汽车无线接入技术

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全球汽车半导体面临极大的市场机会,但设计工程师同样面临在成本、功耗、安全性等多方面的技术挑战。本文以可接收和发送数据的最新智能应答器为例,向中国汽车设计工程师介绍了在汽车无线接入系统设计中解决这些挑战的技术方法。
在中国,安全与保密性电子控制模块所使用的半导体大约占到中国汽车半导体的18(。从已在使用的遥控无钥匙门控应用,到无源无钥匙门控(PKE)系统、轮胎气压监视系统、电子缴费(收费)与蓝牙免提系统等新兴应用,无线系统正不断在车辆应用中涌现。这些无线连接是提高安全与保密性模块性能的技术手段,并正在建立驾驶员所希望的各种特性。而其它面向安全与保密性应用的专用短距离无线通信解决方案的出现,则只受到高性价比技术可用性的限制。除缩短上市时间与增加功能的传统压力外,设计工程师还面临经济高效的性能增强、功耗、小尺寸和加密安全等多种挑战。

表1：PKE智能应答器的主要技术难点与解决方案。


例如,我们可以看一下代表当今系统架构师所面临众多挑战的无线系统—可接收和发送数据的最新智能应答器。在这种双向通信系统中,基站与应答器可在无需人工干预下自动通信。这种低成本、双向通信应答器可设计成采用两个频率工作：125 kHz用于接收数据;UHF(315、433、868或915 MHz)用于发送数据。由于125 kHz信号的非传播特性,双向通信距离一般不超过3米。而由于该应答器还拥有可执行可选操作的按钮,故当按下发射按钮时,还可支持更长的单向传输距离(从应答器至基站)。
在这些应用中,基站用125 kHz频率发送命令,同时等待附近的有效应答器以UHF频率发回响应。智能应答器一般处于接收模式并等待任何有效的125kHz基站命令。如果接收到任何有效的基站命令,应答器以UHF频率发送响应。这就是我们所说的“无源无钥匙门控系统”。由于PKE系统采用125kHz电路进行双向通信,因此低成本、小体积及低功耗PKE应答器可使用含有数字与低频前端的集成系统级芯片(SoC) 智能微控制器单元(MCU)来生产。

PKE系统挑战
随着设计工程师获得更多的系统经验,他们日益面临如下挑战：如何既可靠地设计PKE应答器功能使其成为传统PKE应答器的一种高性价比替代选项,同时又确保它能达到特定的系统目标。表1列出了系统设计工程师所面临的一些主要关注点及解决方案。尽管PKE应答器看起来似乎需要用复杂及昂贵的电路才能实现,但设计工程师所面临的挑战已通过使用一些相对简单、围绕一个智能PIC型微控制器(PIC16F639),并包含所有必要功能以满足安全双向通信要求的低成本电路而得到解决。
图1显示一种智能PKE系统。它还拥有用于可选操作的按钮,但主要操作无需任何人工干预即可完成。PKE应用的双向通信顺序如下：基站用125 KHz频率发送命令;应答器用3付正交LC谐振天线接收125 KHz基站命令;如果命令有效,则应答器通过一个UHF发射机发出响应(加密数据);如果数据正确,则基站接收响应并启动开关。

图1：采用双向通信的智能无源无钥匙门控(PKE)系统

设计工程师所面临的一个挑战是系统性能增强的高性价比实现,这些增强包括：通信距离、天线方向性、小封装尺寸、加密安全及门锁“开/关”条件下的低功耗等。实现一种能可靠接收125 kHz信号作用距离内的基站命令,并保持长电池工作时间的应答器设计,可满足关键的系统增强要求。

双向通信距离的输入灵敏度要求
在电池供电应答器应用中,用UHF (315/433/915 MHz) 的最大通信距离大约为100米左右,但用低频(LF, 125 kHz)则只能达到几米的通信距离。因此,双频PKE应答器的通信距离主要受125 kHz基站命令作用距离的限制。由于低频信号的非传播特性,125 kHz信号会随距离增加而快速衰减。例如,假设基站输出300 Vpp左右的天线输出电压,则由大约3米距离上的应答器的线圈天线所感应的电压大约仅为3 mVpp,与应用环境的噪声电平相当。因此,如何有效地检测弱信号是系统设计工程师所面临的一个主要问题。
为增加125 kHz基站命令的作用距离,可考虑以下两种可能的解决方案：(a) 增加基站发射机的发射功率;(b) 提高应答器的输入灵敏度。基站发射机的最大发射功率一般受政府规定的限制,因此,假设基站发射的最大功率处于允许范围内,则上述第二种提高输入信号检测灵敏度的方法,即是唯一有效的解决方案。为达到3米的双向通信距离,应答器输入灵敏度须达到3 mVpp左右。

天线方向性问题的解决方案
由天线单元辐射的任何无线电信号都会在一定的方向角内传播,且当使用性能更好的天线时信号传播的方向性更高(或辐射角更窄)。由LC谐振电路所辐射的低频(125 kHz)信号虽不像高频信号那样具有方向性,但它仍具有一定的方向性。在给定的应答器设计条件下,低频信号的通信距离(或感应电压)取决于基站天线与应答器天线的耦合程度。当两付天线面对面相对时,其耦合最佳。
对于免手持PKE应用,应答器放在您口袋中的方向可以是任意的。因此,应答器天线面向固定基站天线方向的机会最高只有30%左右(x、y、z方向)。但如果应答器具有3付正交天线,则机会可增加至接近100%。天线分别放在x、y和z方向上。通过利用三个正交放置的天线,应答器可以获得在任何给定方向上的基站信号。

图2：具有无线安全接入的各种应用。

唤醒滤波器节省电池能量

唤醒滤波器可有效地控制微控制器PIC16F639的工作以节省电池能量。此外,微控制器还必须在非活动模式期间以最少的电路工作。应答器中的PIC16F639芯片含有低频前端与数字电路,低频前端总是在搜索输入信号,而数字部分则处于睡眠模式以节省电池消耗,且只有在收到一条有效基站命令时才被唤醒(或激活)。这可通过在低频前端部分中使用一个特殊唤醒滤波器来实现。此外,低频检测电路还可编程为仅在输入信号带有预定数据包头才有输出。
唤醒滤波器用来防止数字部分被噪声或非期望的输入信号唤醒。因此,可有效节省工作电流及电池能量。
功率管理
除利用特殊滤波器来节省电池能量外,PIC16F639还具有专利的纳瓦(nanoWatt)技术,可为系统设计工程师提供对片上外设的更大的控制,包括可以通过几种软件可选速度选项来将频率降至32 KHz的8 MHz内部振荡器。极低睡眠电流消耗以及快速启动的内部振荡器,可支持低功耗系统设计。周期性唤醒机制包括低功率实时时钟工作、超低功率唤醒特性与扩展低功率看门狗定时器。以这些广泛的功率管理特性,设计工程师可在应用软件中实施功率节省概念,并以更低的系统成本来获得对整体系统功耗的更紧密控制。
加密支持
专利的KEELOQ加密技术这一全球标准提供了一种用于认证、无钥匙门控及其他远程接入控制系统的高性价比解决方案,如图2所示。KEELOQ加密技术采用经过行业验证的跳码编码 (code hopping encoding) 方法,当编码器件激活时代码会自动改变并安全发送。以基于编/解码器对的实现,编码器位于远端并发送一个滚动码ID#与计数器值;解码器则位于接收器中,并对远端编码器所发送的消息进行解码。它存储其侦听到的远端设备识别号与计数器值,解码器只有在侦听到远端设备时才允许访问。KEELOQ加密是一种通过复杂公式及32位随机数发生器来实现的高度安全算法。
本文结论
未来汽车中无线安全接入系统的设计工程师可能会遇到各种不同挑战,像PIC系列这种微控制器可为车辆中的无线系统提供一种成熟、可靠的构建模块。采用集成系统级芯片解决方案的低成本双向通信应答器实现,即是一个可为驾驶员提供增强安全与保密性的无线系统的较好例子。无需任何人工干预,PKE应答器即可接收低频基站命令并通过UHF发射机以加密数据进行响应。可装在驾驶员口袋中的小型PKE应答器,可自动开关车门而无需任何干预。对于停车场入口应用,驾驶员不用停车即可直接开进停车场,因为系统会自动识别3米左右有效使用距离内的PKE应答器。
无线安全接入系统可满足一些驾车者对安全与保密性不断提高的要求。除消费者外,政府管理部门与汽车制造商本身也在推出(或计划推出)相应的计划来提高汽车中的安全与保密性创新。安全与保密性计划的下一步将是单个子系统的集成,以通过增强无线安全接入系统来提高汽车制造商的竞争优势。