基于汽车应用的远程无线钥匙设计

汽车用远程无线钥匙(RKE)做为新型汽车的一种性能和汽车零件市场的一种产品，受到人们的喜爱，这显示了第一代RKE对用户的吸引力。在北美RKE系统在新车中的安装率超过80%、欧洲超过70%。这些系统大部分采用单向(单工)通信，但第2代和第3代系统可能会为钥匙提供回复信号，提示汽车需要加油或轮胎需要打气。

RKE系统除方便用户外，还有另外的好处：全球更多的汽车制造厂家正在把RKE驱动的汽车制动技术用在汽车中，以使汽车被盗率降到最低。在欧洲，汽车制造公司正在与保险公司合作把这种技术引入汽车中，保险公司又把它作为得到汽车保险的一个条件。这种发展趋势已出现在德国，最近几年会扩展到全欧洲。

简单地说，RKE系统是由在钥匙包(或钥匙)中集成了RF发射器，发射器发送数据短脉冲到汽车中的接收器，接收器译码并通过接收器控制的制动器使车门开/关。无线链路载波频率，在美国和日本用315MHz，欧洲用433.92MHz(ISM频段)。在日本，是频移键控(FSK)，但是世界上大多数国家采用幅移键控(ASK)。载波在两个电平幅度之间调制。为了节省功率，低电平通常接近零，这构成了完全的开关键控(OOK)。

 

图1  RKE系统由钥匙上的电路(图下部)和汽车中的接收器电路(图上部)组成

 

图2  为了监视钥匙发射，RKE接收器必须在译码输入信号前分配时间，来唤醒和稳定它

 

图3 增加外部LAN(MAX2640)可提高接收器灵敏度，但降低了3阶截获点

 

RKE详述

典型的REK系统(图1)包括钥匙或钥匙包中的微控制器。按键中的一个按钮开关汽车，唤醒mC并发送64或128位数据流到钥匙的RF发射器，发射器调制载波并通过一个简单的印刷电路环路天线发射(用PC板制造环路天线尽管效率低，但价廉而且广泛被采用)。

在汽车中，RF接收器捕获此数据并送到另一个mC，此mC译码并发送适当的信息来启动引擎或开车门，多按钮钥匙包可选择驾驶员车门或所有车门，或者行李箱。

在2.4Kbps和20Kbps之间发射的数字数据流通常包括前置码、命令码、检验位和“滚动码”，以保证汽车安全(否则所发射的信号可能会偶然开启另外的汽车，或落入盗贼之手使其得逞)。

有几个主要的因素支配着RKE系统的设计。像所有批量生产的部件那样，RKE系统必须具有低成本和高可靠性。其发射器和接收器功率应保持最小，因为更换钥匙中的电池是件麻烦的事情，而且重新充电汽车电池也是件麻烦的事情。针对这些要求，RKE系统设计人员必须巧妙处理接收机灵敏度、载波容限和其他技术参量，以便在低成本和最小电源电流条件下达到最大的传输距离。

其他的制约因素包括对这些短距离装置的本地规章(如美国的FCC规范)。使用短距离装置不需要执照，但产品本身受不同国家的法律和规章的约束。美国的相关文本是CFR(联邦规范码)，Titel47,Part15,这包括260~470MHz频段(Section15.231)和902~928MHz频段(Section15.249)。

下面考虑FCC规范如何影响RKE设计，Section15.231规定器件传输命令或控制信号、ID码和紧急情况期间的无线电控制信号，但不包括视频和音频、玩具控制信号或连续数据。传输时间不能超过5秒。只有在传输率低于每小时一次时，才会允许1秒种的传输周期。距发射天线3米处的最大场强与基频(260~470MHz)是线性比例关系，其范围是3750mV/m~12500mV/m。比载波低20dB点的带宽不应超过中心频率2.25%，而寄生发射应该比基频低20dB。

下面仔细研究RKE系统设计的有关问题，首先研究载波产生。

 

载波产生

第一代RKE电路包括声表面波(SAW)器件，用SAW器件产生发射器中的RF载波和接收器中的本振(L0)频率。然而，典型SAW器件的起始频率不确定度至少为±100KHz，而随温度变化的频率稳定是相当差的。接收器的IF带宽足以允许载波和过量噪声进入，过量噪声本身又限制汽车钥匙发射信号的响应范围。

现在用晶振基锁相环(PLL)替代SAW器件。晶振基PLL发射器成本虽比SAW谐振器高，但其精度比SAW谐振器高10倍。因此，接收器可以有较窄的IF带宽，从而提高信噪比，使传输距离提高。

较早的SAW器件的额定频率规定为433.05~434.79MHz频段的中心频率，以保证在预期的操作和温度变化范围内可靠的工作。因此，对于433MHz应用的额定载波频率现在为433.92MHz，因此必须相应地选择PLL晶振。

先进的接收器和发射器芯片集成有PLL电路，所以只需要在芯片两个引脚间连接一个合适的晶振即可。例如，MAX1470PLL包含64分频单元和低端注入的10.7MHz IF(此芯片可工作在433.92MHz，但其镜像载波抑制对于315MHz是最佳的)。315MHz工作所需的晶振频率为：fXTAL=(fRF-10.7)/64=4.7547MHz。所选的晶振在芯片引脚XTAL1和XTAL2之间呈现5pF电容负载时应该振荡在315MHz。对于如何调节晶振频率请参考应用指南1017(www.maxim-ic.com)。

 

节省功耗

在RKE系统中电池寿命是非常重要的，系统采用一切方法使工作电流和“导通时间”最佳。在接收器PLL中的压控振荡器(VCO)备受关注。接收器必须不断地检查，以避免漏掉对汽车的输入请求，并且，为了节省功率而尽可能地停机，甚至在检查之间的短暂期间也要求这样。

通常，钥匙发射器连续发射4个10ms数据流，以保证接收器至少能捕获到其中一个数据流。接收器每20ms要查询一次，跳跃到译码至少2个数据流，以保证定时误差和噪声容限。需要0.75ms译码时间(对于7或8位接收数据此时间足以满足要求)来确定数据是否是重要的。

除译码时间外，查询操作必须首先“唤醒”和稳定接收器电路，这需要时间。大多数放大器电路可以很快唤醒，但VCO晶振是一个机电元件，它需要时间来启振并且，需要更多时间稳定到所希望的频率。一般超外差接收器需要2ms~5ms时间用在这种操作上，但MAX1470执行这种操作仅需0.25ms(仅靠加足够的电源来保持晶振的振荡)。因此，MAX1470每20ms检查钥匙发射，在唤醒操作仅花1ms(0.75ms译码时间加0.25ms稳定时间)，见图2。快速唤醒MAX1470工作可用3.3V代替5V，其净能量节省3或4倍(与一般超外差接收器相比)，从而延长电池寿命。

严格的讲，RKE是短距离技术(对于无源RKE系统距离长达20米或1~2米)，但保证在短传输距离中具有低功率和低成本设计是RF电路要解决的一个问题。为简单化，发射和接收天线由小的印刷电路板上的铜线环或矩形环构成，用简单的LC网络来匹配天线与发射或接收芯片的阻抗(参见MAXIM公司的应用指南#1830)。

 

是否增加低噪声放大器

低发射功率受FCC规范、电池容量和发射天线定位(要求在RKE接收器芯片中有最大的灵敏度)的不确定性所限制。增强接收器灵敏度的一种方法是增加一个外部低噪声放大器(图3)，但是，动态范围的限制，使这种方法在应用中是不能接受的。下面是基于MAX1470超外差接收器的分析。

接收器灵敏度依赖于噪声系数、载波调制检测所需的最大信噪比和系统中的热噪声：

S=NF+n0+S/N                                (1)

其中S是所需信号电平的最大值(dBm),NF是接收器的噪声系数(dBm)，n0是接收器热噪声功率(dBm),S/N是满足检测(通常基于可接受误码率)所需的输出信噪比(dBm)。

为了简单化，根据Manchester编码数据，估算S/N(5dBm)。根据定义：

n0 =10log10(KTB/1E-3)

其中K是波耳兹曼常数(1.38E-23),T是开氏绝对温度，B是系统噪声带宽。在室温(T=290°K)，1Hz带宽，n0 =-174dBm/Hz。在300KHz带宽，n0 =-119dBm。

假定系统灵敏度(S)是-109dBm，用方程1计算，NF=5dB。噪声系数(NF)和噪声因数(F)之间的关系是(NF)dB=10logF,其中F=10(NFdB/10)。所以，F=3.162。对于几个双端口器件级联，其噪声因数是：

FTotal=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1×G2+......       (2)

用方程(2)可以计算系统增加一个外部低噪声放大器(LAN)后，新的噪声因数，对于MAX2640LAN，NF=1dB,增益=15dB(即F1=1.26，G1=31.62)。原系统噪声因数是3.162，所以，FTotal=1.327，其中F1是1.23dB，代入方程1，得到：

S=1.23-119+5=-112.77dB

假定原系统灵敏度是-119dB,所以，在此部分中只获得3.77dB。另外，还虚注意动态范围，用3阶截获点(IIP3)表示。对于-34dBm总IIP3，MAX1470具有内部16dBm增益和内部混频器-18 dBmIIP3。增加15dB增益的外部LAN使其降到-49 dBm。因此增加一个外部LAN改善灵敏度4 dB,但降低系统动态范围15 dB。对于给定的应用，必须在这种折衷考虑中决定是否接受一个外部LAN。

 

预测

RKE系统的下一步发展是双向(半双工)通信，其中首个“无源RKE”已出现在某些高档汽车中。用你的口袋中的钥匙就可简单地唤醒汽车，通过发射器连续地查询来检测你的到来。当你处在有效范围(1米或2米)之内时，钥匙和汽车建立双向通信，并为你打开车门。现在的双向系统包括有用的应答功能(是的，车门已锁)，以及另外的远程启动功能(允许车主在离开房子前加热汽车引擎)。

进一步的发展也包括TPS(Tire-Pressure Sensing-突然加大油门的压力感测)技术。像无源RKE一样，TPS仅适用于载重和豪华汽车。TPS系统与RKE有很多共同之处，如短距离、简单调制、需要节省功率等。将来的系统也允许共享合并电路功能以节省成本。

无论如何，RKE发展成一个半双工系统，能在打开车门前告知车的状态、油量需要等，只要这种系统足够坚固可靠，最后将会废弃钥匙和相关的门硬件。

 

用于RKE的IC

RKE框图示于图1。其中300MHz~450MHz发射器MAX1472是业内尺寸最小的发射器(占位面积只有3mm2 )，工作电压2.1V~3.6V(单节锂电池供电)，待机电流仅5nA。在Manchester编码数据发射期间，MAX1472支持高达100Kbps的数据率，给出一个-10 dBm~+10 dBm功率到50欧姆负载。其晶振基PLL产生精确的载波频率。为使功耗最小，内部振荡器启动很快，在使能信号之后只需要220mS启动时间。

MAX1473 300MHz~450MHz超外差ASK接收器适用于汽车接收器。它提供-114dB灵敏度，50dB RF镜像载波抑制(在其全差分内部混频器)。MAX1473最佳工作是在315MHz或433MHz。它包含一个LAN、晶振基PLL(用于本机振荡器)、10.7MHz IF限幅放大器(带接收信号强度指示器RSSI)。内部数据滤波器和数据限制器提供数字数据输出。也可以选用MAX1470接收器，它类似于MAX1473，但它只对315MHz工作最佳，工作电压3.0V~3.6V。