汽 车 无 线 安 全 接 入 技 术 解 决 方 案 Youbok Lee 主 任 工 程 师 Willie Fitzgerald 产 品 营 销 总 监 Microchip Technology Inc. 引 言 全 球 汽 车 半 导 体 面 临 极 大 的 市 场 机 会, 而 汽 车 设 计 工 程 师 正 在 应 对 高 性 价 比 的 性 能 增 强 功 耗 小 尺 寸 和 安 全 性 等 多 方 面 的 技 术 挑 战 本 文 以 可 收 发 数 据 的 最 新 智 能 应 答 器 为 例, 向 中 国 汽 车 设 计 工 程 师 介 绍 了 在 汽 车 无 线 安 全 接 入 系 统 设 计 中 解 决 这 些 挑 战 的 技 术 方 法 正 文 因 为 汽 车 制 造 厂 商 均 尽 全 力 希 望 在 激 烈 的 竞 争 中 赢 得 先 机, 因 此 对 更 安 全 保 密 性 更 强 的 汽 车 需 求 便 成 了 占 得 先 机 的 一 条 绝 佳 途 径 消 费 者 对 安 全 和 保 密 性 的 要 求 日 益 强 烈, 激 起 了 汽 车 电 子 的 发 展 随 之 而 来 的 便 是, 汽 车 制 造 厂 商 要 如 何 实 现 高 性 价 比 面 向 性 能 的 电 子 控 制 方 案 安 全 和 保 密 性 的 解 决 方 案 成 为 汽 车 制 造 厂 商 的 目 标 和 消 费 者 需 求 之 间 的 一 条 纽 带 Strategy Analytics( 总 部 位 于 美 国 马 萨 诸 塞 州 波 士 顿 的 一 家 全 球 性 市 场 研 究 公 司 ) 预 计 : 到 2011 年, 全 球 的 汽 车 电 子 市 场 规 模 将 达 到 213 亿 美 元, 而 中 国 就 占 其 中 的 14 亿 据 Strategy Analytics 预 测, 在 中 国, 安 全 与 保 密 性 电 子 控 制 模 块 所 使 用 的 半 导 体 大 约 占 到 中 国 汽 车 半 导 体 的 18% 从 已 在 使 用 的 遥 控 无 钥 门 禁 应 用, 到 被 动 无 钥 门 禁 (PKE) 系 统 胎 压 监 测 系 统 电 子 缴 费 ( 收 费 ) 与 蓝 牙 免 提 系 统 等 新 兴 应 用, 无 线 系 统 在 车 辆 应 用 中 正 不 断 涌 现 这 些 无 线 连 接 是 推 动 安 全 与 保 密 性 模 块 发 展 的 技 术 手 段, 由 这 些 模 块 构 成 了 驾 驶 员 所 希 望 的 各 种 特 性 而 其 它 面 向 安 全 与 保 密 性 应 用 的 专 用 短 距 离 无 线 通 信 解 决 方 案 的 出 现, 则 只 受 到 高 性 价 比 技 术 可 用 性 的 限 制 除 缩 短 上 市 时 间 与 增 加 功 能 的 传 统 压 力 外, 设 计 工 程 师 还 面 临 高 性 价 比 的 性 能 增 强 功 耗 小 尺 寸 和 加 密 安 全 等 多 种 挑 战 例 如, 我 们 可 以 看 一 下 代 表 当 今 系 统 架 构 师 所 面 临 众 多 挑 战 的 无 线 系 统 可 收 发 数 据 的 最 新 智 能 应 答 器 在 这 种 双 向 通 信 系 统 中, 基 站 与 应 答 器 可 在 没 有 人 工 干 预 的 情 况 下 自 动 通 信 这 种 低 成 本 双 向 通 信 应 答 器 可 设 计 成 采 用 两 个 工 作 频 率 : 接 收 数 据 用 125 khz; 1
发 送 数 据 用 UHF(315 433 868 或 915 MHz) 由 于 125 khz 信 号 的 非 传 播 特 性, 双 向 通 信 距 离 一 般 不 超 过 3 米 而 由 于 该 应 答 器 还 拥 有 执 行 可 选 操 作 的 按 钮, 故 当 按 下 按 钮 时, 支 持 ( 从 应 答 器 向 基 站 ) 单 向 发 送 按 钮 信 息, 其 单 向 传 输 距 离 更 长 在 这 些 应 用 中, 基 站 用 125 khz 频 率 发 送 命 令, 同 时 等 待 附 近 的 有 效 应 答 器 以 UHF 频 率 发 回 响 应 智 能 应 答 器 一 般 处 于 接 收 模 式 并 等 待 任 何 有 效 的 125 khz 基 站 命 令 一 旦 接 收 到 任 何 有 效 的 基 站 命 令, 应 答 器 便 以 UHF 频 率 发 送 响 应 这 就 是 我 们 所 说 的 被 动 无 钥 门 禁 系 统 因 PKE 系 统 采 用 125 khz 电 路 进 行 双 向 通 信, 所 以 低 成 本 小 体 积 及 低 功 耗 的 PKE 应 答 器 可 采 用 具 有 数 字 与 低 频 前 端 的 集 成 系 统 级 芯 片 (SoC) 智 能 单 片 机 (MCU) 来 实 现 PKE 系 统 难 点 随 着 设 计 工 程 师 获 得 更 多 的 系 统 经 验, 他 们 日 益 面 临 如 下 挑 战 : 如 何 既 设 计 出 可 靠 的 PKE 应 答 器 功 能 使 其 成 为 传 统 PKE 应 答 器 的 一 种 高 性 价 比 替 代 设 备, 同 时 又 确 保 它 能 达 到 特 定 的 系 统 目 标 表 1 列 出 了 系 统 设 计 工 程 师 所 面 临 的 一 些 主 要 技 术 难 点 及 其 解 决 方 案 尽 管 PKE 应 答 器 看 起 来 似 乎 需 要 用 复 杂 而 昂 贵 的 电 路 才 能 实 现, 但 设 计 工 程 师 所 面 临 的 那 些 难 点 已 通 过 使 用 一 些 相 对 简 单 的 廉 价 电 路 而 得 到 解 决, 该 电 路 以 一 个 智 能 PIC 单 片 机 (PIC16F639) 为 核 心, 包 含 了 所 有 必 要 功 能 来 满 足 安 全 双 向 通 信 要 求 图 1 显 示 一 种 智 能 PKE 系 统 它 还 拥 有 用 于 可 选 操 作 的 按 钮, 但 主 要 操 作 无 需 任 何 人 工 干 预 即 可 完 成 PKE 应 用 的 双 向 通 信 顺 序 如 下 : 基 站 用 125 KHz 频 率 发 送 命 令 ; 应 答 器 用 3 付 正 交 LC 谐 振 天 线 接 收 125 KHz 基 站 命 令 ; 如 果 命 令 有 效, 则 应 答 器 通 过 一 个 UHF 发 射 机 发 出 响 应 ( 加 密 数 据 ); 基 站 接 收 响 应, 如 果 数 据 正 确, 则 启 动 开 关 设 计 工 程 师 所 面 临 的 其 中 一 个 挑 战 是 如 何 以 高 性 价 比 的 设 计 方 案 实 现 系 统 的 性 能 增 强, 这 些 增 强 包 括 : 通 信 距 离 天 线 方 向 性 小 封 装 加 密 安 全 及 门 锁 开 / 关 条 件 下 的 低 功 耗 等 实 现 的 设 计 能 改 善 接 收 125 khz 基 站 命 令 信 号 的 距 离 以 保 证 可 靠 操 作, 并 保 持 应 答 器 的 电 池 能 长 时 间 工 作, 从 而 满 足 主 要 的 系 统 增 强 要 求 2
主 要 技 术 难 点 表 1 PKE 智 能 应 答 器 的 主 要 技 术 难 点 及 其 解 决 方 案 解 决 方 案 体 积 小 成 本 低 包 含 智 能 通 信 所 需 的 大 部 分 数 字 与 模 拟 电 路 的 集 成 系 统 级 芯 片 智 能 MCU 双 向 通 信 使 用 125 KHz 及 UHF 两 种 频 率 最 长 3 米 的 双 向 通 信 距 离 天 线 方 向 性 强, 传 播 角 度 窄 将 应 答 器 输 入 灵 敏 度 增 加 至 3 mvpp 采 用 3 付 正 交 天 线 应 答 器 需 要 3 个 输 入 信 道, 每 付 天 线 1 个 信 道 延 长 电 池 寿 命 器 件 特 性 : - 消 耗 最 小 的 工 作 电 流 - 无 输 入 信 号 时 保 持 休 眠 状 态 - 采 用 特 殊 唤 醒 滤 波 器 : 智 能 MCU 只 能 由 一 条 有 效 的 基 站 命 令 唤 醒, 而 对 噪 声 不 响 应 数 据 安 全 采 用 KEELOQ 加 密 技 术 等 数 据 加 / 解 密 算 法 图 1 采 用 双 向 通 信 的 智 能 被 动 无 钥 门 禁 (PKE) 系 统 3
双 向 通 信 距 离 的 输 入 灵 敏 度 要 求 在 电 池 供 电 应 答 器 应 用 中,UHF(315/433/915 MHz) 的 最 大 通 信 距 离 大 约 为 100 米, 但 用 低 频 (LF, 125 khz) 只 能 达 到 几 米 的 通 信 距 离 因 此, 双 频 PKE 应 答 器 的 通 信 距 离 主 要 受 125 khz 基 站 命 令 作 用 距 离 的 限 制 由 于 低 频 信 号 的 非 传 播 特 性,125 khz 信 号 会 随 距 离 增 加 而 快 速 衰 减 例 如, 假 设 基 站 输 出 300 Vpp 左 右 的 天 线 电 压, 则 由 大 约 3 米 距 离 上 的 应 答 器 的 线 圈 天 线 所 感 应 的 电 压 大 约 仅 为 3 mvpp, 与 应 用 环 境 的 噪 声 电 平 相 当 因 此, 如 何 有 效 地 检 测 弱 信 号 是 系 统 设 计 工 程 师 所 面 临 的 一 个 主 要 性 能 问 题 为 增 加 125 khz 基 站 命 令 的 作 用 距 离, 可 考 虑 以 下 两 种 可 能 的 解 决 方 案 :(a) 增 加 基 站 发 射 机 的 发 射 功 率 ; 或 (b) 提 高 应 答 器 的 输 入 灵 敏 度 基 站 发 射 机 的 最 大 发 射 功 率 一 般 受 政 府 规 定 的 限 制, 因 此, 假 设 基 站 发 射 的 最 大 功 率 处 于 允 许 范 围 内, 则 上 述 第 二 种 提 高 输 入 信 号 检 测 灵 敏 度 的 方 法, 即 是 唯 一 有 效 的 解 决 方 案 为 达 到 3 米 的 双 向 通 信 距 离, 应 答 器 输 入 灵 敏 度 须 达 到 3 mvpp 左 右 天 线 方 向 性 问 题 的 解 决 方 案 由 天 线 单 元 辐 射 的 任 何 无 线 电 信 号 都 会 在 一 定 的 方 向 角 度 内 传 播, 且 天 线 性 能 越 好, 信 号 传 播 的 方 向 性 越 强 ( 即 辐 射 角 度 越 窄 ) 由 LC 谐 振 电 路 所 辐 射 的 低 频 (125 khz) 信 号 虽 不 像 高 频 信 号 那 样 具 有 方 向 性, 但 它 仍 具 有 一 定 的 方 向 性 在 给 定 的 应 答 器 设 计 条 件 下, 低 频 信 号 的 通 信 距 离 ( 或 感 应 电 压 ) 取 决 于 基 站 天 线 与 应 答 器 天 线 的 耦 合 程 度 当 两 付 天 线 面 对 面 相 对 时, 其 耦 合 最 佳 对 于 免 提 PKE 应 用, 应 答 器 放 在 您 口 袋 中 的 方 向 可 以 是 任 意 的 因 此, 应 答 器 天 线 面 向 固 定 基 站 天 线 方 向 的 概 率 最 高 只 有 30% 左 右 (x y z 方 向 ) 但 如 果 应 答 器 具 有 3 付 正 交 天 线, 则 此 概 率 可 提 高 到 接 近 100% 天 线 分 别 放 在 x y 和 z 方 向 上 通 过 利 用 三 个 正 交 放 置 的 天 线, 应 答 器 可 以 获 得 任 何 给 定 方 向 上 的 基 站 信 号 运 用 特 殊 唤 醒 滤 波 器 节 省 电 池 能 量 唤 醒 滤 波 器 可 有 效 地 控 制 单 片 机 PIC16F639 的 工 作 以 节 省 电 池 能 量 而 且, 单 片 机 必 须 在 非 活 动 模 式 期 间 以 最 少 的 电 路 工 作 应 答 器 中 的 PIC16F639 芯 片 含 有 低 频 前 端 与 数 字 电 路, 低 频 前 端 总 是 在 搜 索 输 入 信 号, 而 数 字 部 分 则 处 于 休 眠 模 式 以 节 省 电 池 消 耗, 且 只 有 在 收 到 一 条 有 效 基 站 命 令 时 才 被 唤 醒 ( 或 激 活 ) 这 可 通 过 在 低 频 前 端 部 分 中 使 用 一 个 特 殊 唤 醒 滤 波 器 来 实 现 此 外, 低 频 检 测 电 路 还 可 编 程 为 仅 在 输 入 信 号 带 有 预 定 数 据 包 头 才 有 输 出 4
唤 醒 滤 波 器 用 来 防 止 数 字 部 分 被 噪 声 或 意 外 的 输 入 信 号 唤 醒 因 此, 可 有 效 节 省 工 作 电 流 及 电 池 能 量 功 率 管 理 除 利 用 特 殊 滤 波 器 来 节 省 电 池 能 量 外,PIC16F639 还 具 有 专 利 的 纳 瓦 (nanowatt) 技 术, 可 使 系 统 设 计 工 程 师 对 片 上 外 设 拥 有 更 大 的 控 制, 包 括 可 以 通 过 几 种 软 件 可 选 速 度 选 项 将 频 率 降 至 32 KHz 的 8 MHz 内 部 振 荡 器 极 低 休 眠 电 流 消 耗 以 及 快 速 启 动 的 内 部 振 荡 器, 可 支 持 低 功 耗 系 统 设 计 周 期 性 唤 醒 机 制 包 括 低 功 率 实 时 时 钟 工 作 超 低 功 率 唤 醒 特 性 与 扩 展 型 低 功 率 看 门 狗 定 时 器 利 用 这 些 广 泛 的 功 率 管 理 特 性, 设 计 工 程 师 可 在 应 用 软 件 中 实 施 功 率 节 省 概 念, 并 以 更 低 的 系 统 成 本 来 获 得 对 整 体 系 统 功 耗 的 更 紧 密 控 制 小 封 装 PIC 单 片 机 系 列 有 多 种 封 装 选 项 6 至 80 引 脚 的 器 件 可 满 足 各 种 封 装 要 求 不 超 过 20 引 脚 的 封 装 选 项 在 无 线 接 入 系 统 中 特 别 适 用 于 空 间 有 限 的 应 用 MCU 同 时 具 备 小 外 形 集 成 的 先 进 片 上 外 设 和 高 性 价 比 等 特 性, 为 系 统 设 计 工 程 师 提 供 了 一 个 功 能 强 大 的 设 计 基 石, 便 于 创 建 出 增 强 型 系 统, 从 而 解 决 无 线 系 统 实 现 中 的 难 点 图 2 具 有 无 线 安 全 接 入 的 各 种 应 用 5
加 密 支 持 专 利 的 KEELOQ 加 密 技 术 这 一 全 球 标 准 为 认 证 无 钥 门 禁 及 其 他 远 程 接 入 控 制 系 统 提 供 了 一 种 高 性 价 比 解 决 方 案, 如 图 2 所 示 KEELOQ 加 密 技 术 采 用 经 业 界 验 证 的 跳 码 编 码 (code hopping encoding) 方 法 当 编 码 器 件 激 活 时 代 码 会 自 动 改 变 并 安 全 发 送 通 过 基 于 编 / 解 码 器 对 的 实 现, 编 码 器 位 于 远 端 并 发 送 一 个 滚 动 码 ID# 与 计 数 器 值 ; 解 码 器 则 位 于 接 收 器 中, 并 对 远 端 编 码 器 所 发 送 的 信 息 进 行 解 码 它 存 储 其 侦 听 到 的 远 端 设 备 识 别 号 与 计 数 器 值, 解 码 器 只 有 在 侦 听 到 远 端 设 备 时 才 允 许 访 问 KEELOQ 加 密 是 一 种 通 过 复 杂 公 式 及 32 位 随 机 数 发 生 器 来 实 现 的 高 度 安 全 算 法 小 结 未 来 汽 车 中 无 线 安 全 接 入 系 统 的 设 计 工 程 师 可 能 会 遇 到 各 种 不 同 挑 战, 像 PIC 系 列 这 种 高 性 价 比 的 单 片 机 可 为 车 辆 中 的 无 线 系 统 提 供 一 种 成 熟 可 靠 的 构 建 模 块 低 成 本 双 向 通 信 应 答 器 采 用 集 成 系 统 级 芯 片 解 决 方 案 实 现, 这 是 一 个 为 驾 驶 员 提 供 增 强 型 安 全 与 保 密 性 的 无 线 系 统 的 实 例 无 需 任 何 人 工 干 预,PKE 应 答 器 即 可 接 收 低 频 基 站 命 令 并 通 过 UHF 发 射 机 以 加 密 数 据 进 行 响 应 可 装 在 驾 驶 员 口 袋 中 的 小 型 PKE 应 答 器, 也 可 自 动 开 关 车 门 而 无 需 任 何 干 预 对 于 停 车 场 入 口 应 用, 驾 驶 员 不 用 停 车 即 可 直 接 开 进 停 车 场, 因 为 系 统 会 自 动 识 别 3 米 左 右 有 效 使 用 距 离 内 的 PKE 应 答 器 无 线 安 全 接 入 系 统 可 满 足 一 些 驾 车 者 对 安 全 与 保 密 性 不 断 提 高 的 要 求 除 消 费 者 外, 政 府 管 理 部 门 与 汽 车 制 造 厂 商 本 身 也 在 推 出 ( 或 打 算 推 出 ) 相 应 的 计 划 来 提 高 汽 车 中 的 安 全 与 保 密 性 创 新 这 些 创 新 不 会 以 牺 牲 消 费 者 利 益 为 代 价 的 各 个 子 系 统 的 集 成 正 引 发 对 乘 客 安 全 与 保 密 性 的 下 一 次 变 革, 以 期 通 过 增 强 型 无 线 安 全 接 入 系 统 为 汽 车 制 造 商 带 来 更 大 的 竞 争 优 势 Microchip 的 名 称 和 徽 标 组 合 Microchip 徽 标 dspic KeeLoq KeeLoq 徽 标 MPLAB PIC PICmicro PICSTART PIC32 徽 标 rfpic 和 UNI/O 均 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 和 其 他 国 家 或 地 区 的 注 册 商 标 FilterLab Hampshire HI-TECH C Linear Active Thermistor MXDEV MXLAB SEEVAL 和 The Embedded Control Solutions Company 均 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 的 注 册 商 标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro chipkit chipkit 徽 标 CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense HI-TIDE In-Circuit Serial 6
Programming ICSP Mindi MiWi MPASM MPLAB Certified 徽 标 MPLIB MPLINK mtouch Omniscient Code Generation PICC PICC-18 PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail REAL ICE rflab Select Mode Total Endurance TSHARC UniWinDriver WiperLock 和 ZENA 均 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 和 其 他 国 家 或 地 区 的 商 标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在 美 国 的 服 务 标 记 在 此 提 及 的 所 有 其 他 商 标 均 为 各 持 有 公 司 所 有 2011, Microchip Technology Inc. 版 权 所 有 7