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遥控门禁(RKE)系统的设计要求

导读: 随着RKE在新车市场和售后配件市场的普及,遥控门禁(RKE)系统在汽车用户中越来越受欢迎。本篇应用笔记介绍了RKE系统并讨论系统设计如何满足发射距离、电池寿命、可靠性、成本等各项要求。该应用笔记给出了实际电路和设计方法,并提出双向通信系统在未来的发展趋势。

  遥控门禁(RKE)系统已经备受用户的青睐,北美80%以上、欧洲70%以上的新车均安装了RKE系统。除了显而易见的便捷性,RKE用于开启汽车制动装置的技术还具有防盗作用。欧洲汽车生产厂商与保险公司合作,要求购置汽车保险时汽车要安装RKE系统。德国已开始推行这一政策,预计在几年内会扩展到整个欧洲。

  大多数RKE系统采用单向(单工)通信,但第二代、第三代RKE系统将提供返回到钥匙的逆向通信双工操作,可以通知车主需要加油或需要增加左前轮胎压。

  RKE系统包括钥匙扣(或钥匙)中的一个无线发射器,它向安装在车内的接收器发出一串短脉冲数子信号,信号经过解码,通过接收器控制传动机构,打开或关闭车门或行李箱。在美国和日本该无线载波频率为315MHz,欧洲则使用433.92MHz (ISM频段)。日本的RKE系统采用频移键控FSK调制,其他绝大部分国家则采用幅移键控ASK调制,它的载波幅度调制在两个电平。为了减小功耗,通常取低电平接近于0,于是产生了开关键控(OOK)调制。

  RKE系统说明和设计目标典型的RKE系统(图1)是在钥匙扣或钥匙上安装一个微控制器。对于汽车而言,按下控制装置一个按钮,将唤醒微控制器。微控制器向钥匙的射频发射器送出一串64位或128位的数据流,经过载波调制,用简单的环状印制板天线(虽然效率不高,但环状天线可以设置在PCB上,造价低廉,使用广泛)辐射出去,实施开锁操作。

 

  

  图1. RKE系统包括一个钥匙扣发射电路(图中下部)和车辆内部的接收机(图中上部)。

 

  在车辆中,射频接收器捕捉到发射数据,并直接将它传到另一个微控制器,完成解码后发出正确的控制信息,以启动引擎或打开车门。具有多个按钮的钥匙控制器还可以选择打开驾驶门、全部车门或行李箱等。

  数据流以2.4kbps至20kbps速率发射,通常由以下字段组成:前导码、操作码、校验位和“滚动码”,滚动码在每次使用后会修改自身数值,以保证车辆的安全性。如果没有滚动码,发送的信号可能会意外地开启另一车辆,或由于发射码每小偷盗取,然后用它开启车辆。

  有几个主要目标支配着RKE系统的设计。与所有大批量生产的汽车零部件一样,它们都必须具备低成本和高可靠性。发射机和接收机都应该消耗最小功率,因为更换钥匙控制器的电池非常麻烦,为汽车电池充电更为复杂。RKE系统设计人员一方面要关注这些要求,另一方面还必须确保一定的接收灵敏度、载波容限以及其它技术参数,在满足低成本、小电流限制的情况下,实现最大的发射范围。

  其它的限制包括:当地对近距离通信设备的管理规定,例如美国的FCC规定。近距离通信设备不需要申请许可证,但产品本身受各国的不同法律和规则制约。对于美国,相关管理文件是联邦政府管理条例(CFR),标题47的第15部分,它覆盖了260MHz至470MHz波段(15.231节)和902MHz至928MHz波段(15.249节) (请参考:http://www.access.gpo.gov/nara/cfr/waisidx_01/47cfr15_01.html)。

  以下提供了一些FCC标准对RKE设计的限制。

  按照15.231节规定,允许设备发射命令或控制信号、 ID码,允许在紧急情况下发射无线控制信号,但不能是声音或图像信号、玩具控制信号或连续数据。

  传输时间不能超过5秒;只有当重复传输频率低于每小时一次时,才允许固定间隔、持续时间可以达到1秒(最长)的发射周期。

  发射天线三米以内的最大场强在3750µV/m到12500µV/m以内,线性正比于基频频率(260MHz至470MHz)。

  频带内下降20dB的频偏不超过中心频率的0.25%;杂散辐射应该比基频信号的增益衰减20dB。

  以下各部分详细探讨与RKE系统设计相关的问题,先从载波频率的产生开始。

  载波发生器第一代RKE电路使用了声表面波(SAW)器件产生发射器的RF载波和接收器的本振(LO)。不幸的是,SAW器件初始频率的不确定性至少为±100kHz,并且随温度变化其频率稳定性相对较差。在接收端,如果IF通带过宽,则在接收载波时会收到过多的噪声,从而限制了汽车响应钥匙控制信号的距离。

  目前可以代替SAW器件的方案是选择基于晶体的锁相环(PLL)。PLL的使用主要源自日益严格的RF辐射规则,尤其是在欧洲和日本。使用晶振PLL的发射器比使用SAW谐振器的发射器价格略微贵一点,但精度一般提高十倍。因此接收器具有较窄的IF带宽,由于提高了SNR,可以提高发射距离。

  早期的SAW器件设计工作在带宽为1.74MHz的433MHz频段(433.05MHz至434.79MHz)的中点,以保证在工艺和温度变化时保证系统的可靠性。因此,对标称载波频率为433MHz的应用,现在频率是433.92MHz,于是必须根据这一频率选择PLL晶体。

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