智能无线通信在汽车安全中的应用

作者：时间：2011-07-22 来源：网络收藏

　　图1给出的是一个传统RKE系统。一旦按钮被按下，RKE发射器就发射数据。控制器接收到数据后，如果数据正确就控制执行元件打开车门。

　　图2，智能被动遥控自动开门（PKE）系统

智能被动遥控自动开门（PKE）系统，采用双向通信。收发器（钥匙）利用三个正交放置的LC共振天线接收控制器命令（125 kHz），并通过UHF发射器发送响应。

　　图2给出的是一个智能PKE系统。收发器上的按钮用于可选操作，但开车门的动作并不需要人工干扰即可自动完成。PKE应用的双向通信顺序如下：

　　（a）控制器利用125 KHz频率发送命令；

　　（b）收发器利用三个正交排列的125 kHz共振天线接收125 kHz控制器命令；

　　（c）如果命令正确，收发器通过一个UHF发射器发送响应（加密数据）；

　　（d）控制器接收到响应数据，如果数据正确则激活开关打开车门。

　　系统设计工程师所面临的挑战是决定如何提高125 kHz控制器命令的发射范围，从而在保证收发器电池寿命足够长的情况下保证可靠的操作。

　　双向通信范围对输入灵敏度的要求

　　在电池供电的收发器应用中，UHF信号（315/433/915 MHz）的最大通信距离约为100米，但对于低频信号（LF， 125 KHz）则仅有数米。因此，双频率PKE收发器的通信范围主要受到125 KHz控制器命令发射范围的限制。由于低频信号的传输特性，125KHz信号随着传输距离衰减得很快。例如，假设控制器输出的天线电压约300 Vpp，那么大约三米处的收发器天线接收到的电压则仅有约3mVpp，这与环境噪声的水平差不多。检测微弱信号是系统设计人员面临的一个极具挑战性的问题。

有人也许会有疑问，为什么不在两个方向都使用UHF来实现双向通信。对这个问题的答案是：首先在收发器中实现UHF接收器的成本远比125 kHz检测电路要高，其次，三米的距离对于大多数PKE应用都足够了。

　　为提高125 kHz控制器命令的传输范围，有两种可能的解决方案可以考虑：提高控制器的发射功率，或者提高收发器的输入灵敏度。然而由于政府管制要求，发射器的最大功率是有限的。因此，假设控制器在允许的范围内达到最大的发射功率，那么此时提高输入信号检测灵敏度是唯一有效的解决方案。为达到三米的双向通信距离，收发器的输入灵敏度必须达到3mVpp左右。

　　收发器的低频率天线（例如125 KHz）采用的是LC谐振电路。当控制器天线发射的电磁波的磁场通过收发器的线圈天线时，LC谐振电路感生出电压。接收线圈的电压由下式确定：

　　其中，fo 是谐振频率、N是线圈的匝数、S是线圈的截面积、Q是线圈的品质因数、Bo是磁场强度、a是发射器和接收天线线圈之间的方向角。天线的调谐频率fo 由下式给出：

　　在LC谐振电路物理限制给定的情况下，收发器的输入接收电压在以下情况时达到最大，LC电路调谐到控制器命令的载波频率（125 kHz），或天线线圈（电感L）正对着控制器天线。

　　天线方向问题的解决方案

　　从天线辐射出来的任何射频信号传播时都有一定的方向角，如果采用良好的天线，那么会有很好的方向性（即较窄的辐射角）。从LC谐振电路辐射出来的低频（125kHz）信号其方向性没有高频信号好，但仍然包含方向性场分量。对于特定的收发器设计，低频信号的通信范围（感生电压）取决于控制器和收发器电线的耦合情况。耦合最佳的情况是两个天线面对面放置。

　　对于不需人为干预的PKE应用，收发器（钥匙）在车主口袋中可能处于任意角度。因此，收发器天线与固定在车上的控制器天线处于最佳耦合位置的可能性为30%（x、y、z方向）。如果收发器有三个正交排列的天线，那么这一可能性提高到约100%。三个天线分别置于x、y和z方向。通过采用三个正交天线，收发器能够接收到控制器从任何方向发射来的信号。

　　图 3，收发器天线方向问题图示。当收发器天线与磁场强度B垂直时，收发器接收到的感生电压最大，此时收发器电路与控制器天线正好处于面对面的位置。

　　采用特殊的唤醒滤波器延长电池使用时间

　　由于MCU集成了大多数功能，因此其功耗也最大。所以，为了节省功耗，延长电池使用时间，需要仔细地管理MCU的工作。在非激活模式下，MCU中处于工作状态的电路必须尽量少。收发器中的智能MCU同时包括了低频（LF）前端和数字部分。LF前端部分不断寻找输入信号。与此同时，数字电路部分则处于睡眠模式以减少电池消耗。只有在接收到正确的控制器命令时，数字电路部分才会被唤醒。通过在LF前端部分采用特殊的唤醒滤波器可以做到这一点。通过对LF检测电路进行编程，使得只有输入信号带有预先设定的头标志时才会产生输出。