《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 通信與網絡 > 設計應用 > 基于遙控門禁(RKE)系統(tǒng)的設計要求
基于遙控門禁(RKE)系統(tǒng)的設計要求
EEWORLD
摘要: 隨著RKE在新車市場和售后配件市場的普及,遙控門禁(RKE)系統(tǒng)在汽車用戶中越來越受歡迎。本篇應用筆記...
Abstract:
Key words :

  摘要:隨著RKE在新車市場和售后配件市場的普及,遙控門禁(RKE)系統(tǒng)在汽車用戶中越來越受歡迎。本篇應用筆記介紹了RKE系統(tǒng)并討論系統(tǒng)設計如何滿足發(fā)射距離、電池壽命、可靠性、成本等各項要求。該應用筆記給出了實際電路和設計方法,并提出雙向通信系統(tǒng)在未來的發(fā)展趨勢。

  遙控門禁(RKE)系統(tǒng)已經備受用戶的青睞,北美80%以上、歐洲70%以上的新車均安裝了RKE系統(tǒng)。除了顯而易見的便捷性,RKE用于開啟汽車制動裝置的技術還具有防盜作用。歐洲汽車生產廠商與保險公司合作,要求購置汽車保險時汽車要安裝RKE系統(tǒng)。德國已開始推行這一政策,預計在幾年內會擴展到整個歐洲。

  大多數(shù)RKE系統(tǒng)采用單向(單工)通信,但第二代、第三代RKE系統(tǒng)將提供返回到鑰匙的逆向通信雙工操作,可以通知車主需要加油或需要增加左前輪胎壓。

  RKE系統(tǒng)包括鑰匙扣(或鑰匙)中的一個無線發(fā)射器,它向安裝在車內的接收器發(fā)出一串短脈沖數(shù)子信號,信號經過解碼,通過接收器控制傳動機構,打開或關閉車門或行李箱。在美國和日本該無線載波頻率為315MHz,歐洲則使用433.92MHz (ISM頻段)。日本的RKE系統(tǒng)采用頻移鍵控FSK調制,其他絕大部分國家則采用幅移鍵控ASK調制,它的載波幅度調制在兩個電平。為了減小功耗,通常取低電平接近于0,于是產生了開關鍵控(OOK)調制。

  RKE系統(tǒng)說明和設計目標

  典型的RKE系統(tǒng)(圖1)是在鑰匙扣或鑰匙上安裝一個微控制器。對于汽車而言,按下控制裝置一個按鈕,將喚醒微控制器。微控制器向鑰匙的射頻發(fā)射器送出一串64位或128位的數(shù)據流,經過載波調制,用簡單的環(huán)狀印制板天線(雖然效率不高,但環(huán)狀天線可以設置在PCB上,造價低廉,使用廣泛)輻射出去,實施*操作。

 

  圖1. RKE系統(tǒng)包括一個鑰匙扣發(fā)射電路(圖中下部)和車輛內部的接收機(圖中上部)。

  在車輛中,射頻接收器捕捉到發(fā)射數(shù)據,并直接將它傳到另一個微控制器,完成解碼后發(fā)出正確的控制信息,以啟動引擎或打開車門。具有多個按鈕的鑰匙控制器還可以選擇打開駕駛門、全部車門或行李箱等。

  數(shù)據流以2.4kbps至20kbps速率發(fā)射,通常由以下字段組成:前導碼、操作碼、校驗位和"滾動碼",滾動碼在每次使用后會修改自身數(shù)值,以保證車輛的安全性。如果沒有滾動碼,發(fā)送的信號可能會意外地開啟另一車輛,或由于發(fā)射碼每小偷盜取,然后用它開啟車輛。

  有幾個主要目標支配著RKE系統(tǒng)的設計。與所有大批量生產的汽車零部件一樣,它們都必須具備低成本和高可靠性。發(fā)射機和接收機都應該消耗最小功率,因為更換鑰匙控制器的電池非常麻煩,為汽車電池充電更為復雜。RKE系統(tǒng)設計人員一方面要關注這些要求,另一方面還必須確保一定的接收靈敏度、載波容限以及其它技術參數(shù),在滿足低成本、小電流限制的情況下,實現(xiàn)最大的發(fā)射范圍。

  其它的限制包括:當?shù)貙嚯x通信設備的管理規(guī)定,例如美國的FCC規(guī)定。近距離通信設備不需要申請許可證,但產品本身受各國的不同法律和規(guī)則制約。對于美國,相關管理文件是聯(lián)邦政府管理條例(CFR),標題47的第15部分,它覆蓋了260MHz至470MHz波段(15.231節(jié))和902MHz至928MHz波段(15.249節(jié)) (請參考:http://www.access.gpo.gov/nara/cfr/waisidx_01/47cfr15_01.html)。

  以下提供了一些FCC標準對RKE設計的限制。

  按照15.231節(jié)規(guī)定,允許設備發(fā)射命令或控制信號、 ID碼,允許在緊急情況下發(fā)射無線控制信號,但不能是聲音或圖像信號、玩具控制信號或連續(xù)數(shù)據。

  傳輸時間不能超過5秒;只有當重復傳輸頻率低于每小時一次時,才允許固定間隔、持續(xù)時間可以達到1秒(最長)的發(fā)射周期。

  發(fā)射天線三米以內的最大場強在3750?V/m到12500?V/m以內,線性正比于基頻頻率(260至470MHz)。

  頻帶內下降20dB的頻偏不超過中心頻率的0.25%;雜散輻射應該比基頻信號的增益衰減20dB。

  以下各部分詳細探討與RKE系統(tǒng)設計相關的問題,先從載波頻率的產生開始。

  載波發(fā)生器

  第一代RKE電路使用了聲表面波(SAW)器件產生發(fā)射器的RF載波和接收器的本振(LO)。不幸的是,SAW器件初始頻率的不確定性至少為±100kHz,并且隨溫度變化其頻率穩(wěn)定性相對較差。在接收端,如果IF通帶過寬,則在接收載波時會收到過多的噪聲,從而限制了汽車響應鑰匙控制信號的距離。

  目前可以代替SAW器件的方案是選擇基于晶體的鎖相環(huán)(PLL)。PLL的使用主要源自日益嚴格的RF輻射規(guī)則,尤其是在歐洲和日本。使用晶振PLL的發(fā)射器比使用SAW諧振器的發(fā)射器價格略微貴一點,但精度一般提高十倍。因此接收器具有較窄的IF帶寬,由于提高了SNR,可以提高發(fā)射距離。

  早期的SAW器件設計工作在帶寬為1.74MHz的433MHz頻段(433.05MHz至434.79MHz)的中點,以保證在工藝和溫度變化時保證系統(tǒng)的可靠性。因此,對標稱載波頻率為433MHz的應用,現(xiàn)在頻率是433.92MHz,于是必須根據這一頻率選擇PLL晶體。

  目前,發(fā)送和接收芯片均內置鎖相環(huán),只需要一個外接晶振,以產生有效的RKE信號(參考本文補充說明:用于RKE的IC)。例如,Maxim的MAX1470 PLL包含64分頻電路和低端注入的10.7MHz中頻電路(該芯片可以工作在433.92MHz,但在315MHz,其鏡頻抑制能力最佳)。按照315MHz工作頻率,所要求的晶體頻率為fXTAL = (fRF - 10.7)/64 = 4.7547 (單位為MHz)。該IC要求在XTAL1和XTAL2引腳加上振蕩頻率為315MHz的晶體和一個5pF的電容。關于晶體頻率的調節(jié),請參考應用筆記1017:如何為MAX1470超外差接收機選擇石英晶體振蕩器。

  節(jié)省功耗

  由于電池的使用壽命非常重要,RKE系統(tǒng)采用了各種技術降低工作電流和"開機時間"。接收器PLL的壓控振蕩器(VCO)是這一設計細節(jié)的范例,接收器需要保持幾乎不間斷的檢測狀態(tài),以免漏過打開車輛的命令;而為了省電需要盡可能地將其置于關機狀態(tài),甚至在檢查之間的短暫間隔內。

  控制器的發(fā)射裝置通常連續(xù)發(fā)送4組10ms的數(shù)據流(共計40ms左右),以確保接收器至少捕捉到它們中的一組。接收器可以每隔20ms執(zhí)行一次查詢操作,力圖至少捕獲兩組數(shù)據,以便有足夠的余量消除時序誤差和噪聲。譯碼時間大約需要0.75ms (足夠接收7或8位數(shù)據),用來判斷是否為有效數(shù)據。

  除了譯碼時間外,輪詢操作必須首先具備接收器"喚醒"和穩(wěn)定時間。大多數(shù)放大電路可以快速喚醒,但VCO晶體是機電元件,它需要一定的起振時間,當然,它還需要更長的時間才能穩(wěn)定在所要求的頻率。對于傳統(tǒng)的超外差接收機,該時間通常需要2ms至5ms。而MAX1470的VCO從上電到晶體穩(wěn)定振蕩只需0.25ms。于是,在每20ms內,通過喚醒檢測發(fā)射信號只需要1ms (0.75ms解碼、0.25ms穩(wěn)定) (圖2)??煽焖賳拘训腗AX1470工作電壓為3.3V,而不是5V,這是節(jié)省能量并延長電池壽命的四個或五個因素中的一個(相對于傳統(tǒng)的超外差接收機)。

   圖2. 為監(jiān)測鑰匙控制器的發(fā)送數(shù)據,在解碼收到信號之前,RKE接收器必須分配時間,用來喚醒和建立穩(wěn)定。

  嚴格來講,RKE是近距離通信技術,有源系統(tǒng)的傳輸距離可以達到20m,無源RKE系統(tǒng)的通信距離是1至2m,既使是近距離傳輸,保證低功耗和低成本設計對于RF電路也是一個挑戰(zhàn)。為簡單起見,發(fā)射器和接收器的天線由PCB上的環(huán)形或矩形印制導線組成,并用一個簡單的LC網絡,以達到天線與發(fā)射器或接收器芯片的阻抗匹配(參考應用筆記1830:How to Tune and Antenna Match the MAX1470 Circuit)。

  增加一個低噪聲放大器(LNA)?

  由于FCC規(guī)定必須使用低發(fā)射功率,小的電池容量以及發(fā)射天線朝向的不確定性等因素,要求RKE接收芯片具有極高的靈敏度。提高接收靈敏度的一個方法是增加一個低噪聲放大器(圖3),但這種方法會降低動態(tài)范圍,在具體應用中可能無法接受??梢钥紤]一下對MAX1470超外差接收器的分析。

   圖3. 添加一個外部LNA (MAX2640),提高接收靈敏度,但降低了三階交調截點。

  接收靈敏度取決于它的噪聲系數(shù)、載波調制檢波所要求的最低信噪比S/N和系統(tǒng)的熱噪聲:

  S = NF + n0 + S/N,   式1

  其中,S為所要求的最小信號電平,以dBm為單位;NF為接收器的噪聲系數(shù),以dBm為單位;n0為接收器的熱噪聲功率,以dBm為單位;S/N為滿足信號檢波的輸出信噪比,以dBm為單位(通?;诳山邮艿恼`碼率)。

  為簡化起見,對基于曼徹斯特編碼的數(shù)據,估計其S/N為5dB,根據定義,可以得到:

  n0 = 10log10(kTB/1E-3),

  其中,k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38E-23),T為溫度,以開氏度為單位;B為系統(tǒng)噪聲帶寬,在室溫(T = 290°K)下,1Hz帶寬時, n0 = -174dbm/Hz。相對300kHz IF帶寬, n0 = - 119dbm。

  假定系統(tǒng)靈敏度(S)是-109dBm,用式1可以算出噪聲系數(shù)NF = 5dB。噪聲系數(shù)(NF)與噪聲因數(shù)(F)之間的關系為:(NF)dB = 10logF,其中F = 10(NFdB/10)。所以,F(xiàn) = 3.162。對于多個雙端口部件級聯(lián)的情況,噪聲系數(shù)為:

  FTotal = F1 + (F2-1)/G1 + (F3-1)/(G1*G2) + . . .   式2

  利用式2可以對系統(tǒng)增加了外部LNA時的新噪聲因數(shù)進行計算。對于Maxim的MAX2640 LNA,NF = 1dB、增益 = 15dB (也就是,F(xiàn)1 = 1.26,G1 = 31.62)。原系統(tǒng)的噪聲因數(shù)是3.162,所以,F(xiàn)Total = 1.327,即1.23dB,代入式1得到:

  S = 1.23 - 119 + 5 = -112.77dB。

  假定原靈敏度是-109dB,加上LNA后僅僅獲得了3.77dB的提高。考慮三階交調截點(IIP3)對動態(tài)范圍的影響,MAX1470有16dB的內部LNA增益和-18dBm的內部混頻器IIP3,而總的IIP3為-34dBm。加上具有15dB增益的外部LNA,將這個數(shù)字降低到-49dBm。因此外部LNA的加入對靈敏度大約有4dB的改善,但系統(tǒng)動態(tài)范圍降低了15dB!對于指定的應用場合,必須考慮這種折衷。

  發(fā)展方向

  下一步RKE系統(tǒng)的發(fā)展將會涉及雙向(半雙工)通信,目前它已經以"無源RKE"的形式應用在某些高端車輛中。當駕駛人員靠近汽車時,汽車發(fā)射裝置不斷輪詢,以確定駕駛人員的接近。在一定范圍內(1至2米),控制器和車輛建立雙向通信,并打開車門。目前的雙向系統(tǒng)除了包含確認功能(確認車門已鎖)之外,還包含遙控啟動功能,它使駕駛者在一段距離之外可以啟動發(fā)動機。

  未來的發(fā)展可能包括輪胎氣壓檢測(TPS)技術,與無源RKE一樣,當前TPS僅用于某些卡車和豪華汽車。TPS系統(tǒng)與RKE有很多相似之處,將類似于RKE的控制器與測壓、測溫傳感器集成在一起,安裝在每只輪胎的閥座上。每只車胎定時向車內的接收器(類似于RKE接收器)發(fā)送信息,向駕駛員提供出現(xiàn)任何輪胎問題的預警。TPS和RKE具有很多相似之處(近距離、簡單調制、需要省電等等),未來的系統(tǒng)很可能會通過共用和合并電路降低成本。

  RKE有可能演變成一種半雙工系統(tǒng),在打開車門之前,通知司機汽車的狀態(tài)以及是否需要加油等。如果證明RKE耐用、可靠,它將逐步淘汰目前的鑰匙和開啟車門的相關硬件。

  用于RKE的CMOS IC

  Maxim是為數(shù)不多的可以提供RKE產品的廠商之一,可生產特定功能的用于RKE市場的集成電路。對于鑰匙扣控制器,Maxim提供目前業(yè)界最小的300MHz至450MHz發(fā)送器—MAX1472,該器件采用微型3mm x 3mm、8引腳SOT23封裝。其2.1V 至3.6V的供電范圍使器件可以采用單節(jié)鋰離子電池供電,待機模式下僅消耗5nA電源電流。

  在傳輸曼徹斯特編碼數(shù)據時,MAX1472支持高達100kbps的數(shù)據傳輸速率,消耗3.0mA和5.5mA電源電流,同時可向50Ω負載提供-10dBm至+10dBm的輸出功率?;诰w的鎖相環(huán)產生精確的載波頻率,允許接收器使用較窄的IF帶寬,從而提高傳輸距離。為了降低功耗,內部振蕩器可快速起振,發(fā)出使能信號之后,啟動時間僅需220?s。

  對于汽車上的接收器,可以考慮使用300MHz至450MHz的超外差ASK接收器MAX1473。該器件具有-114dBm的高靈敏度,且全差分混頻器具有50dB的鏡頻抑制。MAX1473優(yōu)化工作于315MHz或433MHz。該芯片采用3.3V或5V電源,包括低噪聲放大器(LNA)、全差分鏡頻抑制混頻器、基于晶體的PLL提供本振,并具有接收信號強度指示(RSSI)的10.7MHz IF限幅放大器。內部數(shù)據濾波器和數(shù)據限幅器提供數(shù)據輸出,另外,還可選擇接收器MAX1470,該芯片與MAX1473類似,區(qū)別是只是優(yōu)化工作于315MHz,工作在3.0V至3.6V電源范圍。

此內容為AET網站原創(chuàng),未經授權禁止轉載。