用单一MCU实现遥控开锁和轮胎压力感测系统

在汽车内部的指令和控制系统中，由于相对较短的通信距离和各个子系统都位置固定，再加上安全和可靠性等因素，使无线通信在汽车电子中的应用受到限制，给人的印象是必要性不大。另外，控制区域网络(Control Area Network)总线的出现也使系统的连接大为简化，重量减轻很多。然而，在汽车中心有些应用如遥控开锁(Remote Keyless Entry ,RKE)以及轮胎压力感测(Tire Pressure Sensing ,TPS)等，无线连接则能非常简单地实现。 无源遥控开锁 遥控开锁技术自从前几年出现后，得到了很好改进。早期的系统只需要从按键到车辆控制器发射一个序列约几个bits的数据，控制器只是简单验证该序列是否正确，然后决定是否打开车门锁。这样的系统从安全角度讲非常不完善，在信号发射，通信时容易被截获，偷车人可发射所有可能的序列组合，或通过截获开锁密码，容易地进入车内而不必破坏车辆，这样也就不易被人发现。 目前所用的RKE系统通过加长密码序列来防止这类问题，要想解密所有的数据几乎不可能。另外为了防止密码被截获，RKE系统在每次按键时都改变密码，这种技术称为编码跳跃(code hopping)，在密码每次发射时进行加密。接收器在解密时，需要确认计数器从前次储存发射数据增加一定值，这种高度安全的解决方案借助于Microchip公司的Keeloq家族编码跳跃产品非常容易。 可以预见，未来的车门控制将使用无源遥控开锁(Passive Keyless Entry， PKE)系统，车主携带控键靠近车门时将被激活，在车主拉车门时，汽车将确认控键已靠近车门，并自动将门打开。这种技术需要双向无线通信系统，汽车首先向控键发射数据，控键加密数据并发送回汽车，如图1所示。 双向通信的TPS系统 在有些高档汽车中已经安装了压力感测系统，但最近交通事故数据显示，错误的轮胎压力是造成这些事故的主要原因之一，迫使汽车生产厂商在所有汽车产品中安装轮胎压力感测系统。感测系统一般包括传感器，用来测定轮胎内的温度和压力，并不断将数据通过RF链路传给汽车中的接收器，该接收器与一警告显示器相连，这样车内的司机就可随时了解轮胎是气压不足还是过高。 但其中的一个问题是如何区分数据来自哪一个轮胎，这可以通过下述方式解决。一是给轮胎编上序号，二是使用选向性接收器，三是根据汽车转向时不同轮车转速不同确定。这几种方法各有所长，优劣不能一概而论。编号方法在换轮胎或轮胎位置变化时容易混淆，需要重新编号。选向接收器和转速法非常复杂，成本也高。 功耗在TPS系统中是另一问题，单向数据通信中，传感器需要周期性地加电，并传送压力、温度等数据，在汽车不用时往往也需这样。为解决电池使用寿命问题，可在轮胎中使用一长寿命电池，并安装附加的加速度计，在汽车开动时，才将传感器加电。但这会增加重量并使成本提高。 虽然可以设计出基于一个电池的单向通信系统，并维持10年的使用寿命，但理想的解决方案是在每一个车轮和接收器之间实现双向无线连接，如图2所示。双向通信方式不必同时解决车轮的辨认问题，因为此时司机可以选择车轮进行测量，而且也可减低系统功耗，在汽车不用时，司机可将传感器断电。 通信手段 PKE和TPS系统都可通过双向无线连接实现，但问题是在合适的功耗、通信距离、成本以及物理尺寸之间进行适当折衷。现有的控键、轮胎传感器到汽车控制器之间的数据交换可用RF发射器实现，但简单地将发射器改为收发器是不可取的，收发器必须要永久加电，会很快将电源耗尽，因此应在控键和轮胎中都应有一低功耗接收器，利用一共振LC电路产生125KHz或13.56MHz的电磁波，通过电磁波的通和断来进行数据通信，因此控键和轮胎处的接收器只需增加一LC电路即可。 对于开锁控键，这种方案虽解决了功耗和体积问题，但在作用距离、数据传送率等方面有局限性。PKE和TPS都要求1~2米的通信距离，需要敏感的低功耗输入检测电路。另一个限制是电磁场的方向性，这使接收器的位置非常关键。在TPS系统中这不称其为问题，因轮轴附近的位置变化并非很大。但在PKE系统中，控键的位置就很随意，为解决方向性问题，需要两两正交地安装三组LC，以三个LC敏感输入电路进行三维接收。 Microchip的Keeloq家族是传统RKE系统的标准产品，设计者只要增加LC电路的数量，将三维敏感输入电路集成到一起，即可构成PKE解决方案。 低功耗RF 前面谈到，由控键或轮胎到汽车控制器通信使用现有RF电路的315和433MHz频段，低功耗RF设计主要基于表面声波(SAW)谐振器，这种技术只需极少量器件即可构成一高性价比的幅移键控(ASK)RF发射器。但由于各国对于RF辐射的限制越来越严格，上述方法逐渐被基于锁相环(PLL)的技术所取代。使用PLL技术，可利用接收器的窄带宽得到更远的作用距离。由于在低频段的饱和及干扰影响，一些设计已经高达868或915MHz。基于PLL的设计也使之与MCU集成在一个封装内，Microchip的 rfPIC器件即是一例，它物理尺寸很小，非常适合于无线控制，集成解决方案也减少了所需器件的数量，频移键控(FSK)设计在提供3dB增益的同时，受噪声影响也较低，这种集成可使FSK设计更容易满足当地RF法律的要求。 安全可靠性 TPS系统的设计源由出自于安全性考虑，它只是对轮胎压力出现的异常给司机提出警告，因此如果TPS系统的失效将给厂商和用户带来同样不可估量的损失，必须重视系统的安全可靠性问题。 轮胎内压力传感器必须能够长时间承受高温和高加速度，由于车轮中金属量很多，并在高速转动，对于无线链路天线的安装提出了很高的要求。TPS系统经常忽视的问题也是安全性，如果系统安全性不好，偷车人可靠近汽车，测得发射的压力测量数据，然后发出一假的低压力信号，在司机下车检查轮胎时将汽车劫持。 双向通信系统可部分解决该问题，因接收器知道何时来自某一轮胎的发射信号，而且信号电磁波辐射的强度也不是很高，偷车人难以可靠地检测到。如果进一步提高系统的安全性，可使用加密机制，并以随机的时间和顺序来检测轮胎的压力。 在PKE和TPS系统之间存在着许多相似之处，很显然它们可以共用一些元器件。在系统级，它们可共用RF接收器接收来自控键和轮胎压力传感器的信号，产生电磁场激活压力传感器的电感同样可用来激活PKE键。两者结合的系统结构如图3所示。 在器件级，同一MCU可同时实现压力传感器以及控键接口。该MCU只需很低的待机电流，2V的工作电压，一个可靠的板上E2PROM来存储控键的安全信息以及压力传感器的校准值等。将来可实现转发器输入电路与RF发射器的进一步集成，那时所需的外部器件将更少。 结语 虽然无线技术可使汽车与Internet、电话等连接，对于汽车中的其它应用并非优势特别明显。但TPS和PKE却是近期无线技术在汽车中应用的极好例证，两系统的相似之处可使设计者将二者结合起来，构成一可靠、价位适中的完美解决方案。■(麦凯)

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