遥控车门开关系统的原理和设计方案分析

前言

　　汽车防盗、报警功能以及门禁控制将成为汽车安全控制系统必备的功能之一。通过对Maxim公司的发射器MAXl472、接收器MAXl473以及微控制器芯片DS80C323等器件的应用,得出一套较为完整的遥控车门开关系统的原理和设计方案。该系统在低功耗、收发距离与可靠性以及安全性方面具有明显的优势,可使RKE系统有效控制范围扩大一倍。

　　RKE系统对于提高汽车的防盗性、控制性有重要意义。大多数RKE系统具有汽车防盗、报警功能以及用于汽车、行李箱的门禁控制,其中一些系统还包括遥控启动汽车和汽车寻找的功能。新一代RKE有望采用双向通信,安装在汽车内遥控车门开关PKE(Remote Keyless Entry)方案对于汽车的配置来说,已经作为一种标准配置,成为汽车不可或缺的部分。RKE系统对于提高汽车的防盗性、控制性有重要意义。大多数RKE系统具有汽车防盗、报警功能以及用于汽车、行李箱的门禁控制,其中一些系统还包括遥控启动汽车和汽车寻找的功能。新一代RKE有望采用双向通信,安装在汽车内的接收装置会发送数据,为司机提供油量和轮胎压力等信息。

　　RKE系统设计中的最大挑战是在RKE发射机和接收机中实现低功耗,同时实现远距离通信与高可靠性;特别作为一种开关门禁系统,有关安全性方面的问题也是至关重要的。本设计提出一种高安全性RKE系统的实现方案,详细介绍了系统的硬件原理电路、软件流程设计以及实现编码解码的原理。

1　系统总体设计

　　1.1 RKE系统的工作原理

　　RKE系统由类似钥匙扣的发射机和安装在车内的接收机构成。通常工作在315～450 MHz的IsM频段。在欧洲开放了868 MHz频段,以满足遥控车门开关系统日益增长的需求。

　　图l为RKE系统的简单框图。由框图可以看出,用户按下钥匙扣上的按钮开关即可触发系统工作,唤醒RKE钥匙扣内部的CPU,CPU则发送数据流到射频(RF)发射机。数据流通常是64～128位长,包括1个前置位、1个命令码和1个滚动码,采用2～20 kHz的发送速率。在车内的RKE射频接收机捕捉射频信号并解调,传送数据流给cPu,由cPu对数据进行译码并发送指令到指令模块。调制方式为幅度键控(AsK),主要目的是延长钥匙扣的电池寿命。

　　1.2 RKE系统的设计要求

　　RKE系统设计的关键是在低电流消耗下实现具有稳定性、可靠性和保密性的低成本系统。因此系统对功耗、收发距离、可靠性和保密性的设计要求是至关重要的。

　　(1)功耗管理

　　对于发射机,电池需要3～5年的寿命;对于接收机,电池寿命同样重要。因为接收机必须始终保持工作状态,监听用户数据的传输。典型指标要求,平均电流不超过1 mA。解决这个问题的方法之一就是,让接收机在一段重要时间内保持工作状态,保证这段时问足够长以判定是否存在合法的传输;而接收机在剩余的时间里休眠,同时接收机必须具有快速唤醒的能力,以最大化利用已存储的能量。

　　(2)收发距离与可靠性

　　RKE应用需要好的收发距离和可靠的传输。提高接收机的灵敏度和发射机的功率(电流消耗没有显著增加)直接影响到收发距离与可靠性。显而易见,低成本是一个要求,因为需要安装百万个这样的系统。

　　(3)安全性

　　RKE系统的通信数据应该具有保密性,不易被他人窃取。早期使用固定密码方式,容易被破解;近来的RKE系统逐渐采用具有跳变编码功能的集成电路实现,大大提高了安全性。

2　 硬件电路设计

　　RKE系统是由钥匙扣发射模块和车内接收模块组成的。

2.1钥匙扣发射模块

　　钥匙扣发射模块由按钮开关、CPU、射频发射器和钮扣电池组成,电路原理如图2所示。模块采用3 V的钮扣电池供电。表1为50 Ω输出时,不同频率下元件参数值,其数值受PCB布局的影响。

　　(1)按钮扫描

　　发射模块接入3个按钮,分别作为上锁、解锁、寻车功能,分别与微控制器DS80C323的3个外部中断INTO、INTl和INT3相接。按下任一按钮是将DS80C323唤醒,并进入相应的中断处理程序中。处理完毕后,重新进入待机模式。3个LED分别显示3个按钮的状态。有按钮按下时,相应的LED会被点亮。

　　(2)微控制器DSSOC323

　　DS80C323是Maxim公司出品的一款低功耗快速单片机,其在外部电路的接法以及操作指令方面完全兼容80C51系列。DS80C323具有6个外部中断,并具有电源故障管理功能,工作电压范围为2.7～5.5 V。

　　DS80C323的功能是利用其外部中断对按钮进行扫描,并将扫描的结果加密编码,通过P1.O送给发射器的数据端DATA。DS80C323的P1.1控制发射器的唤醒。

      (3)射频发射器MAX1472

　　MAXl472是VHF/UHF基于锁相环的ASK/00K发射器,工作在300～450 MHz频段,支持高达100 kbps的数据速率。当工作电压降至2.1 V时脱离单节锂电池工作,在待机模式仅消耗100 nA的电流;匹配于50Ω系统时,MAXl472的功率放大器能够提供+10 dBm的输出电平,并保持高于43%的效率。MAXl472发射机特别适合于低成本、高容量、体积是关键因素的应用。

　　一旦MAXl472的使能引脚电平有效,MAXl472仅需250μs便可使PLL和晶振稳定工作并发射数据。MAX1472使用基于晶体的PLL,避免了许多基于LC滤波或者SAW发送器的常见问题。内部固有的晶体频率精度需要更窄的接收机中频带宽,以改善系统灵敏度。使用MAXl473,可将中频带宽从600kHz减至50 kHz,获得9 dB的灵敏度改善。灵敏度的改善意味着RKE系统可实现更长距离传输和更高的传输可靠性。

　　2.2车内接收模块

车内接收模块由射频接收器、微控制器和汽车指令执行机构等组成。射频接收器将接收到的00K调制数据解调为原始数据;微控制器将原始数据解码去密得到有效的指令信息,并送给指令执行机构,由指令执行机构完成相应的动作。

　　考虑到车内接收模块要始终处于工作状态,微控制器仍使用快速低功耗的DS80C323,并由DS80C323控制接收器处于工作/休眠交替的间歇休眠状态。

　　对于射频接收器,使用与发射器MAXl472配对的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频段,具有一114 dBm的高灵敏度、高于50 dB的镜像载波抑制。这款芯片在关断模式下电流消耗低于1.5μA,在接收模式电流消耗为5.2 mA。MAXl473可接收最高达100 kbps的数据速率,从关断模式到有效数据输出的过渡时间小于250 μs。MAXl473包含一个一级自动增益控制(AGC)电路,在射频输入信号电平大于一57dBrm时,可降低低噪声放大器(LNA)35dB的增益。接收器使用带有接收信号强度指示(RSSD的10.7 MHz中频滤波器,带有集成压控振荡器VCD的片上锁相环(PLL)以及基带数据恢复电路。MAXl473仅需很少的外围元件即可构成RKE系统接收模块的射频前端,如图3所示。

3　系统软件流程设计

　　发射端软件流程如图4所示。　

按所处理任务的不同,接收模块分为三种工作状态：唤醒与休眠交替的监听状态、接收数据的状态和处理接收数据的状态。接收系统应始终处在间歇休眠的状态,以监听外来的信息。当收到有效的通信命令后,触发系统接收数据。数据接收完毕后,对数据进行相关的处理,并有执行机构完成相应的操作,而接收系统则重新进入监听状态。

4　 系统编码解码设计

　　总体上讲,一个单向RKE系统由一个控制端(钥匙扣发射模块)与一个执行端(车内接收模块)组成。其中控制端将控制信息经过编码、调制后发射,执行端则接收、解调、解码并根据控制信息执行相应的操作。单向RKE系统的安全关键在于编码。早期使用固定密码方式容易受到“无线侦听”,易被破解。这里使用跳变密码技术,可有效地避免“无线侦听”,提高安全性。以下介绍系统编解码设计原理。

　　系统通过微控制器DSC80C323软件编程实现编解码过程。

　　编码过程如图6(a)所示。编码器检测到按键输入,把系统从省电状态中唤醒,同步计数加l,与序列号一起经密匙加密后形成密文数据,并同键值等数据发送出去。由于同步计数值每次发送都不同,即使是同一按键多次按下也不例外。同步计数自动向前滚动,发送的码字不会再发生。滚动范围为216个记数值。传送过程中有新的键按下,则终止当前发送并开始新的传送;否则,不管是不是按键已经松开,完成发送并进入休眠状态。

　　解码过程如图6(b)所示。解码电路接收到数据包后,将键值与密文分开,并将密文用密匙解密后还原为序列号和同步计数值,并在核对序列号及同步计数值后依照键值驱动相应的执行机构。

结语

      汽车防盗、报警功能以及门禁控制将成为汽车安全控制系统必备的功能之一。通过对Maxim公司的发射器Max1472 、接收器Max1473以及微控制器芯片DS80C323等器件的应用，得出一套完整的遥控车门开关系统的原理和设计方案。该系统在低耗、收发距离与可靠性以及安全性方面具有明显的优势，可使RKE系统有效控制范围扩大一倍。目前，我们正在这方面继续努力，争取开拓更加广阔的应用空间。