无线遥控开门系统在汽车安全应用中的应用
2010-12-20 14:56:58
来源：半导体器件应用网
1 引言
目前，汽车行业的无线遥控开门系统是属安全应用解决方案的重要部分。其安全解决方案能在消费市场和汽车市场之间提供了一个协作的桥梁。再则当前大多数汽车出厂时都安装了遥控钥匙（RKE）系统。但要给自己的老式、配件难寻的“传统”爱车也装上一套该怎么办呢？这也是消费者所关心的热门话题。为此本文将对汽车无线遥控开门系统的新型设计方案与应用发展作分析介绍。
当今，汽车安全应用所使用的典型无线遥控开门系统-遥控钥匙（RKE）系统，如图1所示。该系统组成包括一个安装在汽车上的控制器（或称接收器）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。收发器一般包括一个微控制器、RF器件以及按钮和LED等人机接口器件。微控制器可用DS89C440或PIC16F639，RF器件可用MAX7044或MAX1479或TRF6901。收发器通常关闭，只在按下按钮或需要发送数据时才工作。收发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。
2 无线遥控开门系统构建的设计思想
从上述无线遥控开门系统组成可看出，系统方案的设计思想是基于用微控制器构建发射器（遥控钥匙）与接收器。
众所周知，MAXQ系列是采用低噪声设计并为配合模拟电路工作而进行了优化的16位RISC微控制器，能够与RF接收器器件整合到一起构建模拟电路的最佳方案。
2.1 遥控钥匙(发射器或收发器)与接收器(车上控制器)
遥控钥匙可选用DS89C450-KIT和MAX7044或两个评估板（EV KIT），即DS89C450-KIT和MAX7044EVKIT （EVht）构成发射器。可以安装在一个壳体内，充电电池位于下方。如使用天线，发送距离超出标准钥匙链几个数量级。
接收器（车上控制器）可由并排安装在一起的MAXQ3212 16位微控制器和MAXl473接收器组成。其连线接到汽车的车体控制模块（BCM）上。若是在作调试或演示，可使用一个专门的MAXQ3212端口引脚以9600bps发送异步串行数据。
在此之所以采用MAXQ3212 16位微控制器，是因为MAXQ系列是采用低噪声设计并为配合模拟电路工作而进行了优化的16位RISC微控制器，除数字元件外还集成了高精密的模拟功能，因而应用方案需要的芯片数更少，能够与RF接收器器件MAXl473整合到一起构建模拟电路的最佳方案，而且基本不会干扰RF信号。其优异的功耗特性与强大的功能组合使产品的设计和构建更加简单，可缩短产品上市时间。
而RF接收器器件MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK（振幅变换调制）射频接收器平均灵敏度为-114dBm，正常工作仅消耗5.5mA（典型值）的电流。内置镜频抑制，无需通常使用的前端SAW滤波器。睡眠模式时，MAXl473可在小于250ps的时间内启动并发送数据，保证了更深的睡眠周期和更长的电池寿命。MAXl473可工作于3V至5V的电源电压。该300MHz至450MHz发送器和接收器的最大优点是能将RKE系统有效距离扩大一倍，可理想应用子电池供电设备，包括钥匙，汽车报警和胎压检测。
2.2 关于模拟信号强度测量
MAXl473接收器提供一个模拟接收信号强度指示器（RSSl），可对此信号进行测量。MAXQ3212内置一个模拟比较器，以比较VREF和CMPI输入，并可以在定时器输出引脚上产生脉宽调制信号（PWM）。图2示出了由比较器和PWM构建ADC的方法。将RSSI信号送到MAXQ3212比较器的VREF引脚端。然后将定时器编程为PWM模式，如果对该PWM进行适当滤波，就可产生DAC输出到T2PB引脚端，并将输出（即DAC）连接到比较器的另一个输入CMPI引脚端。比较器随后比较信号电平，如果信号匹配，可在没有专用硬件ADC的情况下成功进行了模数转换。
软件中没有采用逐次逼近法，而是采用斜率ADC。从一个合理的最小值开始，DAC输出缓慢增加，直到比较器指示匹配状态。
2.3 RF信号如何解码？
MAXl473接收器提供一路数字信号输出（DATAOUT）。由于RF噪声一直存在，无论钥匙链实际上是否在发送数据，该引脚都将连续转换状态。为将该噪声与信号区分开来，MAXQ微控制器必须采用一个小型软件状态机，测量上升沿和下降沿信号之间的时间，以识别前同步码。
而测量边沿间隔的最有效方法是使用中断触发技术。MAXQ可编程为上升沿或下降沿触发中断。将中断设置为“上升沿”触发，即开始测量。一旦探测到上升沿，复位并重启定时器，同时将中断触发边沿设置为“下降”沿。到下降沿时，中断处理程序读取定时器的值。这可用一小段程序以示一个代码段，该代码段读取和复位定时器，然后转换中断触发信号的极性。如果边沿间隔与8400bps数据率（加／减一个合理的容限）匹配，并检测到协议所指定的同步脉冲数，则微控制器软件状态机切换到接收模式，开始解析余下的数据包。
2.4 关于数据流--曼彻斯特编码的使用
由于制造商、型号以及出厂时间的不同，图1中所示的发射器（遥控钥匙）数据流（脉冲串）的协议的差异极大。而对这种售后的市场项目来说，使用可编程微控制器恰到好处。在此随意选用了8400bps曼彻斯特编码的数字数据流，并采用ASK（振幅变换调制）方式以433MHz进行发射。若要使用FSK（频率变换调制）或不同的发射频率，必须用不同的接收器芯片替换MAXl473。
(1) 曼彻斯特编码基本概念
每个数据位至少由一个信号跳变来表示，从而实现数据流自同步。图3(a)给出了0和1的表示符号，这里选择下降沿为0，上升沿为1。
串形数据通常先发送LSB。如图3(b)所示，ASCⅡ字符“A”（41h，0100．000lb）以1000.0010b的形式发送。编码可以通过连接0和1的符号形成。图3(b)通过连接0和1的符号形成ASCII“A”的编码。
(2) 数据流与软件
当按下钥匙链上的按钮时，将发送前同步码，随后依次是发送ID、计数值以及钥匙数据，见图4所示。按钮释放前，发送器一直重复该序列过程，同时还需要一个软件去抖程序。在该实例代码中，是简单地通过短暂关闭接收器实现的。
实际的系统还会将部分数据加密，防止车辆被盗。一般由车体控制模块（BCM）进行解密。接收器软件测量接收信号强度、等待和同步至前同步码、解码数据流并通过串口传输数据。
2.5 发射器(遥控钥匙)与接收器中几种芯片的选用
(1) MAXl473接收器与MAX7044发送器的选用
RF接收器器件MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK射频接收器，其特性已如前述。
而发射器中的MAX7044器件是可输出+3dBmASK信号的发送器，采用微型的8引脚SOT封装，采用占空比为50％的编码方式时，如曼彻斯特码，仅需消耗7.7mA的电流。MAX7044可使用电压低至2.1V的单个锂电池供电。
该300MHz至450MHz发送器和接收器的最大优点是能将RKE系统有效距离扩大一倍（即控制范围超过两倍）是理想应用于电池供电设备，包括钥匙，汽车报警和胎压检测的选择。
(2) 双通道接收器同时捕捉两种信号的MAX1471结构方框与应用
使用MAXl471双通道接收器同时捕捉两种信号，即能同时接收ASK和FSK，模式间切换时间为零。针对同时需要对ASK和FSK解码的低成本系统设计，MAXl471双模接收器还可进行自轮询，器件可保持长达8分钟的睡眠模式，并可唤醒微处理器，以进一步节省能源。MAXl47l工作于300MHz至450MHz，包括内置的42dB（兆型值）镜频抑制混频器，不需常见的SAW滤波器。MAXl471内置一个可用于3.3V或5V的稳压器，可在低至2.4V的电压下工作。图5为。MAX1471结构方框与应用示意图，从图看出MAX1471也可用于汽车轮胎压力监视系统中接收器。
3 智能无线遥控开门系统
利用两个频率可实现低成本双向通信收发器，其中125kHz用于接收数据，UHF（315、433868或915MHz）用于发射数据。由于125kHz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。
在此类智能无线遥控开门系统中，控制器（接收器）利用125kHz频率发送命令，同时不断搜索有效范围内收发器（在此的发射器称收发器更为确切）发出的UHF频率信号。而该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。这就是通常所说的新型被动遥控开门（PKE）系统。
而传统遥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。并利用包括数字和低频前端电路的集成片上系统（SoC）智能MCU可以实现低成本无线遥控开门系统（PKE）的收发器。图6为智能无线遥控开门系统示意图。
由于智能无线遥控开门系统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。
图6所示智能无线遥控开门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。智能无线遥控开门系统应用的双向通信顺序如下：控制器利用125kHz频率发送命令；收发器利用三个正交排列的125kHz共振天线接收125kHz控制器命令；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）；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。
收发器的低频率天线（例如125kHz）采用的是LC谐振电路。当控制器天线发射的电磁波磁场通过收发器的线圈天线时，LC谐振电路感生出电压。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LC电路调谐到控制器命令的载波频率（125kHz），或天线线圈（电感L）正对着控制器天线时，输入接收电压达到最大。
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（类似图5MAX1471方框中唤醒MCU引脚功能）。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。
4 智能无线遥控开门系统收发及其应用
(1) 利用微控制器PIC16F639 MCU构成的智能无线遥控开门系统收发器。
图7所示为方案图。收发器采用三个正交放置的天线LCX、LCY、LCZ来探测来自X，Y和Z方向的输入信号。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。采用智能MCU的被动遥控开门（PKE）收发配置实例，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。
(2) 汽车行业：智能被动遥控开门系统；遥控车库门锁和开门系统；引擎启动控制与轮胎压力监控系统（如图5所示）LF启动传感器。
(3) 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。
5 结束语
安全和保密功能已经成为消费者日益关注的问题。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。应该说基于用微控制器构建的无线遥控开门系统的开发前景看好。
目前，汽车行业的无线遥控开门系统是属安全应用解决方案的重要部分。其安全解决方案能在消费市场和汽车市场之间提供了一个协作的桥梁。再则当前大多数汽车出厂时都安装了遥控钥匙（RKE）系统。但要给自己的老式、配件难寻的“传统”爱车也装上一套该怎么办呢？这也是消费者所关心的热门话题。为此本文将对汽车无线遥控开门系统的新型设计方案与应用发展作分析介绍。
当今，汽车安全应用所使用的典型无线遥控开门系统-遥控钥匙（RKE）系统，如图1所示。该系统组成包括一个安装在汽车上的控制器（或称接收器）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。收发器一般包括一个微控制器、RF器件以及按钮和LED等人机接口器件。微控制器可用DS89C440或PIC16F639，RF器件可用MAX7044或MAX1479或TRF6901。收发器通常关闭，只在按下按钮或需要发送数据时才工作。收发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。
2 无线遥控开门系统构建的设计思想
从上述无线遥控开门系统组成可看出，系统方案的设计思想是基于用微控制器构建发射器（遥控钥匙）与接收器。
众所周知，MAXQ系列是采用低噪声设计并为配合模拟电路工作而进行了优化的16位RISC微控制器，能够与RF接收器器件整合到一起构建模拟电路的最佳方案。
2.1 遥控钥匙(发射器或收发器)与接收器(车上控制器)
遥控钥匙可选用DS89C450-KIT和MAX7044或两个评估板（EV KIT），即DS89C450-KIT和MAX7044EVKIT （EVht）构成发射器。可以安装在一个壳体内，充电电池位于下方。如使用天线，发送距离超出标准钥匙链几个数量级。
接收器（车上控制器）可由并排安装在一起的MAXQ3212 16位微控制器和MAXl473接收器组成。其连线接到汽车的车体控制模块（BCM）上。若是在作调试或演示，可使用一个专门的MAXQ3212端口引脚以9600bps发送异步串行数据。
在此之所以采用MAXQ3212 16位微控制器，是因为MAXQ系列是采用低噪声设计并为配合模拟电路工作而进行了优化的16位RISC微控制器，除数字元件外还集成了高精密的模拟功能，因而应用方案需要的芯片数更少，能够与RF接收器器件MAXl473整合到一起构建模拟电路的最佳方案，而且基本不会干扰RF信号。其优异的功耗特性与强大的功能组合使产品的设计和构建更加简单，可缩短产品上市时间。
而RF接收器器件MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK（振幅变换调制）射频接收器平均灵敏度为-114dBm，正常工作仅消耗5.5mA（典型值）的电流。内置镜频抑制，无需通常使用的前端SAW滤波器。睡眠模式时，MAXl473可在小于250ps的时间内启动并发送数据，保证了更深的睡眠周期和更长的电池寿命。MAXl473可工作于3V至5V的电源电压。该300MHz至450MHz发送器和接收器的最大优点是能将RKE系统有效距离扩大一倍，可理想应用子电池供电设备，包括钥匙，汽车报警和胎压检测。
2.2 关于模拟信号强度测量
MAXl473接收器提供一个模拟接收信号强度指示器（RSSl），可对此信号进行测量。MAXQ3212内置一个模拟比较器，以比较VREF和CMPI输入，并可以在定时器输出引脚上产生脉宽调制信号（PWM）。图2示出了由比较器和PWM构建ADC的方法。将RSSI信号送到MAXQ3212比较器的VREF引脚端。然后将定时器编程为PWM模式，如果对该PWM进行适当滤波，就可产生DAC输出到T2PB引脚端，并将输出（即DAC）连接到比较器的另一个输入CMPI引脚端。比较器随后比较信号电平，如果信号匹配，可在没有专用硬件ADC的情况下成功进行了模数转换。
软件中没有采用逐次逼近法，而是采用斜率ADC。从一个合理的最小值开始，DAC输出缓慢增加，直到比较器指示匹配状态。
2.3 RF信号如何解码？
MAXl473接收器提供一路数字信号输出（DATAOUT）。由于RF噪声一直存在，无论钥匙链实际上是否在发送数据，该引脚都将连续转换状态。为将该噪声与信号区分开来，MAXQ微控制器必须采用一个小型软件状态机，测量上升沿和下降沿信号之间的时间，以识别前同步码。
而测量边沿间隔的最有效方法是使用中断触发技术。MAXQ可编程为上升沿或下降沿触发中断。将中断设置为“上升沿”触发，即开始测量。一旦探测到上升沿，复位并重启定时器，同时将中断触发边沿设置为“下降”沿。到下降沿时，中断处理程序读取定时器的值。这可用一小段程序以示一个代码段，该代码段读取和复位定时器，然后转换中断触发信号的极性。如果边沿间隔与8400bps数据率（加／减一个合理的容限）匹配，并检测到协议所指定的同步脉冲数，则微控制器软件状态机切换到接收模式，开始解析余下的数据包。
2.4 关于数据流--曼彻斯特编码的使用
由于制造商、型号以及出厂时间的不同，图1中所示的发射器（遥控钥匙）数据流（脉冲串）的协议的差异极大。而对这种售后的市场项目来说，使用可编程微控制器恰到好处。在此随意选用了8400bps曼彻斯特编码的数字数据流，并采用ASK（振幅变换调制）方式以433MHz进行发射。若要使用FSK（频率变换调制）或不同的发射频率，必须用不同的接收器芯片替换MAXl473。
(1) 曼彻斯特编码基本概念
每个数据位至少由一个信号跳变来表示，从而实现数据流自同步。图3(a)给出了0和1的表示符号，这里选择下降沿为0，上升沿为1。
串形数据通常先发送LSB。如图3(b)所示，ASCⅡ字符“A”（41h，0100．000lb）以1000.0010b的形式发送。编码可以通过连接0和1的符号形成。图3(b)通过连接0和1的符号形成ASCII“A”的编码。
(2) 数据流与软件
当按下钥匙链上的按钮时，将发送前同步码，随后依次是发送ID、计数值以及钥匙数据，见图4所示。按钮释放前，发送器一直重复该序列过程，同时还需要一个软件去抖程序。在该实例代码中，是简单地通过短暂关闭接收器实现的。
实际的系统还会将部分数据加密，防止车辆被盗。一般由车体控制模块（BCM）进行解密。接收器软件测量接收信号强度、等待和同步至前同步码、解码数据流并通过串口传输数据。
2.5 发射器(遥控钥匙)与接收器中几种芯片的选用
(1) MAXl473接收器与MAX7044发送器的选用
RF接收器器件MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK射频接收器，其特性已如前述。
而发射器中的MAX7044器件是可输出+3dBmASK信号的发送器，采用微型的8引脚SOT封装，采用占空比为50％的编码方式时，如曼彻斯特码，仅需消耗7.7mA的电流。MAX7044可使用电压低至2.1V的单个锂电池供电。
该300MHz至450MHz发送器和接收器的最大优点是能将RKE系统有效距离扩大一倍（即控制范围超过两倍）是理想应用于电池供电设备，包括钥匙，汽车报警和胎压检测的选择。
(2) 双通道接收器同时捕捉两种信号的MAX1471结构方框与应用
使用MAXl471双通道接收器同时捕捉两种信号，即能同时接收ASK和FSK，模式间切换时间为零。针对同时需要对ASK和FSK解码的低成本系统设计，MAXl471双模接收器还可进行自轮询，器件可保持长达8分钟的睡眠模式，并可唤醒微处理器，以进一步节省能源。MAXl47l工作于300MHz至450MHz，包括内置的42dB（兆型值）镜频抑制混频器，不需常见的SAW滤波器。MAXl471内置一个可用于3.3V或5V的稳压器，可在低至2.4V的电压下工作。图5为。MAX1471结构方框与应用示意图，从图看出MAX1471也可用于汽车轮胎压力监视系统中接收器。
3 智能无线遥控开门系统
利用两个频率可实现低成本双向通信收发器，其中125kHz用于接收数据，UHF（315、433868或915MHz）用于发射数据。由于125kHz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。
在此类智能无线遥控开门系统中，控制器（接收器）利用125kHz频率发送命令，同时不断搜索有效范围内收发器（在此的发射器称收发器更为确切）发出的UHF频率信号。而该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。这就是通常所说的新型被动遥控开门（PKE）系统。
而传统遥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。并利用包括数字和低频前端电路的集成片上系统（SoC）智能MCU可以实现低成本无线遥控开门系统（PKE）的收发器。图6为智能无线遥控开门系统示意图。
由于智能无线遥控开门系统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。
图6所示智能无线遥控开门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。智能无线遥控开门系统应用的双向通信顺序如下：控制器利用125kHz频率发送命令；收发器利用三个正交排列的125kHz共振天线接收125kHz控制器命令；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）；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。
收发器的低频率天线（例如125kHz）采用的是LC谐振电路。当控制器天线发射的电磁波磁场通过收发器的线圈天线时，LC谐振电路感生出电压。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LC电路调谐到控制器命令的载波频率（125kHz），或天线线圈（电感L）正对着控制器天线时，输入接收电压达到最大。
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（类似图5MAX1471方框中唤醒MCU引脚功能）。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。
4 智能无线遥控开门系统收发及其应用
(1) 利用微控制器PIC16F639 MCU构成的智能无线遥控开门系统收发器。
图7所示为方案图。收发器采用三个正交放置的天线LCX、LCY、LCZ来探测来自X，Y和Z方向的输入信号。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。采用智能MCU的被动遥控开门（PKE）收发配置实例，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。
(2) 汽车行业：智能被动遥控开门系统；遥控车库门锁和开门系统；引擎启动控制与轮胎压力监控系统（如图5所示）LF启动传感器。
(3) 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。
5 结束语
安全和保密功能已经成为消费者日益关注的问题。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。应该说基于用微控制器构建的无线遥控开门系统的开发前景看好。
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