目前，安全和保密在多個市場領(lǐng)域中都成為差異化應(yīng)用解決方案的重要部分。汽車行業(yè)也不例外。消費者的快速接受進一步促進了汽車行業(yè)中許多新興熱點應(yīng)用的發(fā)展。安全和保密解決方案在消費市場和汽車市場之間提供了一個協(xié)作的橋梁。許多分析師都預(yù)測到2008年全球汽車半導(dǎo)體市場將超過170億美元。隨著安全和保密應(yīng)用的快速發(fā)展，這一熱點應(yīng)用將有可能占未來四年時間里總有效市場（TAM）的近三分之一。
汽車安全應(yīng)用所使用的典型遙控開門系統(tǒng)包括一個安裝在汽車上的控制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（或發(fā)射器）一般包括一個微控制器（MCU）、RF器件以及按鈕和LED等人機接口器件。收發(fā)器（或發(fā)射器）通常關(guān)閉，只在按下按鈕或需要發(fā)送數(shù)據(jù)時才工作。傳統(tǒng)的發(fā)射器用來向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，也可接收數(shù)據(jù)，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(xiàn)自動通信，不需要人機接口。
利用兩個頻率可實現(xiàn)低成本雙向通信收發(fā)器，其中 125 kHz用于接收數(shù)據(jù)，UHF （315、 433、868或915 MHz）用于發(fā)射數(shù)據(jù)。由于125 kHz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。由于收發(fā)器本身仍然可以提供按鈕用于可選的其它操作，因此其單向（從收發(fā)器到控制器）發(fā)送按鈕信息的范圍可以更長。
在此類應(yīng)用中，控制器利用125kHz頻率發(fā)送命令，同時不斷搜索有效范圍內(nèi)UHF頻率的收發(fā)器響應(yīng)。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(yīng)。這就是通常所說的被動遙控開門（PKE）系統(tǒng)。傳統(tǒng)搖控開門系統(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。利用包括數(shù)字和低頻前端電路的集成片上系統(tǒng)（SoC）智能MCU可以實現(xiàn)低成本PKE收發(fā)器。
由于PKE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。因此面臨的問題是，收發(fā)器能否像傳統(tǒng)的人機接口一樣可靠工作，收發(fā)器（即車鑰匙）的價格能不能做到與傳統(tǒng)解決方案差不多？
歐洲豪華汽車生產(chǎn)商早已經(jīng)采用了增強安全和保密特色功能，隨著大型亞洲OEM廠商（豐田、尼桑、現(xiàn)代、馬自達以及大伍等）也開始在他們的大眾市場汽車平臺中采用此類PKE系統(tǒng)，形勢正在迅速變化。這一趨勢所帶來的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)將會使得PKE系統(tǒng)的性能價格比對于最終客戶更具吸引力，從而保證價格能夠為消費者接受。
智能無線系統(tǒng)
表1，PKE智能收發(fā)器要求和解決方案
目前，安全和保密在多個市場領(lǐng)域中都成為差異化應(yīng)用解決方案的重要部分。汽車行業(yè)也不例外。消費者的快速接受進一步促進了汽車行業(yè)中許多新興熱點應(yīng)用的發(fā)展。安全和保密解決方案在消費市場和汽車市場之間提供了一個協(xié)作的橋梁。許多分析師都預(yù)測到2008年全球汽車半導(dǎo)體市場將超過170億美元。隨著安全和保密應(yīng)用的快速發(fā)展，這一熱點應(yīng)用將有可能占未來四年時間里總有效市場（TAM）的近三分之一。
汽車安全應(yīng)用所使用的典型遙控開門系統(tǒng)包括一個安裝在汽車上的控制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（或發(fā)射器）一般包括一個微控制器（MCU）、RF器件以及按鈕和LED等人機接口器件。收發(fā)器（或發(fā)射器）通常關(guān)閉，只在按下按鈕或需要發(fā)送數(shù)據(jù)時才工作。傳統(tǒng)的發(fā)射器用來向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，也可接收數(shù)據(jù)，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(xiàn)自動通信，不需要人機接口。
利用兩個頻率可實現(xiàn)低成本雙向通信收發(fā)器，其中 125 kHz用于接收數(shù)據(jù)，UHF （315、 433、868或915 MHz）用于發(fā)射數(shù)據(jù)。由于125 kHz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。由于收發(fā)器本身仍然可以提供按鈕用于可選的其它操作，因此其單向（從收發(fā)器到控制器）發(fā)送按鈕信息的范圍可以更長。
在此類應(yīng)用中，控制器利用125kHz頻率發(fā)送命令，同時不斷搜索有效范圍內(nèi)UHF頻率的收發(fā)器響應(yīng)。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(yīng)。這就是通常所說的被動遙控開門（PKE）系統(tǒng)。傳統(tǒng)搖控開門系統(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。利用包括數(shù)字和低頻前端電路的集成片上系統(tǒng)（SoC）智能MCU可以實現(xiàn)低成本PKE收發(fā)器。
由于PKE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。因此面臨的問題是，收發(fā)器能否像傳統(tǒng)的人機接口一樣可靠工作，收發(fā)器（即車鑰匙）的價格能不能做到與傳統(tǒng)解決方案差不多？
歐洲豪華汽車生產(chǎn)商早已經(jīng)采用了增強安全和保密特色功能，隨著大型亞洲OEM廠商（豐田、尼桑、現(xiàn)代、馬自達以及大伍等）也開始在他們的大眾市場汽車平臺中采用此類PKE系統(tǒng)，形勢正在迅速變化。這一趨勢所帶來的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)將會使得PKE系統(tǒng)的性能價格比對于最終客戶更具吸引力，從而保證價格能夠為消費者接受。
智能無線系統(tǒng)
表1，PKE智能收發(fā)器要求和解決方案
為了使PKE收發(fā)器可靠地工作并且成功地取代傳統(tǒng)RKE發(fā)射器，需要滿足一定的條件。表1概述了其中主要的一些要求和相應(yīng)的解決方案。盡管看起來PKE收發(fā)器似乎需要復(fù)雜的成本較高的電路才能實現(xiàn)，但實際上隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，智能MCU集成了實現(xiàn)安全雙向通信所需要的所有功能，因此實際上利用相對簡單的低成本電路就可以實現(xiàn)。
圖1，傳統(tǒng)遙控開門（RKE）系統(tǒng)，數(shù)據(jù)從RKE發(fā)射器傳輸?shù)娇刂破?，因此是單向通信?/p>
圖1給出的是一個傳統(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)行元件打開車門。
圖2，智能被動遙控自動開門（PKE）系統(tǒng)
智能被動遙控自動開門（PKE）系統(tǒng)，采用雙向通信。收發(fā)器（鑰匙）利用三個正交放置的LC共振天線接收控制器命令（125 kHz），并通過UHF發(fā)射器發(fā)送響應(yīng)。
圖2給出的是一個智能PKE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。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)器通過一個UHF發(fā)射器發(fā)送響應(yīng)（加密數(shù)據(jù)）；
?。╠）控制器接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)正確則激活開關(guān)打開車門。
系統(tǒng)設(shè)計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)器電池壽命足夠長的情況下保證可靠的操作。
雙向通信范圍對輸入靈敏度的要求
在電池供電的收發(fā)器應(yīng)用中，UHF信號（315/433/915 MHz）的最大通信距離約為100米，但對于低頻信號（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。由于低頻信號的傳輸特性，125KHz信號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。檢測微弱信號是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的一個極具挑戰(zhàn)性的問題。
有人也許會有疑問，為什么不在兩個方向都使用UHF來實現(xiàn)雙向通信。對這個問題的答案是：首先在收發(fā)器中實現(xiàn)UHF接收器的成本遠比125 kHz檢測電路要高，其次，三米的距離對于大多數(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)達到最大的發(fā)射功率，那么此時提高輸入信號檢測靈敏度是唯一有效的解決方案。為達到三米的雙向通信距離，收發(fā)器的輸入靈敏度必須達到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)射的電磁波的磁場通過收發(fā)器的線圈天線時，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是磁場強度、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達到最大，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）正對著控制器天線。
天線方向問題的解決方案
從天線輻射出來的任何射頻信號傳播時都有一定的方向角，如果采用良好的天線，那么會有很好的方向性（即較窄的輻射角）。從LC諧振電路輻射出來的低頻（125kHz）信號其方向性沒有高頻信號好，但仍然包含方向性場分量。對于特定的收發(fā)器設(shè)計，低頻信號的通信范圍（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天線面對面放置。
對于不需人為干預(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)器有三個正交排列的天線，那么這一可能性提高到約100%。三個天線分別置于x、y和z方向。通過采用三個正交天線，收發(fā)器能夠接收到控制器從任何方向發(fā)射來的信號。
圖 3，收發(fā)器天線方向問題圖示。當(dāng)收發(fā)器天線與磁場強度B垂直時，收發(fā)器接收到的感生電壓最大，此時收發(fā)器電路與控制器天線正好處于面對面的位置。
采用特殊的喚醒濾波器延長電池使用時間
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，延長電池使用時間，需要仔細地管理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。與此同時，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，數(shù)字電路部分才會被喚醒。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(yù)先設(shè)定的頭標(biāo)志時才會產(chǎn)生輸出。
圖 4，當(dāng)輸入與喚醒濾波器預(yù)設(shè)時序相符時的輸入信號和檢測器輸出。檢測器輸出會喚醒數(shù)字電路部分。
圖4給出了一個例子。其中當(dāng)控制器命令與預(yù)先編程的濾波器時序相匹配時LF檢測器才能產(chǎn)生輸出。解調(diào)后的檢測器輸出會喚醒數(shù)字電路部分。圖5則給出了當(dāng)輸入（控制器命令）與預(yù)先設(shè)定的喚醒濾波器要求不相符合時的情況。因此，此時檢測器輸出無效，數(shù)字電路部分也不會被喚醒。喚醒濾波器用來防止數(shù)字電路部分由于噪聲或其它輸入信號而被錯誤喚醒。這樣就可以減小工作電流并延長電池壽命。
圖 5，當(dāng)輸入與喚醒濾波器預(yù)設(shè)時序不匹配時的輸入信號和檢測器輸出。輸入檢測器的輸出無效，因此，數(shù)字電路部分不會被喚醒。
智能PKE收發(fā)器的應(yīng)用
圖6示出了一個利用智能MCU構(gòu)成的PKE收發(fā)器的例子。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(yīng)用，特別是汽車和安全行業(yè)中的應(yīng)用。
圖 6，采用智能MCU的被動遙控開門（PKE）收發(fā)器配置實例。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。
（a）汽車行業(yè)
智能被動遙控開門（PKE）系統(tǒng)
遙控車庫門鎖和開門系統(tǒng)
引擎啟動控制
輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)LF啟動傳感器
?。╞）安全行業(yè)：
長距離訪問控制
停車位控制
自動房門開關(guān)
利用雙向通信方法可以實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)無電池工作。
圖 7，被動遙控開門（PKE）收發(fā)器多種應(yīng)用示例，一個收發(fā)器可用于多種不同的使用控制應(yīng)用。
不僅僅在汽車市場上，事實上日常生活中的每一天里，安全和保密功能已經(jīng)成為消費者日益關(guān)注的問題。政府法規(guī)、消費者以及汽車生產(chǎn)商的互動正在共同推動可提高汽車安全性，同時又不會犧牲舒適性的創(chuàng)新努力。汽車中不斷增加的通信應(yīng)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(shù)可以將汽車中的獨立子系統(tǒng)整合起來。這也預(yù)示著汽車乘員安全性和汽車系統(tǒng)保密性方面的下一次革命。
圖 8，輪胎壓力監(jiān)控傳感器應(yīng)用示例：（a） LF控制器發(fā)送LF命令給輪胎內(nèi)的壓力監(jiān)控模塊；（b）高輸入靈敏度的智能MCU接收到LF命令并通過UHF發(fā)射器將輪胎壓力數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器。