945191803遥控车门开关系统的原理和设计方案分析

1、前言汽车防盗、报警功能以及门禁控制将成为汽车安全控制系统必备的功能之一。通过对maxim公司的发射器maxl472、接收器maxl473以及微控制器芯片ds80c323等器件的应用,得出一套较为完整的遥控车门开关系统的原理和设计方案。该系统在低功耗、收发距离与可靠性以及安全性方面具有明显的优势,可使rke系统有效控制范围扩大一倍。rke系统对于提高汽车的防盗性、控制性有重要意义。大多数rke系统具有汽车防盗、报警功能以及用于汽车、行李箱的门禁控制,其中一些系统还包括遥控启动汽车和汽车寻找的功能。新一代rke有望采用双向通信,安装在汽车内遥控车门开关pke(remote keyless entr

2、y)方案对于汽车的配置来说,已经作为一种标准配置,成为汽车不可或缺的部分。rke系统对于提高汽车的防盗性、控制性有重要意义。大多数rke系统具有汽车防盗、报警功能以及用于汽车、行李箱的门禁控制,其中一些系统还包括遥控启动汽车和汽车寻找的功能。新一代rke有望采用双向通信,安装在汽车内的接收装置会发送数据,为司机提供油量和轮胎压力等信息。rke系统设计中的最大挑战是在rke发射机和接收机中实现低功耗,同时实现远距离通信与高可靠性;特别作为一种开关门禁系统,有关安全性方面的问题也是至关重要的。本设计提出一种高安全性rke系统的实现方案,详细介绍了系统的硬件原理电路、软件流程设计以及实现编码解码的原

3、理。1系统总体设计1.1 rke系统的工作原理rke系统由类似钥匙扣的发射机和安装在车内的接收机构成。通常工作在315450 mhz的ism频段。在欧洲开放了868 mhz频段,以满足遥控车门开关系统日益增长的需求。图l为rke系统的简单框图。由框图可以看出,用户按下钥匙扣上的按钮开关即可触发系统工作,唤醒rke钥匙扣内部的cpu,cpu则发送数据流到射频(rf)发射机。数据流通常是64128位长,包括1个前置位、1个命令码和1个滚动码,采用220 khz的发送速率。在车内的rke射频接收机捕捉射频信号并解调,传送数据流给cpu,由cpu对数据进行译码并发送指令到指令模块。调制方式为幅度键控(

4、ask),主要目的是延长钥匙扣的电池寿命。1.2 rke系统的设计要求rke系统设计的关键是在低电流消耗下实现具有稳定性、可靠性和保密性的低成本系统。因此系统对功耗、收发距离、可靠性和保密性的设计要求是至关重要的。(1)功耗管理对于发射机,电池需要35年的寿命;对于接收机,电池寿命同样重要。因为接收机必须始终保持工作状态,监听用户数据的传输。典型指标要求,平均电流不超过1 ma。解决这个问题的方法之一就是,让接收机在一段重要时间内保持工作状态,保证这段时问足够长以判定是否存在合法的传输;而接收机在剩余的时间里休眠,同时接收机必须具有快速唤醒的能力,以最大化利用已存储的能量。(2)收发距离与可靠

5、性rke应用需要好的收发距离和可靠的传输。提高接收机的灵敏度和发射机的功率(电流消耗没有显著增加)直接影响到收发距离与可靠性。显而易见,低成本是一个要求,因为需要安装百万个这样的系统。(3)安全性rke系统的通信数据应该具有保密性,不易被他人窃取。早期使用固定密码方式,容易被破解;近来的rke系统逐渐采用具有跳变编码功能的集成电路实现,大大提高了安全性。2 硬件电路设计rke系统是由钥匙扣发射模块和车内接收模块组成的。2.1钥匙扣发射模块钥匙扣发射模块由按钮开关、cpu、射频发射器和钮扣电池组成,电路原理如图2所示。模块采用3 v的钮扣电池供电。表1为50 输出时,不同频率下元件参数值,其数值

6、受pcb布局的影响。(1)按钮扫描发射模块接入3个按钮,分别作为上锁、解锁、寻车功能,分别与微控制器ds80c323的3个外部中断into、intl和int3相接。按下任一按钮是将ds80c323唤醒,并进入相应的中断处理程序中。处理完毕后,重新进入待机模式。3个led分别显示3个按钮的状态。有按钮按下时,相应的led会被点亮。(2)微控制器dssoc323ds80c323是maxim公司出品的一款低功耗快速单片机,其在外部电路的接法以及操作指令方面完全兼容80c51系列。ds80c323具有6个外部中断,并具有电源故障管理功能,工作电压范围为2.75.5 v。ds80c323的功能是利用其外

7、部中断对按钮进行扫描,并将扫描的结果加密编码,通过p1.o送给发射器的数据端data。ds80c323的p1.1控制发射器的唤醒。(3)射频发射器max1472maxl472是vhf/uhf基于锁相环的ask/00k发射器,工作在300450 mhz频段,支持高达100 kbps的数据速率。当工作电压降至2.1 v时脱离单节锂电池工作,在待机模式仅消耗100 na的电流;匹配于50系统时,maxl472的功率放大器能够提供+10 dbm的输出电平,并保持高于43%的效率。maxl472发射机特别适合于低成本、高容量、体积是关键因素的应用。一旦maxl472的使能引脚电平有效,maxl472仅需

8、250s便可使pll和晶振稳定工作并发射数据。max1472使用基于晶体的pll,避免了许多基于lc滤波或者saw发送器的常见问题。内部固有的晶体频率精度需要更窄的接收机中频带宽,以改善系统灵敏度。使用maxl473,可将中频带宽从600khz减至50 khz,获得9 db的灵敏度改善。灵敏度的改善意味着rke系统可实现更长距离传输和更高的传输可靠性。2.2车内接收模块车内接收模块由射频接收器、微控制器和汽车指令执行机构等组成。射频接收器将接收到的00k调制数据解调为原始数据;微控制器将原始数据解码去密得到有效的指令信息,并送给指令执行机构,由指令执行机构完成相应的动作。考虑到车内接收模块要始

9、终处于工作状态,微控制器仍使用快速低功耗的ds80c323,并由ds80c323控制接收器处于工作/休眠交替的间歇休眠状态。对于射频接收器,使用与发射器maxl472配对的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频段,具有一114 dbm的高灵敏度、高于50 db的镜像载波抑制。这款芯片在关断模式下电流消耗低于1.5a,在接收模式电流消耗为5.2 ma。maxl473可接收最高达100 kbps的数据速率,从关断模式到有效数据输出的过渡时间小于250 s。maxl473包含一个一级自动增益控制(agc)电路,在射频输入信号电

10、平大于一57dbrm时,可降低低噪声放大器(lna)35db的增益。接收器使用带有接收信号强度指示(rssd的10.7 mhz中频滤波器,带有集成压控振荡器vcd的片上锁相环(pll)以及基带数据恢复电路。maxl473仅需很少的外围元件即可构成rke系统接收模块的射频前端,如图3所示。3系统软件流程设计发射端软件流程如图4所示。按所处理任务的不同,接收模块分为三种工作状态：唤醒与休眠交替的监听状态、接收数据的状态和处理接收数据的状态。接收系统应始终处在间歇休眠的状态,以监听外来的信息。当收到有效的通信命令后,触发系统接收数据。数据接收完毕后,对数据进行相关的处理,并有执行机构完成相应的操作,

11、而接收系统则重新进入监听状态。4 系统编码解码设计总体上讲,一个单向rke系统由一个控制端(钥匙扣发射模块)与一个执行端(车内接收模块)组成。其中控制端将控制信息经过编码、调制后发射,执行端则接收、解调、解码并根据控制信息执行相应的操作。单向rke系统的安全关键在于编码。早期使用固定密码方式容易受到“无线侦听”,易被破解。这里使用跳变密码技术,可有效地避免“无线侦听”,提高安全性。以下介绍系统编解码设计原理。系统通过微控制器dsc80c323软件编程实现编解码过程。编码过程如图6(a)所示。编码器检测到按键输入,把系统从省电状态中唤醒,同步计数加l,与序列号一起经密匙加密后形成密文数据,并同键值等数据发送出去。由于同步计数值每次发送都不同,即使是同一按键多次按下也不例外。同步计数自动向前滚动,发送的码字不会再发生。滚动范围为216个记数值。传送过程中有新的键按下,则终止当前发送并开始新的传送;否则,不管是不是按键已经松开,完成发送并进入休眠状态。解码过程如图6(b)所示。解码电路接收到数据包后,将键值与密文分开,并将密文用密匙解密后还原为序列号和同步计数值,并在核对序列号及同步计数值后依照键值驱动相应的执行机构。结语汽车防盗、报