遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方案分析

1、前言汽車(chē)防盜、報(bào)警功能以及門(mén)禁控制將成為汽車(chē)安全控制系統(tǒng)必備的功能之一。通過(guò)對(duì)maxim公司的發(fā)射器maxl472、接收器maxl473以及微控制器芯片ds80c323等器件的應(yīng)用,得出一套較為完整的遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在低功耗、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),可使rke系統(tǒng)有效控制范圍擴(kuò)大一倍。rke系統(tǒng)對(duì)于提高汽車(chē)的防盜性、控制性有重要意義。大多數(shù)rke系統(tǒng)具有汽車(chē)防盜、報(bào)警功能以及用于汽車(chē)、行李箱的門(mén)禁控制,其中一些系統(tǒng)還包括遙控啟動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)尋找的功能。新一代rke有望采用雙向通信,安裝在汽車(chē)內(nèi)遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)pke(remote keyless entr

2、y)方案對(duì)于汽車(chē)的配置來(lái)說(shuō),已經(jīng)作為一種標(biāo)準(zhǔn)配置,成為汽車(chē)不可或缺的部分。rke系統(tǒng)對(duì)于提高汽車(chē)的防盜性、控制性有重要意義。大多數(shù)rke系統(tǒng)具有汽車(chē)防盜、報(bào)警功能以及用于汽車(chē)、行李箱的門(mén)禁控制,其中一些系統(tǒng)還包括遙控啟動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)尋找的功能。新一代rke有望采用雙向通信,安裝在汽車(chē)內(nèi)的接收裝置會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù),為司機(jī)提供油量和輪胎壓力等信息。rke系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最大挑戰(zhàn)是在rke發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)低功耗,同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信與高可靠性;特別作為一種開(kāi)關(guān)門(mén)禁系統(tǒng),有關(guān)安全性方面的問(wèn)題也是至關(guān)重要的。本設(shè)計(jì)提出一種高安全性rke系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案,詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件原理電路、軟件流程設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)編碼解碼的原

3、理。1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.1 rke系統(tǒng)的工作原理rke系統(tǒng)由類(lèi)似鑰匙扣的發(fā)射機(jī)和安裝在車(chē)內(nèi)的接收機(jī)構(gòu)成。通常工作在315450 mhz的ism頻段。在歐洲開(kāi)放了868 mhz頻段,以滿(mǎn)足遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求。圖l為rke系統(tǒng)的簡(jiǎn)單框圖。由框圖可以看出,用戶(hù)按下鑰匙扣上的按鈕開(kāi)關(guān)即可觸發(fā)系統(tǒng)工作,喚醒rke鑰匙扣內(nèi)部的cpu,cpu則發(fā)送數(shù)據(jù)流到射頻(rf)發(fā)射機(jī)。數(shù)據(jù)流通常是64128位長(zhǎng),包括1個(gè)前置位、1個(gè)命令碼和1個(gè)滾動(dòng)碼,采用220 khz的發(fā)送速率。在車(chē)內(nèi)的rke射頻接收機(jī)捕捉射頻信號(hào)并解調(diào),傳送數(shù)據(jù)流給cpu,由cpu對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼并發(fā)送指令到指令模塊。調(diào)制方式為幅度鍵控(

4、ask),主要目的是延長(zhǎng)鑰匙扣的電池壽命。1.2 rke系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求rke系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在低電流消耗下實(shí)現(xiàn)具有穩(wěn)定性、可靠性和保密性的低成本系統(tǒng)。因此系統(tǒng)對(duì)功耗、收發(fā)距離、可靠性和保密性的設(shè)計(jì)要求是至關(guān)重要的。(1)功耗管理對(duì)于發(fā)射機(jī),電池需要35年的壽命;對(duì)于接收機(jī),電池壽命同樣重要。因?yàn)榻邮諜C(jī)必須始終保持工作狀態(tài),監(jiān)聽(tīng)用戶(hù)數(shù)據(jù)的傳輸。典型指標(biāo)要求,平均電流不超過(guò)1 ma。解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一就是,讓接收機(jī)在一段重要時(shí)間內(nèi)保持工作狀態(tài),保證這段時(shí)問(wèn)足夠長(zhǎng)以判定是否存在合法的傳輸;而接收機(jī)在剩余的時(shí)間里休眠,同時(shí)接收機(jī)必須具有快速喚醒的能力,以最大化利用已存儲(chǔ)的能量。(2)收發(fā)距離與可靠

5、性rke應(yīng)用需要好的收發(fā)距離和可靠的傳輸。提高接收機(jī)的靈敏度和發(fā)射機(jī)的功率(電流消耗沒(méi)有顯著增加)直接影響到收發(fā)距離與可靠性。顯而易見(jiàn),低成本是一個(gè)要求,因?yàn)樾枰惭b百萬(wàn)個(gè)這樣的系統(tǒng)。(3)安全性rke系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)應(yīng)該具有保密性,不易被他人竊取。早期使用固定密碼方式,容易被破解;近來(lái)的rke系統(tǒng)逐漸采用具有跳變編碼功能的集成電路實(shí)現(xiàn),大大提高了安全性。2 硬件電路設(shè)計(jì)rke系統(tǒng)是由鑰匙扣發(fā)射模塊和車(chē)內(nèi)接收模塊組成的。2.1鑰匙扣發(fā)射模塊鑰匙扣發(fā)射模塊由按鈕開(kāi)關(guān)、cpu、射頻發(fā)射器和鈕扣電池組成,電路原理如圖2所示。模塊采用3 v的鈕扣電池供電。表1為50 輸出時(shí),不同頻率下元件參數(shù)值,其數(shù)值

6、受pcb布局的影響。(1)按鈕掃描發(fā)射模塊接入3個(gè)按鈕,分別作為上鎖、解鎖、尋車(chē)功能,分別與微控制器ds80c323的3個(gè)外部中斷into、intl和int3相接。按下任一按鈕是將ds80c323喚醒,并進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序中。處理完畢后,重新進(jìn)入待機(jī)模式。3個(gè)led分別顯示3個(gè)按鈕的狀態(tài)。有按鈕按下時(shí),相應(yīng)的led會(huì)被點(diǎn)亮。(2)微控制器dssoc323ds80c323是maxim公司出品的一款低功耗快速單片機(jī),其在外部電路的接法以及操作指令方面完全兼容80c51系列。ds80c323具有6個(gè)外部中斷,并具有電源故障管理功能,工作電壓范圍為2.75.5 v。ds80c323的功能是利用其外

7、部中斷對(duì)按鈕進(jìn)行掃描,并將掃描的結(jié)果加密編碼,通過(guò)p1.o送給發(fā)射器的數(shù)據(jù)端data。ds80c323的p1.1控制發(fā)射器的喚醒。(3)射頻發(fā)射器max1472maxl472是vhf/uhf基于鎖相環(huán)的ask/00k發(fā)射器,工作在300450 mhz頻段,支持高達(dá)100 kbps的數(shù)據(jù)速率。當(dāng)工作電壓降至2.1 v時(shí)脫離單節(jié)鋰電池工作,在待機(jī)模式僅消耗100 na的電流;匹配于50系統(tǒng)時(shí),maxl472的功率放大器能夠提供+10 dbm的輸出電平,并保持高于43%的效率。maxl472發(fā)射機(jī)特別適合于低成本、高容量、體積是關(guān)鍵因素的應(yīng)用。一旦maxl472的使能引腳電平有效,maxl472僅需

8、250s便可使pll和晶振穩(wěn)定工作并發(fā)射數(shù)據(jù)。max1472使用基于晶體的pll,避免了許多基于lc濾波或者saw發(fā)送器的常見(jiàn)問(wèn)題。內(nèi)部固有的晶體頻率精度需要更窄的接收機(jī)中頻帶寬,以改善系統(tǒng)靈敏度。使用maxl473,可將中頻帶寬從600khz減至50 khz,獲得9 db的靈敏度改善。靈敏度的改善意味著rke系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離傳輸和更高的傳輸可靠性。2.2車(chē)內(nèi)接收模塊車(chē)內(nèi)接收模塊由射頻接收器、微控制器和汽車(chē)指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。射頻接收器將接收到的00k調(diào)制數(shù)據(jù)解調(diào)為原始數(shù)據(jù);微控制器將原始數(shù)據(jù)解碼去密得到有效的指令信息,并送給指令執(zhí)行機(jī)構(gòu),由指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作?？紤]到車(chē)內(nèi)接收模塊要始

9、終處于工作狀態(tài),微控制器仍使用快速低功耗的ds80c323,并由ds80c323控制接收器處于工作/休眠交替的間歇休眠狀態(tài)。對(duì)于射頻接收器,使用與發(fā)射器maxl472配對(duì)的maxl473。maxl473是一款完全集成的、低功耗、cmos超外差ask接收器,工作在300450 mhz頻段,具有一114 dbm的高靈敏度、高于50 db的鏡像載波抑制。這款芯片在關(guān)斷模式下電流消耗低于1.5a,在接收模式電流消耗為5.2 ma。maxl473可接收最高達(dá)100 kbps的數(shù)據(jù)速率,從關(guān)斷模式到有效數(shù)據(jù)輸出的過(guò)渡時(shí)間小于250 s。maxl473包含一個(gè)一級(jí)自動(dòng)增益控制(agc)電路,在射頻輸入信號(hào)電

10、平大于一57dbrm時(shí),可降低低噪聲放大器(lna)35db的增益。接收器使用帶有接收信號(hào)強(qiáng)度指示(rssd的10.7 mhz中頻濾波器,帶有集成壓控振蕩器vcd的片上鎖相環(huán)(pll)以及基帶數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。maxl473僅需很少的外圍元件即可構(gòu)成rke系統(tǒng)接收模塊的射頻前端,如圖3所示。3系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)發(fā)射端軟件流程如圖4所示。按所處理任務(wù)的不同,接收模塊分為三種工作狀態(tài)：?jiǎn)拘雅c休眠交替的監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)和處理接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。接收系統(tǒng)應(yīng)始終處在間歇休眠的狀態(tài),以監(jiān)聽(tīng)外來(lái)的信息。當(dāng)收到有效的通信命令后,觸發(fā)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收完畢后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理,并有執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的操作,

11、而接收系統(tǒng)則重新進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。4 系統(tǒng)編碼解碼設(shè)計(jì)總體上講,一個(gè)單向rke系統(tǒng)由一個(gè)控制端(鑰匙扣發(fā)射模塊)與一個(gè)執(zhí)行端(車(chē)內(nèi)接收模塊)組成。其中控制端將控制信息經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制后發(fā)射,執(zhí)行端則接收、解調(diào)、解碼并根據(jù)控制信息執(zhí)行相應(yīng)的操作。單向rke系統(tǒng)的安全關(guān)鍵在于編碼。早期使用固定密碼方式容易受到“無(wú)線偵聽(tīng)”,易被破解。這里使用跳變密碼技術(shù),可有效地避免“無(wú)線偵聽(tīng)”,提高安全性。以下介紹系統(tǒng)編解碼設(shè)計(jì)原理。系統(tǒng)通過(guò)微控制器dsc80c323軟件編程實(shí)現(xiàn)編解碼過(guò)程。編碼過(guò)程如圖6(a)所示。編碼器檢測(cè)到按鍵輸入,把系統(tǒng)從省電狀態(tài)中喚醒,同步計(jì)數(shù)加l,與序列號(hào)一起經(jīng)密匙加密后形成密文數(shù)據(jù),并同鍵值等數(shù)據(jù)發(fā)送出去。由于同步計(jì)數(shù)值每次發(fā)送都不同,即使是同一按鍵多次按下也不例外。同步計(jì)數(shù)自動(dòng)向前滾動(dòng),發(fā)送的碼字不會(huì)再發(fā)生。滾動(dòng)范圍為216個(gè)記數(shù)值。傳送過(guò)程中有新的鍵按下,則終止當(dāng)前發(fā)送并開(kāi)始新的傳送;否則,不管是不是按鍵已經(jīng)松開(kāi),完成發(fā)送并進(jìn)入休眠狀態(tài)。解碼過(guò)程如圖6(b)所示。解碼電路接收到數(shù)據(jù)包后,將鍵值與密文分開(kāi),并將密文用密匙解密后還原為序列號(hào)和同步計(jì)數(shù)值,并在核對(duì)序列號(hào)及同步計(jì)數(shù)值后依照鍵值驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。結(jié)語(yǔ)汽車(chē)防盜、報(bào)