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遙控門禁(RKE)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

資訊頻道文章B

    遙控門禁(RKE)系統(tǒng)已經(jīng)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(jiàn)的便捷性,RKE用于開(kāi)啟汽車制動(dòng)裝置的技術(shù)還具有防盜作用。歐洲汽車生產(chǎn)廠商與保險(xiǎn)公司合作,要求購(gòu)置汽車保險(xiǎn)時(shí)汽車要安裝RKE系統(tǒng)。德國(guó)已開(kāi)始推行這一政策,預(yù)計(jì)在幾年內(nèi)會(huì)擴(kuò)展到整個(gè)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(gè)無(wú)線發(fā)射器,它向安裝在車內(nèi)的接收器發(fā)出一串短脈沖數(shù)子信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)解碼,通過(guò)接收器控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu),打開(kāi)或關(guān)閉車門或行李箱。在美國(guó)和日本該無(wú)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(diào)制,其他絕大部分國(guó)家則采用幅移鍵控ASK調(diào)制,它的載波幅度調(diào)制在兩個(gè)電平。為了減小功耗,通常取低電平接近于0,于是產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制。

RKE系統(tǒng)說(shuō)明和設(shè)計(jì)目標(biāo)
    典型的RKE系統(tǒng)(圖1)是在鑰匙扣或鑰匙上安裝一個(gè)微控制器。對(duì)于汽車而言,按下控制裝置一個(gè)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(jù)流,經(jīng)過(guò)載波調(diào)制,用簡(jiǎn)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(shè)置在PCB上,造價(jià)低廉,使用廣泛)輻射出去,實(shí)施開(kāi)鎖操作。

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

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

    有幾個(gè)主要目標(biāo)支配著RKE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與所有大批量生產(chǎn)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(jī)和接收機(jī)都應(yīng)該消耗最小功率,因?yàn)楦鼡Q鑰匙控制器的電池非常麻煩,為汽車電池充電更為復(fù)雜。RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一方面要關(guān)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(shù)參數(shù),在滿足低成本、小電流限制的情況下,實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)射范圍。

    其它的限制包括:當(dāng)?shù)貙?duì)近距離通信設(shè)備的管理規(guī)定,例如美國(guó)的FCC規(guī)定。近距離通信設(shè)備不需要申請(qǐng)?jiān)S可證,但產(chǎn)品本身受各國(guó)的不同法律和規(guī)則制約。對(duì)于美國(guó),相關(guān)管理文件是聯(lián)邦政府管理?xiàng)l例(CFR),標(biāo)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)) [nextpage]

    以下提供了一些FCC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)RKE設(shè)計(jì)的限制。

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

    傳輸時(shí)間不能超過(guò)5秒;只有當(dāng)重復(fù)傳輸頻率低于每小時(shí)一次時(shí),才允許固定間隔、持續(xù)時(shí)間可以達(dá)到1秒(最長(zhǎng))的發(fā)射周期。

    發(fā)射天線三米以內(nèi)的最大場(chǎng)強(qiáng)在3750μV/m到12500μV/m以內(nèi),線性正比于基頻頻率(260至470MHz)。

    頻帶內(nèi)下降20dB的頻偏不超過(guò)中心頻率的0.25%;雜散輻射應(yīng)該比基頻信號(hào)的增益衰減20dB。

    以下各部分詳細(xì)探討與RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題,先從載波頻率的產(chǎn)生開(kāi)始。

載波發(fā)生器
     第一代RKE電路使用了聲表面波(SAW)器件產(chǎn)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(duì)較差。在接收端,如果IF通帶過(guò)寬,則在接收載波時(shí)會(huì)收到過(guò)多的噪聲,從而限制了汽車響應(yīng)鑰匙控制信號(hào)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(yán)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(jià)格略微貴一點(diǎn),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(shè)計(jì)工作在帶寬為1.74MHz的433MHz頻段(433.05MHz至434.79MHz)的中點(diǎn),以保證在工藝和溫度變化時(shí)保證系統(tǒng)的可靠性。因此,對(duì)標(biāo)稱載波頻率為433MHz的應(yīng)用,現(xiàn)在頻率是433.92MHz,于是必須根據(jù)這一頻率選擇PLL晶體。

    目前,發(fā)送和接收芯片均內(nèi)置鎖相環(huán),只需要一個(gè)外接晶振,以產(chǎn)生有效的RKE信號(hào)(參考本文補(bǔ)充說(shuō)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(gè)5pF的電容。關(guān)于晶體頻率的調(diào)節(jié),請(qǐng)參考應(yīng)用筆記1017:如何為MAX1470超外差接收機(jī)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(shù)降低工作電流和"開(kāi)機(jī)時(shí)間"。接收器PLL的壓控振蕩器(VCO)是這一設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的范例,接收器需要保持幾乎不間斷的檢測(cè)狀態(tài),以免漏過(guò)打開(kāi)車輛的命令;而為了省電需要盡可能地將其置于關(guān)機(jī)狀態(tài),甚至在檢查之間的短暫間隔內(nèi)。

    控制器的發(fā)射裝置通常連續(xù)發(fā)送4組10ms的數(shù)據(jù)流(共計(jì)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(jù),以便有足夠的余量消除時(shí)序誤差和噪聲。譯碼時(shí)間大約需要0.75ms (足夠接收7或8位數(shù)據(jù)),用來(lái)判斷是否為有效數(shù)據(jù)。[nextpage]

    除了譯碼時(shí)間外,輪詢操作必須首先具備接收器"喚醒"和穩(wěn)定時(shí)間。大多數(shù)放大電路可以快速喚醒,但VCO晶體是機(jī)電元件,它需要一定的起振時(shí)間,當(dāng)然,它還需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能穩(wěn)定在所要求的頻率。對(duì)于傳統(tǒng)的超外差接收機(jī),該時(shí)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(nèi),通過(guò)喚醒檢測(cè)發(fā)射信號(hào)只需要1ms (0.75ms解碼、0.25ms穩(wěn)定) (圖2)。可快速喚醒的MAX1470工作電壓為3.3V,而不是5V,這是節(jié)省能量并延長(zhǎng)電池壽命的四個(gè)或五個(gè)因素中的一個(gè)(相對(duì)于傳統(tǒng)的超外差接收機(jī))。

    嚴(yán)格來(lái)講,RKE是近距離通信技術(shù),有源系統(tǒng)的傳輸距離可以達(dá)到20m,無(wú)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(shè)計(jì)對(duì)于RF電路也是一個(gè)挑戰(zhàn)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),發(fā)射器和接收器的天線由PCB上的環(huán)形或矩形印制導(dǎo)線組成,并用一個(gè)簡(jiǎn)單的LC網(wǎng)絡(luò),以達(dá)到天線與發(fā)射器或接收器芯片的阻抗匹配(參考應(yīng)用筆記1830:How to Tune and Antenna Match the MAX1470 Circuit)。

增加一個(gè)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(gè)方法是增加一個(gè)低噪聲放大器(圖3),但這種方法會(huì)降低動(dòng)態(tài)范圍,在具體應(yīng)用中可能無(wú)法接受??梢钥紤]一下對(duì)MAX1470超外差接收器的分析。

    假定原靈敏度是-109dB,加上LNA后僅僅獲得了3.77dB的提高??紤]三階交調(diào)截點(diǎn)(IIP3)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響,MAX1470有16dB的內(nèi)部LNA增益和-18dBm的內(nèi)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(gè)數(shù)字降低到-49dBm。因此外部LNA的加入對(duì)靈敏度大約有4dB的改善,但系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍降低了15dB!對(duì)于指定的應(yīng)用場(chǎng)合,必須考慮這種折衷。[nextpage]

發(fā)展方向
    下一步RKE系統(tǒng)的發(fā)展將會(huì)涉及雙向(半雙工)通信,目前它已經(jīng)以"無(wú)源RKE"的形式應(yīng)用在某些高端車輛中。當(dāng)駕駛?cè)藛T靠近汽車時(shí),汽車發(fā)射裝置不斷輪詢,以確定駕駛?cè)藛T的接近。在一定范圍內(nèi)(1至2米),控制器和車輛建立雙向通信,并打開(kāi)車門。目前的雙向系統(tǒng)除了包含確認(rèn)功能(確認(rèn)車門已鎖)之外,還包含遙控啟動(dòng)功能,它使駕駛者在一段距離之外可以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

    未來(lái)的發(fā)展可能包括輪胎氣壓檢測(cè)(TPS)技術(shù),與無(wú)源RKE一樣,當(dāng)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(cè)壓、測(cè)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(shí)向車內(nèi)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(wèn)題的預(yù)警。TPS和RKE具有很多相似之處(近距離、簡(jiǎn)單調(diào)制、需要省電等等),未來(lái)的系統(tǒng)很可能會(huì)通過(guò)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(kāi)車門之前,通知司機(jī)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(kāi)啟車門的相關(guān)硬件。

用于RKE的CMOS IC
    Maxim是為數(shù)不多的可以提供RKE產(chǎn)品的廠商之一,可生產(chǎn)特定功能的用于RKE市場(chǎng)的集成電路。對(duì)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(jī)模式下僅消耗5nA電源電流。

    在傳輸曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)時(shí),MAX1472支持高達(dá)100kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,消耗3.0mA和5.5mA電源電流,同時(shí)可向50Ω負(fù)載提供-10dBm至+10dBm的輸出功率?;诰w的鎖相環(huán)產(chǎn)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(nèi)部振蕩器可快速起振,發(fā)出使能信號(hào)之后,啟動(dòng)時(shí)間僅需220μs。

    對(duì)于汽車上的接收器,可以考慮使用300MHz至450MHz的超外差A(yù)SK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(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的10.7MHz IF限幅放大器。內(nèi)部數(shù)據(jù)濾波器和數(shù)據(jù)限幅器提供數(shù)據(jù)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。

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