智能无线通信瞄准汽车安全应用

      目前，安全和保密在多个市场领域中都成为差异化应用解决方案的重要部分。汽车行业也不例外。消费者的快速接受进一步促进了汽车行业中许多新兴热点应用的发展。安全和保密解决方案在消费市场和汽车市场之间提供了一个协作的桥梁。许多分析师都预测到2008年全球汽车半导体市场将超过170亿美元。随着安全和保密应用的快速发展，这一热点应用将有可能占未来四年时间里总有效市场（TAM）的近三分之一。

汽车安全应用所使用的典型遥控开门系统包括一个安装在汽车上的控制器和一个由用户携带的收发器（或发射器，即无线遥控车门钥匙）。收发器（或发射器）一般包括一个微控制器（MCU）、RF器件以及按钮和LED等人机接口器件。收发器（或发射器）通常关闭，只在按下按钮或需要发送数据时才工作。传统的发射器用来向控制器发送数据，因此是单向通信。然而，这一情况正在改变。新型智能收发器即可发送数据，也可接收数据，因此是双向通信。在双向通信系统中，控制器（安装在汽车上）和收发器（即车钥匙）可以实现自动通信，不需要人机接口。

利用两个频率可实现低成本双向通信收发器，其中 125 kHz用于接收数据，UHF (315、 433、868或915 MHz)用于发射数据。由于125 kHz信号的传播能力不强，因此双向通信的范围通常在三米以下。由于收发器本身仍然可以提供按钮用于可选的其它操作，因此其单向(从收发器到控制器)发送按钮信息的范围可以更长。

在此类应用中，控制器利用125kHz频率发送命令，同时不断搜索有效范围内UHF频率的收发器响应。智能收发器通常处于接收模式，等待有效的125kHz控制器命令。如果接收到有效的控制器命令，那么收发器将通过UHF频率做出响应。这就是通常所说的被动遥控开门（PKE）系统。传统摇控开门系统中的发射器和新型被动遥控开门系统中的收发器之间最大的差别是后者拥有用于双向通信的125kHz电路。利用包括数字和低频前端电路的集成片上系统（SoC）智能 MCU可以实现低成本PKE收发器。

由于PKE收发器的工作依赖于与控制器间的自动通信，不需要人机接口，因此系统工作的可靠性直接依赖于控制器和收发器之间的信号状况。因此面临的问题是，收发器能否像传统的人机接口一样可靠工作，收发器（即车钥匙）的价格能不能做到与传统解决方案差不多？

欧洲豪华汽车生产商早已经采用了增强安全和保密特色功能，随着大型亚洲OEM厂商（丰田、尼桑、现代、马自达以及大伍等）也开始在他们的大众市场汽车平台中采用此类PKE系统，形势正在迅速变化。这一趋势所带来的规模经济效应将会使得PKE系统的性能价格比对于最终客户更具吸引力，从而保证价格能够为消费者接受。

智能无线系统


表1，PKE智能收发器要求和解决方案


为了使PKE收发器可靠地工作并且成功地取代传统RKE发射器，需要满足一定的条件。表1概述了其中主要的一些要求和相应的解决方案。尽管看起来PKE 收发器似乎需要复杂的成本较高的电路才能实现，但实际上随着半导体技术的发展，智能MCU集成了实现安全双向通信所需要的所有功能，因此实际上利用相对简单的低成本电路就可以实现。


图1，传统遥控开门（RKE）系统，数据从RKE发射器传输到控制器，因此是单向通信。


图1给出的是一个传统RKE系统。一旦按钮被按下，RKE发射器就发射数据。控制器接收到数据后，如果数据正确就控制执行元件打开车门。


图2，智能被动遥控自动开门（PKE）系统，采用双向通信。收发器（钥匙）利用三个正交放置的LC共振天线接收控制器命令（125 kHz），并通过UHF发射器发送响应。

图2给出的是一个智能PKE系统。收发器上的按钮用于可选操作，但开车门的动作并不需要人工干扰即可自动完成。PKE应用的双向通信顺序如下：

(a) 控制器利用125 KHz频率发送命令；
(b) 收发器利用三个正交排列的125 kHz共振天线接收125 kHz控制器命令；
(c) 如果命令正确，收发器通过一个UHF发射器发送响应（加密数据）；
(d) 控制器接收到响应数据，如果数据正确则激活开关打开车门。


系统设计工程师所面临的挑战是决定如何提高125 kHz控制器命令的发射范围，从而在保证收发器电池寿命足够长的情况下保证可靠的操作。

双向通信范围对输入灵敏度的要求

在电池供电的收发器应用中，UHF信号(315/433/915 MHz)的最大通信距离约为100米，但对于低频信号(LF, 125 KHz)则仅有数米。因此，双频率PKE收发器的通信范围主要受到125 KHz控制器命令发射范围的限制。由于低频信号的传输特性，125KHz信号随着传输距离衰减得很快。例如，假设控制器输出的天线电压约300 Vpp，那么大约三米处的收发器天线接收到的电压则仅有约3mVpp，这与环境噪声的水平差不多。检测微弱信号是系统设计人员面临的一个极具挑战性的问题。

有人也许会有疑问，为什么不在两个方向都使用UHF来实现双向通信。对这个问题的答案是：首先在收发器中实现UHF接收器的成本远比125 kHz检测电路要高，其次，三米的距离对于大多数PKE应用都足够了。

为提高125 kHz控制器命令的传输范围，有两种可能的解决方案可以考虑：提高控制器的发射功率，或者提高收发器的输入灵敏度。然而由于政府管制要求，发射器的最大功率是有限的。因此，假设控制器在允许的范围内达到最大的发射功率，那么此时提高输入信号检测灵敏度是唯一有效的解决方案。为达到三米的双向通信距离，收发器的输入灵敏度必须达到3mVpp左右。

收发器的低频率天线（例如125 KHz）采用的是LC谐振电路。当控制器天线发射的电磁波的磁场通过收发器的线圈天线时，LC谐振电路感生出电压。接收线圈的电压由下式确定：

其中，fo 是谐振频率、N是线圈的匝数、S是线圈的截面积、Q是线圈的品质因数、Bo是磁场强度、a是发射器和接收天线线圈之间的方向角。天线的调谐频率fo 由下式给出：
 

在LC谐振电路物理限制给定的情况下，收发器的输入接收电压在以下情况时达到最大，LC电路调谐到控制器命令的载波频率（125 kHz），或天线线圈（电感L）正对着控制器天线。



天线方向问题的解决方案

从天线辐射出来的任何射频信号传播时都有一定的方向角，如果采用良好的天线，那么会有很好的方向性（即较窄的辐射角）。从LC谐振电路辐射出来的低频（125kHz）信号其方向性没有高频信号好，但仍然包含方向性场分量。对于特定的收发器设计，低频信号的通信范围（感生电压）取决于控制器和收发器电线的耦合情况。耦合最佳的情况是两个天线面对面放置。

对于不需人为干预的PKE应用，收发器（钥匙）在车主口袋中可能处于任意角度。因此，收发器天线与固定在车上的控制器天线处于最佳耦合位置的可能性为 30%（x、y、z方向）。如果收发器有三个正交排列的天线，那么这一可能性提高到约100%。三个天线分别置于x、y和z方向。通过采用三个正交天线，收发器能够接收到控制器从任何方向发射来的信号。


图3，收发器天线方向问题图示。当收发器天线与磁场强度B垂直时，收发器接收到的感生电压最大，此时收发器电路与控制器天线正好处于面对面的位置。

采用特殊的唤醒滤波器延长电池使用时间


由于MCU集成了大多数功能，因此其功耗也最大。所以，为了节省功耗，延长电池使用时间，需要仔细地管理MCU的工作。在非激活模式下，MCU中处于工作状态的电路必须尽量少。收发器中的智能MCU同时包括了低频（LF）前端和数字部分。LF前端部分不断寻找输入信号。与此同时，数字电路部分则处于睡眠模式以减少电池消耗。只有在接收到正确的控制器命令时，数字电路部分才会被唤醒。通过在LF前端部分采用特殊的唤醒滤波器可以做到这一点。通过对LF检测电路进行编程，使得只有输入信号带有预先设定的头标志时才会产生输出。


图4，当输入与唤醒滤波器预设时序相符时的输入信号和检测器输出。检测器输出会唤醒数字电路部分。


图4给出了一个例子。其中当控制器命令与预先编程的滤波器时序相匹配时LF检测器才能产生输出。解调后的检测器输出会唤醒数字电路部分。图5则给出了当输入（控制器命令）与预先设定的唤醒滤波器要求不相符合时的情况。因此，此时检测器输出无效，数字电路部分也不会被唤醒。唤醒滤波器用来防止数字电路部分由于噪声或其它输入信号而被错误唤醒。这样就可以减小工作电流并延长电池寿命。


图5，当输入与唤醒滤波器预设时序不匹配时的输入信号和检测器输出。输入检测器的输出无效，因此，数字电路部分不会被唤醒。


智能PKE收发器的应用



图6示出了一个利用智能MCU构成的PKE收发器的例子。由于其通用的智能功能，以及其低成本优势，智能收发器能够用于多种应用，特别是汽车和安全行业中的应用。

图6，采用智能MCU的被动遥控开门（PKE）收发器配置实例。收发器采用三个正交放置的天线来探测来自x、y和z方向的输入信号。


(a)汽车行业:


智能被动遥控开门（PKE）系统
遥控车库门锁和开门系统
引擎启动控制
轮胎压力监控系统LF启动传感器

(b)安全行业:

长距离访问控制
停车位控制
自动房门开关

利用双向通信方法可以实现智能无线汽车通信。采用集成式片上系统（SoC）智能微控制器（MCU）可以实现低成本双向通信收发器。通过在收发器中增加一个简单的电压充电电路，利用输入的低频率控制器命令来生成一个直流电压，那么还可以实现无电池工作。


图7，被动遥控开门（PKE）收发器多种应用示例，一个收发器可用于多种不同的使用控制应用。


不仅仅在汽车市场上，事实上日常生活中的每一天里，安全和保密功能已经成为消费者日益关注的问题。政府法规、消费者以及汽车生产商的互动正在共同推动可提高汽车安全性，同时又不会牺牲舒适性的创新努力。汽车中不断增加的通信应用使得安全和保密功能被集成到更广泛的汽车平台中。不断发展的无线通信技术可以将汽车中的独立子系统整合起来。这也预示着汽车乘员安全性和汽车系统保密性方面的下一次革命。


图8，轮胎压力监控传感器应用示例：(a) LF控制器发送LF命令给轮胎内的压力监控模块；(b)高输入灵敏度的智能MCU接收到LF命令并通过UHF发射器将轮胎压力数据发送给控制器。