關(guān)鍵字：門禁 MCU 無線通信

        免持式被動無鑰門禁(PKE)正迅速成為汽車遠(yuǎn)程無鑰門禁應(yīng)用的主流,，并成為新車型的普遍選項(xiàng)。該方法無需用手按發(fā)送器按鈕來鎖上或打開車門,，只要擁有一個(gè)有效的應(yīng)答器就可方便地進(jìn)出車輛,。

        免持式PKE應(yīng)用要求基站和應(yīng)答器單元之間進(jìn)行雙向通訊。車輛內(nèi)的基站單元發(fā)出一個(gè)低頻(LF)命令,，搜尋周圍的應(yīng)答器,。一旦車主的應(yīng)答器被搜索到，該應(yīng)答器隨即自動回應(yīng)基站單元,?；締卧谑盏接行У尿?yàn)證響應(yīng)信號后打開車門。

        在典型的PKE應(yīng)用中,，將基站單元的輸出功率設(shè)計(jì)為政府機(jī)構(gòu)規(guī)定的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)所允許的最大功率。當(dāng)工作于9V到12V直流電源下時(shí),，可達(dá)到的最大天線電壓約為300V峰峰值,。由于低頻信號(125kHz)的非傳播特性，距離發(fā)送基站單元約兩米外的典型鑰匙扣應(yīng)答器所接收到的信號電平只有約幾個(gè)mV峰峰值,。另外,，由于天線的方向特性,，如果天線沒有朝向基站天線，應(yīng)答器的輸入信號電平會非常弱,。

        若PKE無法正常運(yùn)行,，最可能的原因是應(yīng)答器輸入信號電平太弱。因此,，為讓免持式PKE應(yīng)用可靠工作,，輸入信號在任何期望的通訊范圍內(nèi)都應(yīng)足夠強(qiáng)(高于輸入靈敏度電平)。為使PKE系統(tǒng)可靠,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須考慮基站命令信號的輸出功率,、應(yīng)答器的輸入靈敏度、天線的方向性以及應(yīng)答器的電池使用壽命這四個(gè)重要參數(shù),。

        PIC16F639是一款帶三通道模擬前端(AFE)的MCU,，其模擬前端特性由MCU固件控制。由于使用方便,，該器件可用于多種智能低頻檢測和雙向通訊應(yīng)用中,。本文討論了利用PIC16F639 MCU實(shí)現(xiàn)智能PKE應(yīng)答器的設(shè)計(jì)電路示例，并給出了電路中的MCU固件示例,。設(shè)計(jì)工程師可以很方便地根據(jù)用戶的特定應(yīng)用對這些電路和MCU固件進(jìn)行修改,。
 

圖1：采用雙向通信的智能被動無鑰匙門控(PKE)系統(tǒng)。

PIC16F639 PKE應(yīng)答器

        PIC16F639包括數(shù)字MCU部分(PIC16F639內(nèi)核)和模擬前端(AFE)部分,，可用于多種低頻檢測和智能雙向通訊應(yīng)用,。圖1為一個(gè)典型的PKE系統(tǒng)示例，基站單元發(fā)出一個(gè)125kHz的命令信號,，搜尋周圍有效的應(yīng)答器,。如果接收到的命令有效，PKE應(yīng)答器將返回一個(gè)響應(yīng)信號,。

       PIC16F639器件的模擬輸入靈敏度很高(高達(dá)1mV峰峰值),，具有三個(gè)天線連接引腳。通過連接指向X,、Y和Z方向的三個(gè)天線,，應(yīng)答器可隨時(shí)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相互獨(dú)立的,，并隨后相加。通過對配置寄存器進(jìn)行編程,，每個(gè)輸入通道可以被單獨(dú)使能或禁止,。被使能的通道越少，器件的功耗就越小,。
        
       為實(shí)現(xiàn)免持操作,，應(yīng)答器連續(xù)等待并檢測輸入信號,，這會減少電池使用壽命。因此,，為減小工作電流,，在模擬前端(AFE)搜尋有效輸入信號的同時(shí)，數(shù)字MCU部分可以處于低電流模式(休眠模式),。只有當(dāng)AFE檢測到有效輸入信號時(shí),，數(shù)字MCU部分才被喚醒。通過使用一個(gè)輸出使能濾波器(喚醒濾波器)可實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,。PIC16F639具有9個(gè)輸出使能濾波器選項(xiàng),。用戶可利用配置寄存器對濾波器進(jìn)行編程。濾波器一旦被編程,，則只有在輸入信號達(dá)到濾波器要求時(shí),，器件才將檢測到的輸出傳送到數(shù)字部分。
 

圖2：被動無鑰門禁(PKE)應(yīng)答器的配置電路圖,。

        圖2為PKE應(yīng)答器的配置示例,。這個(gè)應(yīng)答器包括PIC16F639器件、外部LC諧振電路,、按鈕,、UHF發(fā)送器、后備電池(可選)和3V鋰電池,。

        數(shù)字部分有PORTA和PORTC兩個(gè)I/O口,。每個(gè)PORTA引腳都可被單獨(dú)配置為電平變化中斷引腳，而PORTC各引腳沒有電平變化中斷的功能,。AFE部分共用數(shù)字部分PORTC的RC1,、RC2和RC3三個(gè)I/O引腳，這些引腳在內(nèi)部分別連接到AFE的CS,、SCLK/ALERT和LFDATA/CCLK/RSSI/SDIO焊盤上,。LFDATA/CCLK/RRSI和ALERT為AFE輸出。SDIO,、SCLK和CS被用來編程或讀取AFE配置寄存器,。

        為節(jié)省電池能量，AFE部分在檢測LF輸入信號的同時(shí),，數(shù)字部分通常處于休眠模式,。盡管AFE的輸出焊點(diǎn)在內(nèi)部連接到PORTC引腳，但由于PORTC引腳不是電平變化中斷引腳,，所以AFE輸出無法通過電平變化中斷事件喚醒數(shù)字部分,。因此，建議將AFE的LFDATA和ALERT引腳在外部連接到PORTA引腳，如圖2所示,。

         數(shù)字部分在出現(xiàn)以下三種情況之一時(shí)被喚醒：LFDATA引腳有AFE輸出；ALERT引腳有AFE輸出,；按下PORTA上的開關(guān)按鈕事件,。

圖3：由于天線的方向性，在實(shí)際應(yīng)用中,，兩個(gè)天線平行時(shí)檢測距離最大,，正交時(shí)檢測距離最短。

外部LC諧振天線

         PIC16F639器件具有三個(gè)低頻輸入通道,。LCX,、LCY和LCZ引腳用于連接(每個(gè)LF輸入通道的)外部LC諧振天線電路。外部電路連接至天線輸入引腳及LCCOM引腳,。對所有外部天線電路而言,，LCCOM是共用引腳。當(dāng)內(nèi)部檢測電路檢測到強(qiáng)輸入信號時(shí),，建議在LCCOM引腳與地之間接一個(gè)電容(1～10μF),，以提供穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

        盡管PIC16F639有三個(gè)LC輸入引腳與三個(gè)外部天線連接,，但根據(jù)具體應(yīng)用,，用戶可以只用一個(gè)或兩個(gè)天線，而不是同時(shí)使用三個(gè)天線,。工作電流消耗與使能的通道數(shù)成正比,，使能的通道越少，消耗的電流越小,，但強(qiáng)烈建議在免持式PKE應(yīng)用中使用所有三個(gè)天線,。

        為檢測低頻磁場，通常要使用調(diào)諧環(huán)型天線,。為使天線電壓最大,，環(huán)型天線必須精確調(diào)諧到所需的頻率。對于PKE應(yīng)用,，應(yīng)將天線調(diào)諧到基站載波頻率,。環(huán)型天線由構(gòu)成并聯(lián)LC諧振電路的一個(gè)線圈(電感)和幾個(gè)電容組成。通過增大環(huán)路表面積和電路的品質(zhì)因數(shù)(Q)使天線電壓最大,。

LC諧振電路的諧振頻率由式1給出：

其中,，L為環(huán)路電感，C為電容,。

對于給定的LC諧振電路,，接收到的天線電壓可近似地用式2表達(dá)。

        其中，fc=基站載波頻率(Hz),；△f= |fc-fo|,；fo=LC電路諧振頻率(Hz)；N=環(huán)路線圈的匝數(shù),；S=環(huán)路表面積(m2),；Q=LC電路品質(zhì)因數(shù)；Bo=磁場強(qiáng)度(韋伯/平方米),；α=信號到達(dá)的角度,。

        在式2中，品質(zhì)因數(shù)(Q)是衡量調(diào)諧電路的頻率選擇性的指標(biāo),。假設(shè)電容在125kHz時(shí)無損耗,，則LC電路的Q值將主要由電感決定。

式中fo為調(diào)諧頻率,，L為電感值,，r為電感的阻抗。

       在典型應(yīng)答器應(yīng)用中,，電感值的范圍在1～9mH之間,。對于空芯電感，LC電路的Q值大于20,，對于鐵氧體磁芯電感,，Q值約為40。

        式2中的Scosα項(xiàng)代表天線的有效表面積,，即為環(huán)路處于入射磁場中的面積,。當(dāng)cosα等于1時(shí)，天線有效表面積最大,，此時(shí)基站和應(yīng)答器單元的天線面對面,。在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)天線平行時(shí)檢測距離最大,，正交時(shí)檢測距離最短,。圖3用圖形闡述了實(shí)際應(yīng)用中的天線方向問題。
 

圖4：推薦的應(yīng)答器電路板天線布局圖,。

        如果三個(gè)天線在同一印刷電路板上的位置相互正交,，可大大減少天線方向問題。在實(shí)際應(yīng)用中,，這種設(shè)計(jì)會提高任何時(shí)刻至少有一個(gè)應(yīng)答器天線朝向基站天線的概率,。圖4為應(yīng)答器電路板上布置三個(gè)天線的圖示。LCZ使用一個(gè)大空芯線圈,，LCX和LCY使用兩個(gè)鐵氧體磁芯線圈,。有些公司專門生產(chǎn)125 kHz RFID和低頻檢測應(yīng)用系統(tǒng)使用的鐵氧體線圈,。

        如式2和式3所示，當(dāng)LC電路準(zhǔn)確調(diào)諧到入射載波的頻率時(shí),，線圈上的感應(yīng)電壓最大,。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于LC元件的容差不同,，各個(gè)應(yīng)答器的LC諧振頻率也不同,。為補(bǔ)償元件容差帶來的誤差，PIC16F639的每個(gè)通道都有一個(gè)內(nèi)部調(diào)諧電容組,。電容值可以以1pF為步長，被編程到最大63pF,，電容值隨配置寄存器位的增加而單調(diào)遞增,。

        可通過監(jiān)測RSSI電流輸出對電容進(jìn)行有效調(diào)諧。RSSI輸出與輸入信號強(qiáng)度成正比,，因此LC電路被調(diào)諧得與載波頻率越接近,，監(jiān)測到的RSSI輸出越高?？傠娙葜惦S著配置寄存器位升高而增加,，由此得到的內(nèi)部電容被疊加到LC電路的電容上。隨內(nèi)部諧振電容的增加,，LC諧振頻率將降低,。

圖5：應(yīng)答器電路的每個(gè)諧振天線必須調(diào)諧到基站單元的載波頻率，以達(dá)到最佳信號接收狀態(tài),。

后備電池與無電池模式

        實(shí)際應(yīng)用有可能發(fā)生電池意外地暫時(shí)脫離電路的情況,，例如當(dāng)應(yīng)答器掉落到硬質(zhì)表面上時(shí)。如果發(fā)生此種情況,，存儲在MCU中的數(shù)據(jù)可能無法正確恢復(fù),。為避免電池意外脫離，用戶可考慮采用后備電池電路,。后備電池電路能向應(yīng)答器暫時(shí)提供VDD電壓,。建議在精密應(yīng)答器中采用這種電路，但并不是所有應(yīng)用都必須采用它,。在圖2中,，D4和C1構(gòu)成了電池后備電路。當(dāng)電池連接時(shí),，C1被完全充電,，當(dāng)電池短暫斷開時(shí)，C1提供VDD電壓,。

        當(dāng)應(yīng)答器處于無電池運(yùn)行時(shí)稱為無電池模式,。在圖2中,，二極管D1、D2,、D3和C1構(gòu)成無電池模式的電源電路,。當(dāng)應(yīng)答器線圈產(chǎn)生電壓時(shí)，線圈電流流過二極管D1和D2為C1充電,，C1可為應(yīng)答器提供VDD電壓,。當(dāng)PIC16F639用于需要無電池運(yùn)行的防碰撞應(yīng)答器應(yīng)用中時(shí)，這種電源電路很有用,。根據(jù)不同應(yīng)用,，無電池模式下C1電容值從幾微法到幾法不等。
 

圖6：在基站電路中,，電流驅(qū)動器U1放大來自MCU的125 kHz方波脈沖的功率,。U1的方波脈沖輸出通過由L1、C2,、C3和C4組成的LC串聯(lián)諧振電路后變成正弦波,。

應(yīng)答器電路

        應(yīng)答器電路具有三個(gè)外部LC諧振電路、五個(gè)按鈕開關(guān),、一個(gè)用于UHF數(shù)據(jù)發(fā)送的433.92MHz諧振器和幾個(gè)用于后備電池模式的元件,。

        每個(gè)LC諧振電路都連接到LC輸入和LCCOM引腳?？招咎炀€連接到LCX輸入,，兩個(gè)鐵氧體磁棒電感連接到LCY和LCZ引腳。LCCOM引腳為三個(gè)天線連接的公共引腳,，通過C11和R9接地,。每個(gè)諧振天線必須調(diào)諧到基站單元的載波頻率，以達(dá)到最佳信號接收狀態(tài)(圖5),?？衫妹總€(gè)通道的內(nèi)部電容將天線調(diào)諧到最佳狀態(tài)。

        器件初始上電時(shí),，數(shù)字部分利用SPI(CS,、SCLK/ALERT和SDIO)對AFE配置寄存器進(jìn)行編程。由于AFE輸入靈敏度高(約3mV峰峰值),，AFE對環(huán)境噪聲非常敏感,，所以必須采取措施避免沿PCB走線上產(chǎn)生過多交流噪聲。在VDD和VDDT引腳分別使用電容C6和C12濾除噪聲,。

        二極管D1和D2及電容C5用于電池后備模式,，二極管D2、D3和D7及電容C5用于無電池模式,。為使無電池模式穩(wěn)定運(yùn)行,，需要較大的C5容值,。電容C5通過二極管D3和D7保存來自電池和線圈電壓的電荷。當(dāng)電池暫時(shí)斷開時(shí),，C5儲存的電荷可維持PIC16F639器件的供電,。二極管D3和D7穿過空芯線圈相互連接，在三個(gè)外部LC諧振天線中產(chǎn)生強(qiáng)大的線圈電壓,。

        一旦檢測到有效輸入信號,，數(shù)字MCU部分即被喚醒，如果命令信號有效,，則發(fā)出一個(gè)響應(yīng),。

        應(yīng)答器可使用內(nèi)部調(diào)制器(LF對講)或外部UHF發(fā)送器發(fā)出響應(yīng)。每個(gè)模擬輸入通道在輸入和LCCOM引腳間有一個(gè)內(nèi)部調(diào)制器(晶體管),。如果AFE從數(shù)字MCU部分接收到箝位或斷開箝位的命令,，內(nèi)部調(diào)制器就會分別導(dǎo)通和關(guān)斷。天線電壓分別根據(jù)箝位或斷開箝位命令進(jìn)行箝位和斷開箝位,，這稱為LF對講。LF對講只在近距離應(yīng)用中使用,?；究梢詸z測應(yīng)答器天線電壓的變化并重建調(diào)制數(shù)據(jù)。

        在長距離應(yīng)用中,，應(yīng)答器采用UHF發(fā)送器,。由UHF(433.92 MHz)諧振器U2和功率放大器Q1構(gòu)成一個(gè)用按鍵通斷的UHF發(fā)送器。電容C2和C3的容量都在約20pF的范圍內(nèi),，具體取決于線路布局,。一般由印刷電路板的金屬走線而形成的L1是一個(gè)UHF天線，增大其環(huán)路面積后效率將顯著提高,。

        當(dāng)MCU I/O引腳輸出邏輯高電平時(shí),，UHF發(fā)送器部分導(dǎo)通，否則關(guān)閉,。RC5輸出為UHF信號的調(diào)制數(shù)據(jù),，可由基站的UHF接收器重建。

基站電路

        基站單元包括一個(gè)MCU,、125kHz的發(fā)送器/接收器和一個(gè)UHF接收器模塊,。基站發(fā)出125kHz的低頻命令信號,，并通過UHF和LF接收來自應(yīng)答器的響應(yīng),。發(fā)出LF命令后，基站通過LF或UHF鏈路檢查是否有響應(yīng),。

        125kHz發(fā)送器產(chǎn)生一個(gè)基于MCU的脈寬調(diào)制器(PWM)輸出的載波信號,。電流驅(qū)動器U1放大來自MCU的125kHz方波脈沖的功率,。U1的方波脈沖輸出通過由L1、C2,、C3和C4組成的LC串聯(lián)諧振電路后變成正弦波,。L1為用于125kHz LF天線的空芯電感(圖6)。

        當(dāng)LC串聯(lián)諧振電路調(diào)諧到PWM信號的頻率時(shí),，天線輻射最強(qiáng),。在諧振頻率處，LC電路阻抗最小,，這使得L1負(fù)載電流最大,，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場。用戶可通過監(jiān)視L1上的線圈電壓調(diào)諧LC電路,。二極管D1后的各個(gè)元件用來接收來自應(yīng)答器的LF對講信號,。當(dāng)應(yīng)答器以LF對講作出響應(yīng)后，L1上的線圈電壓會由于應(yīng)答器線圈電壓產(chǎn)生的磁場而改變,。由于應(yīng)答器線圈電壓最初是由基站天線(L1)產(chǎn)生的,，所以響應(yīng)電壓與初始電壓的相位相差180o。因此,，在給定條件下,，L1上的電壓將隨著應(yīng)答器的線圈電壓變化。

        可通過包絡(luò)檢波器和由D1和C5構(gòu)成的低通濾波器檢測L1上線圈電壓的變化,。檢測到的包絡(luò)信號通過有源增益濾波器U2A和U2B,。經(jīng)過解調(diào)的模擬輸出被饋送到MCU的比較器輸入引腳，以進(jìn)行脈沖整形,。比較器輸出可在TP6上得到,，并由MCU解碼。