智能无线通信对推进汽车安全系统应用的作用

发布时间:2010-08-03
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  智能无线通讯要求自动操作,即不需要使用者按任何按钮,系统可以自己检测或发送信号,100%独立,在不同的环境下可以自学习和自适应,在有噪音的环境下可以排除噪音正常的工作。

  上述智能无线通讯系统有很多的要求,第一个要求是体积小、成本低,解决方案用一个智能的单片机来实现,单片机由数字和模拟前端组合成一个芯片;第二个要求是经济的双向通讯,基站命令用125KHz低频发送,高频响应,用低频发送成本逐渐降低;第三个要求是通讯距离在2米以上,其应答器有高度的输入灵敏度,在3毫伏左右;工作在有噪声的环境下,因为在一般环境下有很多的噪音干扰,所以在设计系统的时候要求有高度的灵敏度非常重要;此外就是消除天线的方向性,因为控制信号不可能一直从一个方向发来,特别是随身携带的单元,发送的方向不可能控制,所以在应答器板上使用三个方向的天线XYZ,不管信号从哪个方面来都可以接收到;再者是对电池寿命的要求,因为有一些电池是用来作汽车里面胎压检测系统的,不可能每6个月打开换电池,所以采用唤醒滤波器以减少电流使用;最后是数据的安全性要求,发送信号加密,收到信号时再解密,使用加密解密的算法有很多, Microchip用Keylock算法。

所示是一个智能被动无匙门禁系统

   图1所示是一个智能被动无匙门禁系统,图示系统和普遍使用的系统有相似的地方也有完全不同的地方,左边基站由一个单片机和高频的发送器和低频发送器与接收器组成,基站发出125KHz的低频命令,当右面的智能接收器收到信号时会处理信号,信号达到一定的要求使用高频或低频作为响应。智能的接收器有3个接收方向XYZ,不管信号从哪个方向送来都可以接收到这个信号,而且使用者不需要任何的按钮。这样的智能接收器可以自动的接收信号、发送信号和处理信号。

PKE应答器原理图

   图2所示是PKE应答器原理图,图中的PIC16F639是由PIC16F636和MCP2030构成,其中MCP2032是模拟前端, PIC16F636是另外一个单片机,使用PIC16F636和模拟前端组合在一起主要是因为PIC16F636有Keylock加密解密的功能,如果使用者不需加密解密功能则可以使用2030模拟前端和其他的单片机组合。

   应用示例

   在汽车系统应用中有很多智能应答器的使用,如智能车辆出入系统、引擎防盗锁止系统(如图3所示)和胎压监测系统()。

智能车辆出入系统

  智能PKE应答器不仅适用在汽车里面,也可以应用在其它地方,如车库开门关门、公共停车场,很多汽车如果有智能应答器,汽车靠近停车场时门会自动打开。

胎压检测系统

  胎压检测系统(如图4所示)的显示组主要由三个单位组成:一个在轮胎里面,图中左下角由智能单片机、胎压传感器和高频发送器组成;右角上方是基站,主要由一个单片机和一个高频的接收器组成;右方下角是低频触发器,一般放在靠近轮胎很近的车身部分,使用时每3或4秒低频触发器会发出一个启动命令给轮胎单位,轮胎里面的智能单片机收到的信号达到要求时,会告诉胎压传感器去测量轮胎的温度和胎压,然后再由高频发送器把胎压的数据发给基站。

  可编程数字唤醒滤波器

  使用唤醒滤波器的目的主要是减少工作电流,从而可以延长电池的寿命。一般情况下,数字部分一直保持在睡眠状态,以达到最低的电流使用。而模拟前端不停地寻找输入信号,只有在达到预定的波形也即输入信号达到要求时,模拟前端才会去唤醒滤波器。

  智能被动无钥门禁(PKE)系统设计

   图5所示为一个具有无电池和后备电池的应答器电路,有些情况下,如果电池接触不好系统会没有电,可以用磁场来短暂的给供电,这样应答器在没有电池的情况下照样可以工作。 

具有无电池和后备电池的应答器电路

   系统工作要求是,在应答器方面需要有低频的电线,高频发送器,以及一些系统可选后备电子的电路,此外还要有一个智能的单片机和单片机的部件;基站系统要求有低频发送器、高频接收器、天线、单片机和单片机的固件部分。

  双向通讯距离有一些参数,应答器需要天线调谐及Q,天线定位使用三维天线,接收灵敏度,输出信号的调制深度;基站需要输出功率和接收的灵敏度。

   天线设计低频普遍是采用125KHz,现在使用LC谐振电路;天线类型使用空心线圈或者铁氧体的磁心,LC的谐振频率和基站的载波频率相同,范围被动标签在1米左右,主动标签在5米左右。高频率从315MHz到960MHz,最常见的是315MHz和433MHz,使用偶极电线刻在PCB上,范围相对高得多,被动标签大概在5米左右,主动标签在100米左右。

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  图6所示为一个磁通量和天线感应电压关系的公式,这里主要是说明在判断感应电压的时候看到很多的因素:比如线圈的匝数、接触器线圈表面积、频率、接收电线和发送天线的角度都会影响 到天线感应的电压。

一个磁通量和天线感应电压关系的公式

   图7所示为一个天线感应电压和距离的关系,大图上显示了基站和接收器靠的很近的时候,信号的电压是200V,小图则显示了距离到3米的时候,电压的信号只有达到5毫伏峰值,可以看出信号输入的灵敏度在这里是非常关键的。

一个天线感应电压和距离的关系

   我们可以作一下总结,一个无线通讯系统需要可靠的自动操作,具体包括智能的双向通讯、低系统成本、低频输入高灵敏度(这一点比较关键),低功耗以及安全的数据加密和解密,结论是用一个智能的单片机构建系统可以达到所有要求,因此可以作为一个可靠的解决方案。

  问答选编

  问: Microchip采用什么RF方案来实现?调制方式如何?距离有多远及发射功率多大?

  答:共用频段,小功率,100米开阔地,功率受限于无委会规定,LF是AFSK。

  问:Microchip提供哪些射频发射与接收芯片,是否有收发一体的射频模块?

  答:Microchip射频发射芯片为rfPIC12F675f/H/K,射频接收芯片为rfRXD0420/0920。

  问:无钥门禁系统(PKE)对用户的身份识别安全可靠性具体表现在哪些方面?应答器中模拟检测电路又是通过怎样的方式来实现智能检测的?

  答:使用特别加密技术(KEELOQ),有64位码长对用户的身份进行识别,模拟检测电路使用唤醒滤波技术(可编程的高低电平时间)来识别不同的基站。匹配后再用高频完成KEELOQ对码以确定身份。

   问:唤醒滤波器主要指什么?由什么组成?

  答:唤醒滤波器是芯片内部的逻辑电路,当应答器接收到基站的125K信号时,如果满足滤波器的时序要求,芯片将唤醒并工作,如果不满足,芯片将保持睡眠并维持低功耗。这个设计主要是为了降低应答器的功耗。

  问:1个应答器能否控制多个PKE(如使房门、车库门、汽车门使用1个应答器开启)?应答器的距离是否可调?控制编码是否可调?

  答:1个应答器能否控制多个PKE理论上可行,因为已经有用Microchip的KEELOQ产品开发的Homelink系统,而PKE的钥匙认证方面,就是KEELOQ的原理。应答器的距离,由多方面决定的,如125K电磁波能量,灵敏度,对于我们的应答器,灵敏度可调,但当调到最高灵敏度时,距离就取决于电路的设计。

  问:Microchip 中RF电路设计有何特点?能否保证高速下稳定接收?

  答:Microchip TPMS中的RF电路可以做到从各个方向可靠接受信号,通过唤醒滤波器保证低功耗,可以保证在高速下稳定运行 。

  问: TPMS在车轮内部的安装目前有很多安全方面的考虑,Microchip的方案是怎样来解决该问题的?

  答前有两种安装方式,一种是装在轮胎中间,另外一种是装在打气处。

  问:TPMS的接收对车速有限制吗?车速多高就会出现接收不到的问题?

  答:这主要取决于RF部分的性能。从实际情况来看,在车速太高的时候会有一些可靠性的问题。比如在180KM/小时以上时可能会出现信号丢失的情况。

  问:汽车中的无线电产品(如收音机)的使用会对系统造成干扰吗?如何解决?

  答:不会,因为收音机的频率可能不一样,即使一样的频率,会唤醒接受器,但是因为ID号不对,会放弃接受。

  问:UHF应答电路是否有电源控制,只在需要的时候启动 吗?

  答:有唤醒电路可以在需要的时候唤醒。

  问:在设计基站部分应该注意哪些问题?如何保证该部分功能稳定?

  答:注意线圈的设计,例如Q值,Microchip提供了相关的应用笔记供参考。此外,是射频接收的部分,需要评估该部分的稳定性。

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