基于PIC16F639的免持式被動無鑰門禁系統設計

免持式被動無鑰門禁(PKE)正迅速成為汽車遠程無鑰門禁應用的主流，并成為新車型的普遍選項。該方法無需用手按發送器按鈕來鎖上或打開車門，只要擁有一個有效的應答器就可方便地進出車輛。

免持式PKE應用要求基站和應答器單元之間進行雙向通訊。車輛內的基站單元發出一個低頻(LF)命令，搜尋周圍的應答器。一旦車主的應答器被搜索到，該應答器隨即自動回應基站單元。基站單元在收到有效的驗證響應信號后打開車門。

在典型的PKE應用中，將基站單元的輸出功率設計為政府機構規定的電磁輻射標準所允許的最大功率。當工作于9V到12V直流電源下時，可達到的最大天線電壓約為300V峰峰值。由于低頻信號(125kHz)的非傳播特性，距離發送基站單元約兩米外的典型鑰匙扣應答器所接收到的信號電平只有約幾個mV峰峰值。另外，由于天線的方向特性，如果天線沒有朝向基站天線，應答器的輸入信號電平會非常弱。

若PKE無法正常運行，最可能的原因是應答器輸入信號電平太弱。因此，為讓免持式PKE應用可靠工作，輸入信號在任何期望的通訊范圍內都應足夠強(高于輸入靈敏度電平)。為使PKE系統可靠，系統設計工程師必須考慮基站命令信號的輸出功率、應答器的輸入靈敏度、天線的方向性以及應答器的電池使用壽命這四個重要參數。

PIC16F639是一款帶三通道模擬前端(AFE)的MCU，其模擬前端特性由MCU固件控制。由于使用方便，該器件可用于多種智能低頻檢測和雙向通訊應用中。本文討論了利用PIC16F639 MCU實現智能PKE應答器的設計電路示例，并給出了電路中的MCU固件示例。設計工程師可以很方便地根據用戶的特定應用對這些電路和MCU固件進行修改。

圖1：采用雙向通信的智能被動無鑰匙門控(PKE)系統。

PIC16F639 PKE應答器

PIC16F639包括數字MCU部分(PIC16F639內核)和模擬前端(AFE)部分，可用于多種低頻檢測和智能雙向通訊應用。圖1為一個典型的PKE系統示例，基站單元發出一個125kHz的命令信號，搜尋周圍有效的應答器。如果接收到的命令有效，PKE應答器將返回一個響應信號。

PIC16F639器件的模擬輸入靈敏度很高(高達1mV峰峰值)，具有三個天線連接引腳。通過連接指向X、Y和Z方向的三個天線，應答器可隨時接收來自任意方向的信號，從而降低由天線的方向性而造成信號丟失的可能性。各天線引腳的輸入信號的檢測是相互獨立的，并隨后相加。通過對配置寄存器進行編程，每個輸入通道可以被單獨使能或禁止。被使能的通道越少，器件的功耗就越小。

為實現免持操作，應答器連續等待并檢測輸入信號，這會減少電池使用壽命。因此，為減小工作電流，在模擬前端(AFE)搜尋有效輸入信號的同時，數字MCU部分可以處于低電流模式(休眠模式)。只有當AFE檢測到有效輸入信號時，數字MCU部分才被喚醒。通過使用一個輸出使能濾波器(喚醒濾波器)可實現這個功能。PIC16F639具有9個輸出使能濾波器選項。用戶可利用配置寄存器對濾波器進行編程。濾波器一旦被編程，則只有在輸入信號達到濾波器要求時，器件才將檢測到的輸出傳送到數字部分。

圖2：被動無鑰門禁(PKE)應答器的配置電路圖。

圖2為PKE應答器的配置示例。這個應答器包括PIC16F639器件、外部LC諧振電路、按鈕、UHF發送器、后備電池(可選)和3V鋰電池。

數字部分有PORTA和PORTC兩個I/O口。每個PORTA引腳都可被單獨配置為電平變化中斷引腳，而PORTC各引腳沒有電平變化中斷的功能。AFE部分共用數字部分PORTC的RC1、RC2和RC3三個I/O引腳，這些引腳在內部分別連接到AFE的CS、SCLK/ALERT和LFDATA/CCLK/RSSI/SDIO焊盤上。LFDATA/CCLK/RRSI和ALERT為AFE輸出。SDIO、SCLK和CS被用來編程或讀取AFE配置寄存器。

為節省電池能量，AFE部分在檢測LF輸入信號的同時，數字部分通常處于休眠模式。盡管AFE的輸出焊點在內部連接到PORTC引腳，但由于PORTC引腳不是電平變化中斷引腳，所以AFE輸出無法通過電平變化中斷事件喚醒數字部分。因此，建議將AFE的LFDATA和ALERT引腳在外部連接到PORTA引腳，如圖2所示。

數字部分在出現以下三種情況之一時被喚醒：LFDATA引腳有AFE輸出；ALERT引腳有AFE輸出；按下PORTA上的開關按鈕事件。

圖3：由于天線的方向性，在實際應用中，兩個天線平行時檢測距離最大，正交時檢測距離最短。

外部LC諧振天線

PIC16F639器件具有三個低頻輸入通道。LCX、LCY和LCZ引腳用于連接(每個LF輸入通道的)外部LC諧振天線電路。外部電路連接至天線輸入引腳及LCCOM引腳。對所有外部天線電路而言，LCCOM是共用引腳。當內部檢測電路檢測到強輸入信號時，建議在LCCOM引腳與地之間接一個電容(1～10μF)，以提供穩定的工作狀態。

盡管PIC16F639有三個LC輸入引腳與三個外部天線連接，但根據具體應用，用戶可以只用一個或兩個天線，而不是同時使用三個天線。工作電流消耗與使能的通道數成正比，使能的通道越少，消耗的電流越小，但強烈建議在免持式PKE應用中使用所有三個天線。

為檢測低頻磁場，通常要使用調諧環型天線。為使天線電壓最大，環型天線必須精確調諧到所需的頻率。對于PKE應用，應將天線調諧到基站載波頻率。環型天線由構成并聯LC諧振電路的一個線圈(電感)和幾個電容組成。通過增大環路表面積和電路的品質因數(Q)使天線電壓最大。