智能無線通信在汽車安全中的應用

　　圖1給出的是一個傳統RKE系統。一旦按鈕被按下，RKE發射器就發射數據。控制器接收到數據后，如果數據正確就控制執行元件打開車門。

　　圖2，智能被動遙控自動開門（PKE）系統

智能被動遙控自動開門（PKE）系統，采用雙向通信。收發器（鑰匙）利用三個正交放置的LC共振天線接收控制器命令（125 kHz），并通過UHF發射器發送響應。

　　圖2給出的是一個智能PKE系統。收發器上的按鈕用于可選操作，但開車門的動作并不需要人工干擾即可自動完成。PKE應用的雙向通信順序如下：

　　（a）控制器利用125 KHz頻率發送命令；

　　（b）收發器利用三個正交排列的125 kHz共振天線接收125 kHz控制器命令；

　　（c） 如果命令正確，收發器通過一個UHF發射器發送響應（加密數據）；

　　（d）控制器接收到響應數據，如果數據正確則激活開關打開車門。

　　系統設計工程師所面臨的挑戰是決定如何提高125 kHz控制器命令的發射范圍，從而在保證收發器電池壽命足夠長的情況下保證可靠的操作。

　　雙向通信范圍對輸入靈敏度的要求

　　在電池供電的收發器應用中，UHF信號（315/433/915 MHz）的最大通信距離約為100米，但對于低頻信號（LF， 125 KHz）則僅有數米。因此，雙頻率PKE收發器的通信范圍主要受到125 KHz控制器命令發射范圍的限制。由于低頻信號的傳輸特性，125KHz信號隨著傳輸距離衰減得很快。例如，假設控制器輸出的天線電壓約300 Vpp，那么大約三米處的收發器天線接收到的電壓則僅有約3mVpp，這與環境噪聲的水平差不多。檢測微弱信號是系統設計人員面臨的一個極具挑戰性的問題。

有人也許會有疑問，為什么不在兩個方向都使用UHF來實現雙向通信。對這個問題的答案是：首先在收發器中實現UHF接收器的成本遠比125 kHz檢測電路要高，其次，三米的距離對于大多數PKE應用都足夠了。

　　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：提高控制器的發射功率，或者提高收發器的輸入靈敏度。然而由于政府管制要求，發射器的最大功率是有限的。因此，假設控制器在允許的范圍內達到最大的發射功率，那么此時提高輸入信號檢測靈敏度是唯一有效的解決方案。為達到三米的雙向通信距離，收發器的輸入靈敏度必須達到3mVpp左右。

　　收發器的低頻率天線（例如125 KHz）采用的是LC諧振電路。當控制器天線發射的電磁波的磁場通過收發器的線圈天線時，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、S是線圈的截面積、Q是線圈的品質因數、Bo是磁場強度、a是發射器和接收天線線圈之間的方向角。天線的調諧頻率fo 由下式給出：

　　在LC諧振電路物理限制給定的情況下，收發器的輸入接收電壓在以下情況時達到最大，LC電路調諧到控制器命令的載波頻率（125 kHz），或天線線圈（電感L）正對著控制器天線。

　　天線方向問題的解決方案

　　從天線輻射出來的任何射頻信號傳播時都有一定的方向角，如果采用良好的天線，那么會有很好的方向性（即較窄的輻射角）。從LC諧振電路輻射出來的低頻（125kHz）信號其方向性沒有高頻信號好，但仍然包含方向性場分量。對于特定的收發器設計，低頻信號的通信范圍（感生電壓）取決于控制器和收發器電線的耦合情況。耦合最佳的情況是兩個天線面對面放置。

　　對于不需人為干預的PKE應用，收發器（鑰匙）在車主口袋中可能處于任意角度。因此，收發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）。如果收發器有三個正交排列的天線，那么這一可能性提高到約100%。三個天線分別置于x、y和z方向。通過采用三個正交天線，收發器能夠接收到控制器從任何方向發射來的信號。

　　圖 3，收發器天線方向問題圖示。當收發器天線與磁場強度B垂直時，收發器接收到的感生電壓最大，此時收發器電路與控制器天線正好處于面對面的位置。

　　采用特殊的喚醒濾波器延長電池使用時間

　　由于MCU集成了大多數功能，因此其功耗也最大。所以，為了節省功耗，延長電池使用時間，需要仔細地管理MCU的工作。在非激活模式下，MCU中處于工作狀態的電路必須盡量少。收發器中的智能MCU同時包括了低頻（LF）前端和數字部分。LF前端部分不斷尋找輸入信號。與此同時，數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，數字電路部分才會被喚醒。通過在LF前端部分采用特殊的喚醒濾波器可以做到這一點。通過對LF檢測電路進行編程，使得只有輸入信號帶有預先設定的頭標志時才會產生輸出。

　　圖 4，當輸入與喚醒濾波器預設時序相符時的輸入信號和檢測器輸出。檢測器輸出會喚醒數字電路部分。