目前，安全和保密在多個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域中都成為差異化應(yīng)用解決方案的重要部分。汽車行業(yè)也不例外。消費(fèi)者的快速接受進(jìn)一步促進(jìn)了汽車行業(yè)中許多新興熱點(diǎn)應(yīng)用的發(fā)展。安全和保密解決方案在消費(fèi)市場(chǎng)和汽車市場(chǎng)之間提供了一個(gè)協(xié)作的橋梁。許多分析師都預(yù)測(cè)到2008年全球汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)將超過(guò)170億美元。隨著安全和保密應(yīng)用的快速發(fā)展，這一熱點(diǎn)應(yīng)用將有可能占未來(lái)四年時(shí)間里總有效市場(chǎng)（TAM）的近三分之一。
汽車安全應(yīng)用所使用的典型遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)包括一個(gè)安裝在汽車上的控制器和一個(gè)由用戶攜帶的收發(fā)器（或發(fā)射器，即無(wú)線遙控車門(mén)鑰匙）。收發(fā)器（或發(fā)射器）一般包括一個(gè)微控制器（MCU）、RF器件以及按鈕和LED等人機(jī)接口器件。收發(fā)器（或發(fā)射器）通常關(guān)閉，只在按下按鈕或需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才工作。傳統(tǒng)的發(fā)射器用來(lái)向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，因此是單向通信。然而，這一情況正在改變。新型智能收發(fā)器即可發(fā)送數(shù)據(jù)，也可接收數(shù)據(jù)，因此是雙向通信。在雙向通信系統(tǒng)中，控制器（安裝在汽車上）和收發(fā)器（即車鑰匙）可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通信，不需要人機(jī)接口。
利用兩個(gè)頻率可實(shí)現(xiàn)低成本雙向通信收發(fā)器，其中 125 kHz用于接收數(shù)據(jù)，UHF （315、 433、868或915 MHz）用于發(fā)射數(shù)據(jù)。由于125 kHz信號(hào)的傳播能力不強(qiáng)，因此雙向通信的范圍通常在三米以下。由于收發(fā)器本身仍然可以提供按鈕用于可選的其它操作，因此其單向（從收發(fā)器到控制器）發(fā)送按鈕信息的范圍可以更長(zhǎng)。
在此類應(yīng)用中，控制器利用125kHz頻率發(fā)送命令，同時(shí)不斷搜索有效范圍內(nèi)UHF頻率的收發(fā)器響應(yīng)。智能收發(fā)器通常處于接收模式，等待有效的125kHz控制器命令。如果接收到有效的控制器命令，那么收發(fā)器將通過(guò)UHF頻率做出響應(yīng)。這就是通常所說(shuō)的被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)（PKE）系統(tǒng)。傳統(tǒng)搖控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)中的發(fā)射器和新型被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)中的收發(fā)器之間最大的差別是后者擁有用于雙向通信的125kHz電路。利用包括數(shù)字和低頻前端電路的集成片上系統(tǒng)（SoC）智能MCU可以實(shí)現(xiàn)低成本PKE收發(fā)器。
由于PKE收發(fā)器的工作依賴于與控制器間的自動(dòng)通信，不需要人機(jī)接口，因此系統(tǒng)工作的可靠性直接依賴于控制器和收發(fā)器之間的信號(hào)狀況。因此面臨的問(wèn)題是，收發(fā)器能否像傳統(tǒng)的人機(jī)接口一樣可靠工作，收發(fā)器（即車鑰匙）的價(jià)格能不能做到與傳統(tǒng)解決方案差不多？
歐洲豪華汽車生產(chǎn)商早已經(jīng)采用了增強(qiáng)安全和保密特色功能，隨著大型亞洲OEM廠商（豐田、尼桑、現(xiàn)代、馬自達(dá)以及大伍等）也開(kāi)始在他們的大眾市場(chǎng)汽車平臺(tái)中采用此類PKE系統(tǒng)，形勢(shì)正在迅速變化。這一趨勢(shì)所帶來(lái)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)將會(huì)使得PKE系統(tǒng)的性能價(jià)格比對(duì)于最終客戶更具吸引力，從而保證價(jià)格能夠?yàn)橄M(fèi)者接受。
智能無(wú)線系統(tǒng)
表1，PKE智能收發(fā)器要求和解決方案
目前，安全和保密在多個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域中都成為差異化應(yīng)用解決方案的重要部分。汽車行業(yè)也不例外。消費(fèi)者的快速接受進(jìn)一步促進(jìn)了汽車行業(yè)中許多新興熱點(diǎn)應(yīng)用的發(fā)展。安全和保密解決方案在消費(fèi)市場(chǎng)和汽車市場(chǎng)之間提供了一個(gè)協(xié)作的橋梁。許多分析師都預(yù)測(cè)到2008年全球汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)將超過(guò)170億美元。隨著安全和保密應(yīng)用的快速發(fā)展，這一熱點(diǎn)應(yīng)用將有可能占未來(lái)四年時(shí)間里總有效市場(chǎng)（TAM）的近三分之一。
汽車安全應(yīng)用所使用的典型遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)包括一個(gè)安裝在汽車上的控制器和一個(gè)由用戶攜帶的收發(fā)器（或發(fā)射器，即無(wú)線遙控車門(mén)鑰匙）。收發(fā)器（或發(fā)射器）一般包括一個(gè)微控制器（MCU）、RF器件以及按鈕和LED等人機(jī)接口器件。收發(fā)器（或發(fā)射器）通常關(guān)閉，只在按下按鈕或需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才工作。傳統(tǒng)的發(fā)射器用來(lái)向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，因此是單向通信。然而，這一情況正在改變。新型智能收發(fā)器即可發(fā)送數(shù)據(jù)，也可接收數(shù)據(jù)，因此是雙向通信。在雙向通信系統(tǒng)中，控制器（安裝在汽車上）和收發(fā)器（即車鑰匙）可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通信，不需要人機(jī)接口。
利用兩個(gè)頻率可實(shí)現(xiàn)低成本雙向通信收發(fā)器，其中 125 kHz用于接收數(shù)據(jù)，UHF （315、 433、868或915 MHz）用于發(fā)射數(shù)據(jù)。由于125 kHz信號(hào)的傳播能力不強(qiáng)，因此雙向通信的范圍通常在三米以下。由于收發(fā)器本身仍然可以提供按鈕用于可選的其它操作，因此其單向（從收發(fā)器到控制器）發(fā)送按鈕信息的范圍可以更長(zhǎng)。
在此類應(yīng)用中，控制器利用125kHz頻率發(fā)送命令，同時(shí)不斷搜索有效范圍內(nèi)UHF頻率的收發(fā)器響應(yīng)。智能收發(fā)器通常處于接收模式，等待有效的125kHz控制器命令。如果接收到有效的控制器命令，那么收發(fā)器將通過(guò)UHF頻率做出響應(yīng)。這就是通常所說(shuō)的被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)（PKE）系統(tǒng)。傳統(tǒng)搖控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)中的發(fā)射器和新型被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)系統(tǒng)中的收發(fā)器之間最大的差別是后者擁有用于雙向通信的125kHz電路。利用包括數(shù)字和低頻前端電路的集成片上系統(tǒng)（SoC）智能MCU可以實(shí)現(xiàn)低成本PKE收發(fā)器。
由于PKE收發(fā)器的工作依賴于與控制器間的自動(dòng)通信，不需要人機(jī)接口，因此系統(tǒng)工作的可靠性直接依賴于控制器和收發(fā)器之間的信號(hào)狀況。因此面臨的問(wèn)題是，收發(fā)器能否像傳統(tǒng)的人機(jī)接口一樣可靠工作，收發(fā)器（即車鑰匙）的價(jià)格能不能做到與傳統(tǒng)解決方案差不多？
歐洲豪華汽車生產(chǎn)商早已經(jīng)采用了增強(qiáng)安全和保密特色功能，隨著大型亞洲OEM廠商（豐田、尼桑、現(xiàn)代、馬自達(dá)以及大伍等）也開(kāi)始在他們的大眾市場(chǎng)汽車平臺(tái)中采用此類PKE系統(tǒng)，形勢(shì)正在迅速變化。這一趨勢(shì)所帶來(lái)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)將會(huì)使得PKE系統(tǒng)的性能價(jià)格比對(duì)于最終客戶更具吸引力，從而保證價(jià)格能夠?yàn)橄M(fèi)者接受。
智能無(wú)線系統(tǒng)
表1，PKE智能收發(fā)器要求和解決方案
為了使PKE收發(fā)器可靠地工作并且成功地取代傳統(tǒng)RKE發(fā)射器，需要滿足一定的條件。表1概述了其中主要的一些要求和相應(yīng)的解決方案。盡管看起來(lái)PKE收發(fā)器似乎需要復(fù)雜的成本較高的電路才能實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，智能MCU集成了實(shí)現(xiàn)安全雙向通信所需要的所有功能，因此實(shí)際上利用相對(duì)簡(jiǎn)單的低成本電路就可以實(shí)現(xiàn)。
圖1，傳統(tǒng)遙控開(kāi)門(mén)（RKE）系統(tǒng)，數(shù)據(jù)從RKE發(fā)射器傳輸?shù)娇刂破?，因此是單向通信?/p>
圖1給出的是一個(gè)傳統(tǒng)RKE系統(tǒng)。一旦按鈕被按下，RKE發(fā)射器就發(fā)射數(shù)據(jù)?？刂破鹘邮盏綌?shù)據(jù)后，如果數(shù)據(jù)正確就控制執(zhí)行元件打開(kāi)車門(mén)。
圖2，智能被動(dòng)遙控自動(dòng)開(kāi)門(mén)（PKE）系統(tǒng)
智能被動(dòng)遙控自動(dòng)開(kāi)門(mén)（PKE）系統(tǒng)，采用雙向通信。收發(fā)器（鑰匙）利用三個(gè)正交放置的LC共振天線接收控制器命令（125 kHz），并通過(guò)UHF發(fā)射器發(fā)送響應(yīng)。
圖2給出的是一個(gè)智能PKE系統(tǒng)。收發(fā)器上的按鈕用于可選操作，但開(kāi)車門(mén)的動(dòng)作并不需要人工干擾即可自動(dòng)完成。PKE應(yīng)用的雙向通信順序如下：
?。╝）控制器利用125 KHz頻率發(fā)送命令；
?。╞）收發(fā)器利用三個(gè)正交排列的125 kHz共振天線接收125 kHz控制器命令；
?。╟） 如果命令正確，收發(fā)器通過(guò)一個(gè)UHF發(fā)射器發(fā)送響應(yīng)（加密數(shù)據(jù)）；
?。╠）控制器接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)正確則激活開(kāi)關(guān)打開(kāi)車門(mén)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所面臨的挑戰(zhàn)是決定如何提高125 kHz控制器命令的發(fā)射范圍，從而在保證收發(fā)器電池壽命足夠長(zhǎng)的情況下保證可靠的操作。
雙向通信范圍對(duì)輸入靈敏度的要求
在電池供電的收發(fā)器應(yīng)用中，UHF信號(hào)（315/433/915 MHz）的最大通信距離約為100米，但對(duì)于低頻信號(hào)（LF， 125 KHz）則僅有數(shù)米。因此，雙頻率PKE收發(fā)器的通信范圍主要受到125 KHz控制器命令發(fā)射范圍的限制。由于低頻信號(hào)的傳輸特性，125KHz信號(hào)隨著傳輸距離衰減得很快。例如，假設(shè)控制器輸出的天線電壓約300 Vpp，那么大約三米處的收發(fā)器天線接收到的電壓則僅有約3mVpp，這與環(huán)境噪聲的水平差不多。檢測(cè)微弱信號(hào)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。
有人也許會(huì)有疑問(wèn)，為什么不在兩個(gè)方向都使用UHF來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向通信。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的答案是：首先在收發(fā)器中實(shí)現(xiàn)UHF接收器的成本遠(yuǎn)比125 kHz檢測(cè)電路要高，其次，三米的距離對(duì)于大多數(shù)PKE應(yīng)用都足夠了。
為提高125 kHz控制器命令的傳輸范圍，有兩種可能的解決方案可以考慮：提高控制器的發(fā)射功率，或者提高收發(fā)器的輸入靈敏度。然而由于政府管制要求，發(fā)射器的最大功率是有限的。因此，假設(shè)控制器在允許的范圍內(nèi)達(dá)到最大的發(fā)射功率，那么此時(shí)提高輸入信號(hào)檢測(cè)靈敏度是唯一有效的解決方案。為達(dá)到三米的雙向通信距離，收發(fā)器的輸入靈敏度必須達(dá)到3mVpp左右。
收發(fā)器的低頻率天線（例如125 KHz）采用的是LC諧振電路。當(dāng)控制器天線發(fā)射的電磁波的磁場(chǎng)通過(guò)收發(fā)器的線圈天線時(shí)，LC諧振電路感生出電壓。接收線圈的電壓由下式確定：
其中，fo 是諧振頻率、N是線圈的匝數(shù)、S是線圈的截面積、Q是線圈的品質(zhì)因數(shù)、Bo是磁場(chǎng)強(qiáng)度、a是發(fā)射器和接收天線線圈之間的方向角。天線的調(diào)諧頻率fo 由下式給出：
在LC諧振電路物理限制給定的情況下，收發(fā)器的輸入接收電壓在以下情況時(shí)達(dá)到最大，LC電路調(diào)諧到控制器命令的載波頻率（125 kHz），或天線線圈（電感L）正對(duì)著控制器天線。
天線方向問(wèn)題的解決方案
從天線輻射出來(lái)的任何射頻信號(hào)傳播時(shí)都有一定的方向角，如果采用良好的天線，那么會(huì)有很好的方向性（即較窄的輻射角）。從LC諧振電路輻射出來(lái)的低頻（125kHz）信號(hào)其方向性沒(méi)有高頻信號(hào)好，但仍然包含方向性場(chǎng)分量。對(duì)于特定的收發(fā)器設(shè)計(jì)，低頻信號(hào)的通信范圍（感生電壓）取決于控制器和收發(fā)器電線的耦合情況。耦合最佳的情況是兩個(gè)天線面對(duì)面放置。
對(duì)于不需人為干預(yù)的PKE應(yīng)用，收發(fā)器（鑰匙）在車主口袋中可能處于任意角度。因此，收發(fā)器天線與固定在車上的控制器天線處于最佳耦合位置的可能性為30%（x、y、z方向）。如果收發(fā)器有三個(gè)正交排列的天線，那么這一可能性提高到約100%。三個(gè)天線分別置于x、y和z方向。通過(guò)采用三個(gè)正交天線，收發(fā)器能夠接收到控制器從任何方向發(fā)射來(lái)的信號(hào)。
圖 3，收發(fā)器天線方向問(wèn)題圖示。當(dāng)收發(fā)器天線與磁場(chǎng)強(qiáng)度B垂直時(shí)，收發(fā)器接收到的感生電壓最大，此時(shí)收發(fā)器電路與控制器天線正好處于面對(duì)面的位置。
采用特殊的喚醒濾波器延長(zhǎng)電池使用時(shí)間
由于MCU集成了大多數(shù)功能，因此其功耗也最大。所以，為了節(jié)省功耗，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，需要仔細(xì)地管理MCU的工作。在非激活模式下，MCU中處于工作狀態(tài)的電路必須盡量少。收發(fā)器中的智能MCU同時(shí)包括了低頻（LF）前端和數(shù)字部分。LF前端部分不斷尋找輸入信號(hào)。與此同時(shí)，數(shù)字電路部分則處于睡眠模式以減少電池消耗。只有在接收到正確的控制器命令時(shí)，數(shù)字電路部分才會(huì)被喚醒。通過(guò)在LF前端部分采用特殊的喚醒濾波器可以做到這一點(diǎn)。通過(guò)對(duì)LF檢測(cè)電路進(jìn)行編程，使得只有輸入信號(hào)帶有預(yù)先設(shè)定的頭標(biāo)志時(shí)才會(huì)產(chǎn)生輸出。
圖 4，當(dāng)輸入與喚醒濾波器預(yù)設(shè)時(shí)序相符時(shí)的輸入信號(hào)和檢測(cè)器輸出。檢測(cè)器輸出會(huì)喚醒數(shù)字電路部分。
圖4給出了一個(gè)例子。其中當(dāng)控制器命令與預(yù)先編程的濾波器時(shí)序相匹配時(shí)LF檢測(cè)器才能產(chǎn)生輸出。解調(diào)后的檢測(cè)器輸出會(huì)喚醒數(shù)字電路部分。圖5則給出了當(dāng)輸入（控制器命令）與預(yù)先設(shè)定的喚醒濾波器要求不相符合時(shí)的情況。因此，此時(shí)檢測(cè)器輸出無(wú)效，數(shù)字電路部分也不會(huì)被喚醒。喚醒濾波器用來(lái)防止數(shù)字電路部分由于噪聲或其它輸入信號(hào)而被錯(cuò)誤喚醒。這樣就可以減小工作電流并延長(zhǎng)電池壽命。
圖 5，當(dāng)輸入與喚醒濾波器預(yù)設(shè)時(shí)序不匹配時(shí)的輸入信號(hào)和檢測(cè)器輸出。輸入檢測(cè)器的輸出無(wú)效，因此，數(shù)字電路部分不會(huì)被喚醒。
智能PKE收發(fā)器的應(yīng)用
圖6示出了一個(gè)利用智能MCU構(gòu)成的PKE收發(fā)器的例子。由于其通用的智能功能，以及其低成本優(yōu)勢(shì)，智能收發(fā)器能夠用于多種應(yīng)用，特別是汽車和安全行業(yè)中的應(yīng)用。
圖 6，采用智能MCU的被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)（PKE）收發(fā)器配置實(shí)例。收發(fā)器采用三個(gè)正交放置的天線來(lái)探測(cè)來(lái)自x、y和z方向的輸入信號(hào)。
?。╝）汽車行業(yè)
智能被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)（PKE）系統(tǒng)
遙控車庫(kù)門(mén)鎖和開(kāi)門(mén)系統(tǒng)
引擎啟動(dòng)控制
輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)LF啟動(dòng)傳感器
?。╞）安全行業(yè)：
長(zhǎng)距離訪問(wèn)控制
停車位控制
自動(dòng)房門(mén)開(kāi)關(guān)
利用雙向通信方法可以實(shí)現(xiàn)智能無(wú)線汽車通信。采用集成式片上系統(tǒng)（SoC）智能微控制器（MCU）可以實(shí)現(xiàn)低成本雙向通信收發(fā)器。通過(guò)在收發(fā)器中增加一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓充電電路，利用輸入的低頻率控制器命令來(lái)生成一個(gè)直流電壓，那么還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)電池工作。
圖 7，被動(dòng)遙控開(kāi)門(mén)（PKE）收發(fā)器多種應(yīng)用示例，一個(gè)收發(fā)器可用于多種不同的使用控制應(yīng)用。
不僅僅在汽車市場(chǎng)上，事實(shí)上日常生活中的每一天里，安全和保密功能已經(jīng)成為消費(fèi)者日益關(guān)注的問(wèn)題。政府法規(guī)、消費(fèi)者以及汽車生產(chǎn)商的互動(dòng)正在共同推動(dòng)可提高汽車安全性，同時(shí)又不會(huì)犧牲舒適性的創(chuàng)新努力。汽車中不斷增加的通信應(yīng)用使得安全和保密功能被集成到更廣泛的汽車平臺(tái)中。不斷發(fā)展的無(wú)線通信技術(shù)可以將汽車中的獨(dú)立子系統(tǒng)整合起來(lái)。這也預(yù)示著汽車乘員安全性和汽車系統(tǒng)保密性方面的下一次革命。
圖 8，輪胎壓力監(jiān)控傳感器應(yīng)用示例：（a） LF控制器發(fā)送LF命令給輪胎內(nèi)的壓力監(jiān)控模塊；（b）高輸入靈敏度的智能MCU接收到LF命令并通過(guò)UHF發(fā)射器將輪胎壓力數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器。