電子行業(yè)的熱點(diǎn)。由于它們的UHF模塊（LF模塊）工作在不同的時(shí)間段，因此完全有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)用，這樣不僅節(jié)約了系統(tǒng)硬件開銷，也提高了系統(tǒng)的集成度。
??? 智能無匙門控系統(tǒng)是當(dāng)前汽車電子技術(shù)的熱點(diǎn)應(yīng)用，符合未來汽車智能安全的發(fā)展方向，將成為未來汽車必備的安全駕駛配備之一。通過對(duì)MICROCHIP公司微控制芯片PIC16F639及無線接收芯片RX3310A等的應(yīng)用，得出一套較完整的PKE系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)在成本、功耗、通信距離及可靠性方面均達(dá)到較高指標(biāo)；同時(shí)，還可用于遙控車庫(kù)門控、引擎啟動(dòng)控制、停車位控制等系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
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