專 題 製 作 期 末 書 面 報 告 PIC16F639 的 PKE 系 統 之 低 頻 應 答 器 設 計 指 導 老 師 : 彭 嘉 美 博 士 班 級 : 電 四 勤 學 號 :9441068 學 生 : 張 嘉 宏
目 錄 摘 要 與 心 得 (1) 第 一 章 : 緒 論 (2) 1.1 研 究 動 機 1.2 研 究 目 的 1.3 系 統 流 程 圖 1.4 系 統 設 計 分 析 1.5 前 人 研 究 成 果 之 回 顧 (4) 第 二 章 : 研 究 材 料 與 方 法 (5) 2.1 材 料 清 單 與 設 備 2.2 實 現 方 法 第 三 章 : 結 果 與 討 論 (7) 3.1 比 較 表 3.2 實 驗 成 果 3.3 討 論 第 四 章 : 結 論 (12) 第 五 章 : 參 考 文 獻 (13) 第 六 章 : 誌 謝 (14) 附 錄 A: 圖 目 錄 圖 1-PKE 通 向 通 信 系 統 (15) 圖 2-PKE 應 答 器 配 置 電 路 圖 3-PIC16F639 框 圖 (16) 圖 4- 天 線 方 向 關 係 (17) 圖 5- 推 薦 應 答 器 電 路 板 上 天 線 佈 局 圖 6-20 引 腳 示 意 圖 (18) 圖 7-20 引 腳 封 裝 標 示 信 息 小 型 外 裝 SS0P 5.30mm 圖 8- 應 答 器 原 理 圖 (19) 圖 9- 解 調 器 充 放 電 現 象, 信 號 波 形 0 跟 1 變 化 (20) 圖 10- 模 擬 前 端 功 能 框 圖 圖 11- 內 部 振 盪 器 信 號 時 序 (21) 圖 12- 輸 出 使 能 濾 波 器 禁 止 時 輸 入 信 號 和 解 調 器 輸 出 圖 13- 當 輸 出 使 能 濾 波 器 使 能, 且 輸 入 滿 足 濾 波 器 時 序 要 求 時 (22) 附 錄 B: 表 目 錄 表 1-20 支 引 腳 匯 總 表 2- PIC16F639 引 腳 說 明 (23) 表 3- 設 計 手 冊 應 答 器 材 料 清 單 (24)
摘 要 被 動 無 鑰 匙 門 禁 (Passive Keyless Entry,PKE) 正 迅 速 成 為 汽 車 過 程 無 鑰 門 禁 應 用 的 主 流, 並 成 為 新 型 汽 車 的 普 遍 選 擇 使 用 該 系 統 時, 無 需 用 手 按 發 送 器 按 扭 來 鎖 上 或 打 開 車 門, 車 主 只 要 擁 有 一 個 有 效 的 應 答 器, 範 圍 就 可 方 便 地 進 出 車 輛, 免 持 式 PKE 用 系 统 要 求 基 站 與 應 答 器 採 用 雙 向 通 信 系 統, 車 輛 中 的 基 站 單 元 會 發 送 一 組 低 频 (Low-Frequency,LF)125kHz 指 令 用 以 搜 尋 一 定 有 效 範 圍 内 的 應 答 器, 從 車 主 手 裡 應 答 器 有 效 的 驗 證 响 應 信 號 後 打 開 車 門, 它 就 會 自 動 响 應 基 站 單 元 關 鍵 詞 : 使 用 PIC16F639 的 PKE 系 統 設 計 用 戶 手 冊 Data shett 被 動 無 鑰 門 禁 PKE 參 考 設 計 用 戶 手 冊 心 得 : 其 實 老 師 都 採 取 自 動 自 發 的 學 習, 也 許 我 很 少 發 問, 所 以 有 時 實 驗 進 行 也 很 難 做 到, 老 師 沒 什 麼 給 我 壓 力 也 沒 放 棄 指 導, 我 有 在 乎 跟 投 入 專 題 製 作 中, 所 以 才 給 自 我 一 些 心 理 壓 力, 協 助 的 學 長 有 時 又 很 忙 也 沒 空 幫 我 或 給 予 指 教, 或 許 在 放 暑 假 時 沒 來 趕 排 定 的 進 度 規 劃, 在 忙 打 工 的 事 情, 導 致 我 預 期 希 望 做 到 的 系 統 配 置 電 路 模 組 還 不 算 是 完 整 的 目 標 呈 現, 但 還 是 有 些 美 中 不 足 的 地 方, 但 在 實 驗 過 程 中 難 免 都 會 碰 到 挫 折 跟 困 難, 有 時 很 沮 喪, 但 我 覺 得 在 所 學 本 系 中 這 是 非 常 重 要 的 課 題, 也 是 表 現 出 在 專 業 能 力 實 驗 上 的 態 度, 所 以 才 能 保 有 堅 持 到 底 決 心 跟 在 自 我 要 求 下 都 克 服 了 1
第 一 章 緒 論 1.1 研 究 動 機 專 題 製 作 因 為 對 控 制 電 路 有 興 趣, 所 以 跟 指 導 老 師 討 論 找 出 汽 車 中 的 控 制 系 統 來 研 究 及 實 驗, 由 於 設 計 使 用 者 只 要 考 慮 PKE 系 統 的 四 大 重 要 參 數 1. 基 站 指 令 信 號 的 輸 出 功 率 2. 應 答 器 的 輸 入 靈 敏 度 3. 天 線 的 方 向 性 4. 備 用 電 池 和 無 電 池 模 式, 參 考 文 獻 也 很 完 整 詳 細, 該 PKE 控 制 系 統 也 是 完 整 的 一 種 通 訊 系 統 1.2 研 究 目 的 為 了 要 達 成 應 答 器 中 的 發 射 器 對 接 收 器 採 用 單 方 向 通 信 系 統 當 發 射 器 傳 送 一 組 125kHz 指 令 調 變 後 ASK 方 波, 經 由 線 性 極 化 天 線 幅 射 傳 送 到 接 收 器 當 三 副 平 行 面 對 天 線 可 隨 時 接 收 來 自 任 意 方 向 後, 應 答 器 單 元 的 PIC16F639 單 晶 片 的 解 碼 器 解 到 命 令 有 效, 則 發 射 信 號 後 內 部 的 震 盪 器 重 新 在 震 盪 該 信 號 產 生 出 解 調 變 後 的 方 波,PKE 的 應 答 器 會 自 動 响 應 出 該 方 波 信 號 1.3 系 統 流 程 圖 2
1.4 系 統 設 計 分 析 為 了 要 使 PKE 系 統 穩 定 工 作, 系 統 設 計 者 必 須 考 慮 以 下 重 要 參 數 : 1. 基 站 指 令 信 號 的 輸 出 功 率 2. 應 答 器 的 輸 入 靈 敏 度 3. 天 線 的 方 向 性 參 考 圖 4- 推 薦 應 答 器 電 路 板 上 天 線 佈 局 如 果 3 個 天 線 在 同 一 PCB 板 上 的 位 置 相 互 正 交, 可 大 大 减 少 天 線 方 向 問 題, PCB 空 間 允 許 的 情 况 下, 使 空 芯 天 線 (LCZ) 的 尺 寸 有 可 能 得 大, 有 可 能 擴 大 天 線 之 間 的 間 隔, 以 减 小 它 們 之 間 的 耦 合,LCZ 使 用 1 個 大 型 空 芯 線, 而 LCX 和 LCY 則 使 用 2 支 鐵 氧 體 磁 芯 線 圈, 參 考 附 圖 1 在 應 答 器 電 路 板 上 放 置 三 個 天 線 的 圖 示 4. 備 用 電 池 和 無 電 池 模 式 附 圖 1 中 D4 和 C1 形 成 了 備 用 電 池 電 路, 當 連 接 了 電 池 後,C1 得 到 完 全 充 電 當 電 池 短 暫 斷 開 時,C1 將 提 供 Vdd 5. 外 部 諧 振 天 線 LC 諧 振 天 線 的 工 作 原 理 為 了 檢 測 低 頻 磁 場, 通 常 使 用 調 諧 環 型 天 線, 為 了 使 天 線 電 壓 最 大, 環 型 天 線 必 須 精 確 調 諧 到 所 需 的 頻 率, 對 於 PKE 應 用, 應 將 天 線 調 諧 到 基 站 載 波 頻 率, 環 型 天 線 由 線 圈 電 感 和 電 容 器 組 成, 它 們 構 成 了 一 個 並 聯 LC 諧 振 電 路, 通 過 增 加 環 路 的 表 面 積 和 電 路 的 品 質 因 數 Q, 可 將 天 線 兩 端 的 電 壓 增 至 最 大,LC 諧 振 電 路 的 諧 振 頻 率 公 式 如 下 : 3 註 :L 為 環 路 的 電 感 C 為 電 容
1.5 前 人 研 究 成 果 之 回 顧 在 典 型 PKE 應 用 中, 基 站 單 元 輸 出 的 最 大 功 率, 應 設 定 在 電 磁 輻 射 標 準 允 許 的 範 圍 内 該 標 準 由 政 府 機 構 制 定 當 系 统 工 作 在 9 至 12VDC 電 源 下 時 可, 達 到 的 最 大 天 線 電 壓 大 约 为 300 VPP, 由 於 低 频 (125 khz) 信 號 具 有 非 傳 播 屬 性 距, 離 發 送 基 站 單 元 约 兩 米 外 的 典 型 鑰 匙 扣 應 答 器 所 接 收 到 的 信 號 電 頻 只 有 约 幾 個 mvpp 另 外, 由 於 天 線 的 方 向 屬 性, 如 果 天 線 未 對 準 基 站 天 線, 應 答 器 上 輸 入 信 號 的 電 頻 會 非 常 弱 1. 基 站 指 令 信 號 的 輸 出 功 率 基 站 單 元 輸 出 的 最 大 功 率 應 設 定 政 府 機 構 制 定 當 系 統 工 作 在 9 至 12VDC 電 源 時 可, 達 到 的 最 大 天 線 電 壓 大 約 為 300Vpp 距 離 發, 送 基 站 單 元 約 兩 米 外 的 典 型 鑰 匙 扣 應 答 器 接 收 到 的 信 號 電 頻 只 有 約 幾 個 mvpp 2. 應 答 器 的 輸 入 靈 敏 度 PIC16F639 器 件 有 較 高 的 模 擬 輸 入 靈 敏 度 ( 高 達 1mVpp) 跟 三 個 天 線 連 接 引 腳, 通 過 連 接 三 個 分 別 指 向 X 軸 Y 軸 Z 軸 的 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 互 相 獨 立 的, 並 在 隨 後 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 3. 天 線 的 方 向 性 公 式 下 中 的 SQB ocosα 項 代 表 天 線 的 有 效 表 面 積 定, 義 為 環 路 外 於 入 射 磁 場 中 的 面 積, 當 SQB o COSα 等 於 1 時 天 線 有 效 表 面 積 最 大, 此 時 基 站 和 應 答 器 單 元 的 天 線 面 對 面, 在 實 際 應 用 中 兩 個 平 行 時 檢 測 距 離 最 大, 這 種 設 計 會 提 高 任 何 時 刻 至 少 有 一 個 應 答 器 天 線 朝 向 基 站 天 線 的 概 率 4. 備 用 電 池 和 無 電 池 模 式 在 實 際 應 用 中 可 能 會 遇 到 突 發 事 件 使 電 池 暫 時 從 電 路 中 斷 開, 例 如 當 應 答 器 掉 落 到 硬 質 表 面 上 時, 若 是 此 種 情 況, 儲 存 在 MCU 中 的 數 據, 可 能 無 法 正 確 恢 復 為 避 免 電 池 意 外 脫 離, 用 戶 可 以 考 慮 使 用 備 用 電 池 電 路, 備 用 電 池 電 路 為 應 答 器 暫 時 提 供 Vdd 電 壓 建 設 在 精 密 應 答 器 中 採 用 這 種 電 路, 但 並 不 是 所 有 應 用 都 必 須 採 用 它, 對 於 無 電 池 模 式, 當 PIC16F639 用 於 需 要 無 電 池 進 行 的 防 碰 撞 應 答 器 用 中, 這 種 電 源 電 路 很 有 用, 根 據 不 同 應 用, 在 無 電 池 模 式 下 的 電 容 C1 的 值 幾 個 μf 至 幾 法 拉 (F) 不 等 4
第 二 章 研 究 材 料 與 方 法 2.1 材 料 清 單 1 材 料 清 單 2 5
設 備 : 電 源 供 應 器 示 波 器 工 具 : 儀 表 Escort ELC-131D 熱 熔 膠 鑽 孔 機 曝 光 機 蝕 刻 機 裁 切 機 熱 風 槍 2.2 實 現 方 法 首 先 依 照 PIC16F639 設 計 用 戶 手 冊 的 PKE 系 統 配 置 示 例 完 成 SSOP 封 裝 PIC16F639 單 晶 片 PCB 板 後 並 實 現 麵 包 版 的 模 組 再, 利 用 麵 包 版 的 配 置 電 路, 用 Protel 99 SE Layout 圖 轉 成 PCB 板 模 組 該, 實 驗 採 單 向 的 通 訊 傳 輸 系 統, 發 射 器 傳 送 一 組 125kHz 指 令, 經 過 線 性 極 化 天 線 輻 射 出 電 磁 波 到 接 收 器 的 三 副 電 感 天 線 平 行 面 對 面 時 產 生 耦 合 後, 檢 測 最 大 距 離 為 100cm, 天 線 收 到 信 號 時 再, 讓 PIC16F639 數 據 引 腳 震, 盪 器 在 重 新 把 發 射 的 信 號 ASK 調 變 方 波 再 震 盪 過, 該 器 件 訊 號 產 生 器 再 輸 出 解 調 後 的 方 波, 則 方 波 的 脈 衝 高 低 電 位 有 充 放 電 情 形 6
第 三 章 結 果 與 討 論 如 上 圖 比 較 表 所 示 得 到 的 結 果, 實 驗 一 效 果 跟 距 離 是 最 佳 的, 在 實 驗 搭 配 情 形 表 中 的 LCX 磁 條 電 感 天 線 很 明 確 得 到 電 感 量 較 少, 品 質 因 數 是 最 好 的 3.2 實 驗 成 果 實 現 ( 麵 包 板 ) 125kHZASK 解 調 方 波 7
實 驗 流 程 圖 比 對 125kHZ ASK 解 調 方 波 信 號 ( 原 始 )125kHZ ASK 調 變 方 波 信 號 8
四 種 實 驗 檢 測 距 離 ( 正 面 ) 9
檢 測 距 離 ( 側 面 ) 信 號 結 果 10
3.3 討 論 尋 找 其 他 符 合 標 準 能 用 的 磁 性 介 質 材 料 或 塑 膠 性 材 料 及 把 鐵 粉 換 磁 粉 來 做 有 效 的 搭 配 方 法, 依 照 系 統 設 計 者 條 件 並, 考 慮 改 善 重 要 四 項 參 數 以 讓 PKE 系 統 更 穩 定 的 工 作, 還 有 LC 諧 振 電 路 的 設 計, 有 效 的 電 阻 值 與 匹 配 電 感 量 所 允 許 的 數 值 跟 提 升 品 質 因 素 Q 值, 要 延 長 125kHZ 基 站 命 令 的 作 用 距 離, 考 慮 以 下 可 能 的 解 决 方 案 : 增 加 基 站 發 射 機 的 發 射 功 率, 基 站 發 射 機 的 最 大 發 射 功 率 一 般 由 政 府 規 範 而 定 11
第 四 章 結 論 PIC16F639 是 一 種 易 於 使 用 低 成 本 且 安 全 的 雙 向 通 信 系 統, 應 答 器 可 用 於 多 種 免 接 觸 被 動 無 鑰 匙 門 禁 應 用 系 统 圖 1- 應 答 器 和 基 站 给 出 了 應 答 器 和 基 站 的 原 理 圖 示 例, 圖 2- 給 出 了 被 動 式 無 鑰 匙 門 禁 (PKE) 應 答 器 基 本 的 配 置 電 路 圖, 另 外 也 提 供 了 應 答 器 與 基 站 的 固 體 示 例, 參 照 用 PIC16F639 的 PKE 系 統 用 戶 設 計 手 冊 的 應 用 目 的 12
第 五 章 參 考 文 獻 DATA sheet 使 用 PIC16F639 的 PKE 系 统 用 戶 設 計 手 冊,DS41232B_CN,Microchip Technology Inc. 圖 目 錄 圖 1-PKE 雙 向 通 信 系 統,PIC16F639 的 PKE 系 统 用 戶 設 計 手 冊 圖 2- PKE 應 答 器 配 置 電 路,PIC16F639 的 PKE 系 统 用 戶 設 計 手 冊 圖 3-PIC16F639 框 圖,DATA sheet 圖 4- 天 線 方 向 關 係,PIC16F639 的 PKE 系 统 用 戶 設 計 手 冊 圖 5- 推 薦 應 答 器 電 路 板 上 天 線 佈 局,PIC16F639 的 PKE 系 统 用 戶 設 計 手 冊 圖 6-20 引 腳 示 意 圖,DATA sheet 圖 7-20 引 腳 封 裝 標 示 信 息 小 型 外 裝 SS0P 5.30mm,DATA sheet 圖 8- 應 答 器 原 理 圖,PIC16F639 的 PKE 系 统 用 戶 設 計 手 冊 圖 9- 解 調 器 充 放 電 現 象, 信 號 波 形 0 跟 1 變 化,DATA sheet 圖 10- 模 擬 前 端 功 能 框 圖,DATA sheet 圖 11- 內 部 振 盪 器 信 號 時 序,DATA sheet 圖 12- 輸 出 使 能 濾 波 器 禁 止 時 輸 入 信 號 和 解 調 器 輸 出,DATA sheet 圖 13- 當 輸 出 使 能 濾 波 器 使 能, 且 輸 入 滿 足 濾 波 器 時 序 要 求 時,DATA sheet 表 目 錄 表 1-20 支 引 腳 匯 總,DATA sheet 表 2- PIC16F639 引 腳 說 明,DATA sheet 表 3- 設 計 手 冊 應 答 器 - 材 料 清 單,DATA sheet 作 者 跟 出 處 :Youbok Lee, Ph.D. Microchip Technology Inc. 13
第 六 章 誌 謝 非 常 感 謝 陳 ㄧ 鋒 主 任 提 供 鐵 粉, 彭 嘉 美 老 師 提 供 單 晶 片 IC 鋰 電 池 +3V 少 量 元 件 電 池 座 還 有 一 學 期 的 共 同 指 導, 黃 景 東 老 師 在 專 題 製 作 英 文 簡 報 比 賽 嘉 獎 的 獎 勵 金, 洪 清 池 老 師 糾 正 指 導 王 譯 鋒 學 長 提 供 基 戰 單 元 的 車 輛 用 的 433MHz 頻 率 發 射 器 和 線 性 極 化 天 線 梁 勝 傑 學 長 李 岡 陵 學 長 簡 嘉 德 學 長 陳 立 慶 學 長 簡 志 成 學 長 王 文 辰 學 長 周 逸 東 學 長 沈 素 梅 學 姊 盧 怡 雅 學 妹 的 幫 助 跟 意 見 修 正 和 鼓 勵, 並 感 謝 材 料 室 跟 射 頻 通 訊 實 驗 室 供 應 器 材 跟 零 件, 讓 我 能 順 利 的 完 成 專 題 製 作 進 度 再, 次 非 常 感 謝 彭 老 師 的 教 誨 指 導 14
附 錄 A: 圖 目 錄 圖 1-PKE 雙 向 通 信 系 統 圖 2- PKE 應 答 器 配 置 電 路 15
圖 3- 天 線 方 向 關 係 圖 4- 推 薦 應 答 器 電 路 板 上 天 線 佈 局 16
圖 5-PIC16F639 框 圖 17
圖 6-20 引 腳 示 意 圖 圖 7-20 引 腳 封 裝 標 示 信 息 小 型 外 裝 SS0P 5.30mm 18
圖 8- 應 答 器 原 理 圖 19
圖 9- 解 調 器 充 放 電 現 象 信 號 波 形 0 跟 1 變 化 圖 10- 模 擬 前 端 功 能 框 圖 20
圖 11- 內 部 振 盪 器 信 號 時 序 圖 12 輸 出 使 能 濾 波 器 禁 止 時 輸 入 信 號 和 解 調 器 輸 出 21
圖 13 ( 當 輸 出 使 能 濾 波 器 使 能, 且 輸 入 滿 足 濾 波 器 時 序 要 求 時 ) 附 錄 B: 表 目 錄 表 -20 支 引 腳 匯 總 22
表 1-PIC16F639 引 腳 說 明 23
表 2- 設 計 手 冊 應 答 器 材 料 清 單 24