遙控車門開關系統的原理和設計方案分析

前言

　　汽車防盜、報警功能以及門禁控制將成為汽車安全控制系統必備的功能之一。通過對Maxim公司的發射器MAXl472、接收器MAXl473以及微控制器芯片DS80C323等器件的應用,得出一套較為完整的遙控車門開關系統的原理和設計方案。該系統在低功耗、收發距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優勢,可使RKE系統有效控制范圍擴大一倍。

　　RKE系統對于提高汽車的防盜性、控制性有重要意義。大多數RKE系統具有汽車防盜、報警功能以及用于汽車、行李箱的門禁控制,其中一些系統還包括遙控啟動汽車和汽車尋找的功能。新一代RKE有望采用雙向通信,安裝在汽車內遙控車門開關PKE(Remote Keyless Entry)方案對于汽車的配置來說,已經作為一種標準配置,成為汽車不可或缺的部分。RKE系統對于提高汽車的防盜性、控制性有重要意義。大多數RKE系統具有汽車防盜、報警功能以及用于汽車、行李箱的門禁控制,其中一些系統還包括遙控啟動汽車和汽車尋找的功能。新一代RKE有望采用雙向通信,安裝在汽車內的接收裝置會發送數據,為司機提供油量和輪胎壓力等信息。

　　RKE系統設計中的最大挑戰是在RKE發射機和接收機中實現低功耗,同時實現遠距離通信與高可靠性;特別作為一種開關門禁系統,有關安全性方面的問題也是至關重要的。本設計提出一種高安全性RKE系統的實現方案,詳細介紹了系統的硬件原理電路、軟件流程設計以及實現編碼解碼的原理。

1　系統總體設計

　　1.1 RKE系統的工作原理

　　RKE系統由類似鑰匙扣的發射機和安裝在車內的接收機構成。通常工作在315～450 MHz的IsM頻段。在歐洲開放了868 MHz頻段,以滿足遙控車門開關系統日益增長的需求。

　　圖l為RKE系統的簡單框圖。由框圖可以看出,用戶按下鑰匙扣上的按鈕開關即可觸發系統工作,喚醒RKE鑰匙扣內部的CPU,CPU則發送數據流到射頻(RF)發射機。數據流通常是64～128位長,包括1個前置位、1個命令碼和1個滾動碼,采用2～20 kHz的發送速率。在車內的RKE射頻接收機捕捉射頻信號并解調,傳送數據流給cPu,由cPu對數據進行譯碼并發送指令到指令模塊。調制方式為幅度鍵控(AsK),主要目的是延長鑰匙扣的電池壽命。

　　1.2 RKE系統的設計要求

　　RKE系統設計的關鍵是在低電流消耗下實現具有穩定性、可靠性和保密性的低成本系統。因此系統對功耗、收發距離、可靠性和保密性的設計要求是至關重要的。

　　(1)功耗管理

　　對于發射機,電池需要3～5年的壽命;對于接收機,電池壽命同樣重要。因為接收機必須始終保持工作狀態,監聽用戶數據的傳輸。典型指標要求,平均電流不超過1 mA。解決這個問題的方法之一就是,讓接收機在一段重要時間內保持工作狀態,保證這段時問足夠長以判定是否存在合法的傳輸;而接收機在剩余的時間里休眠,同時接收機必須具有快速喚醒的能力,以最大化利用已存儲的能量。

　　(2)收發距離與可靠性

　　RKE應用需要好的收發距離和可靠的傳輸。提高接收機的靈敏度和發射機的功率(電流消耗沒有顯著增加)直接影響到收發距離與可靠性。顯而易見,低成本是一個要求,因為需要安裝百萬個這樣的系統。

　　(3)安全性

　　RKE系統的通信數據應該具有保密性,不易被他人竊取。早期使用固定密碼方式,容易被破解;近來的RKE系統逐漸采用具有跳變編碼功能的集成電路實現,大大提高了安全性。

2　 硬件電路設計

　　RKE系統是由鑰匙扣發射模塊和車內接收模塊組成的。

2.1鑰匙扣發射模塊

　　鑰匙扣發射模塊由按鈕開關、CPU、射頻發射器和鈕扣電池組成,電路原理如圖2所示。模塊采用3 V的鈕扣電池供電。表1為50 Ω輸出時,不同頻率下元件參數值,其數值受PCB布局的影響。

　　(1)按鈕掃描

　　發射模塊接入3個按鈕,分別作為上鎖、解鎖、尋車功能,分別與微控制器DS80C323的3個外部中斷INTO、INTl和INT3相接。按下任一按鈕是將DS80C323喚醒,并進入相應的中斷處理程序中。處理完畢后,重新進入待機模式。3個LED分別顯示3個按鈕的狀態。有按鈕按下時,相應的LED會被點亮。

　　(2)微控制器DSSOC323

　DS80C323是Maxim公司出品的一款低功耗快速單片機,其在外部電路的接法以及操作指令方面完全兼容80C51系列。DS80C323具有6個外部中斷,并具有電源故障管理功能,工作電壓范圍為2.7～5.5 V。

　　DS80C323的功能是利用其外部中斷對按鈕進行掃描,并將掃描的結果加密編碼,通過P1.O送給發射器的數據端DATA。DS80C323的P1.1控制發射器的喚醒。

????? (3)射頻發射器MAX1472

　　MAXl472是VHF/UHF基于鎖相環的ASK/00K發射器,工作在300～450 MHz頻段,支持高達100 kbps的數據速率。當工作電壓降至2.1 V時脫離單節鋰電池工作,在待機模式僅消耗100 nA的電流;匹配于50Ω系統時,MAXl472的功率放大器能夠提供+10 dBm的輸出電平,并保持高于43%的效率。MAXl472發射機特別適合于低成本、高容量、體積是關鍵因素的應用。

　　一旦MAXl472的使能引腳電平有效,MAXl472僅需250μs便可使PLL和晶振穩定工作并發射數據。MAX1472使用基于晶體的PLL,避免了許多基于LC濾波或者SAW發送器的常見問題。內部固有的晶體頻率精度需要更窄的接收機中頻帶寬,以改善系統靈敏度。使用MAXl473,可將中頻帶寬從600kHz減至50 kHz,獲得9 dB的靈敏度改善。靈敏度的改善意味著RKE系統可實現更長距離傳輸和更高的傳輸可靠性。

　　2.2車內接收模塊

車內接收模塊由射頻接收器、微控制器和汽車指令執行機構等組成。射頻接收器將接收到的00K調制數據解調為原始數據;微控制器將原始數據解碼去密得到有效的指令信息,并送給指令執行機構,由指令執行機構完成相應的動作。

　　考慮到車內接收模塊要始終處于工作狀態,微控制器仍使用快速低功耗的DS80C323,并由DS80C323控制接收器處于工作/休眠交替的間歇休眠狀態。

　　對于射頻接收器,使用與發射器MAXl472配對的MAXl473。MAXl473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差ASK接收器,工作在300～450 MHz頻段,具有一114 dBm的高靈敏度、高于50 dB的鏡像載波抑制。這款芯片在關斷模式下電流消耗低于1.5μA,在接收模式電流消耗為5.2 mA。MAXl473可接收最高達100 kbps的數據速率,從關斷模式到有效數據輸出的過渡時間小于250 μs。MAXl473包含一個一級自動增益控制(AGC)電路,在射頻輸入信號電平大于一57dBrm時,可降低低噪聲放大器(LNA)35dB的增益。接收器使用帶有接收信號強度指示(RSSD的10.7 MHz中頻濾波器,帶有集成壓控振蕩器VCD的片上鎖相環(PLL)以及基帶數據恢復電路。MAXl473僅需很少的外圍元件即可構成RKE系統接收模塊的射頻前端,如圖3所示。

3　系統軟件流程設計

　　發射端軟件流程如圖4所示。　

按所處理任務的不同,接收模塊分為三種工作狀態：喚醒與休眠交替的監聽狀態、接收數據的狀態和處理接收數據的狀態。接收系統應始終處在間歇休眠的狀態,以監聽外來的信息。當收到有效的通信命令后,觸發系統接收數據。數據接收完畢后,對數據進行相關的處理,并有執行機構完成相應的操作,而接收系統則重新進入監聽狀態。

4　 系統編碼解碼設計

　　總體上講,一個單向RKE系統由一個控制端(鑰匙扣發射模塊)與一個執行端(車內接收模塊)組成。其中控制端將控制信息經過編碼、調制后發射,執行端則接收、解調、解碼并根據控制信息執行相應的操作。單向RKE系統的安全關鍵在于編碼。早期使用固定密碼方式容易受到“無線偵聽”,易被破解。這里使用跳變密碼技術,可有效地避免“無線偵聽”,提高安全性。以下介紹系統編解碼設計原理。

　　系統通過微控制器DSC80C323軟件編程實現編解碼過程。

　　編碼過程如圖6(a)所示。編碼器檢測到按鍵輸入,把系統從省電狀態中喚醒,同步計數加l,與序列號一起經密匙加密后形成密文數據,并同鍵值等數據發送出去。由于同步計數值每次發送都不同,即使是同一按鍵多次按下也不例外。同步計數自動向前滾動,發送的碼字不會再發生。滾動范圍為216個記數值。傳送過程中有新的鍵按下,則終止當前發送并開始新的傳送;否則,不管是不是按鍵已經松開,完成發送并進入休眠狀態。

　　解碼過程如圖6(b)所示。解碼電路接收到數據包后,將鍵值與密文分開,并將密文用密匙解密后還原為序列號和同步計數值,并在核對序列號及同步計數值后依照鍵值驅動相應的執行機構。

結語

????? 汽車防盜、報警功能以及門禁控制將成為汽車安全控制系統必備的功能之一。通過對Maxim公司的發射器Max1472 、接收器Max1473以及微控制器芯片DS80C323等器件的應用，得出一套完整的遙控車門開關系統的原理和設計方案。該系統在低耗、收發距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優勢，可使RKE系統有效控制范圍擴大一倍。目前，我們正在這方面繼續努力，爭取開拓更加廣闊的應用空間。