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汽車系統中無線安全應用的設計挑戰

上網時間: 2006年11月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:遙控車門開關  RKE  被動式無鑰開鎖  汽車電子  PKE 

消費者對安全與防護需求正推動汽車電子市場的迅速擴展。在此同時,汽車製造商面臨著必須實現具有成本效益、以性能為導向的電子控制模組挑戰。而汽車安全與防護系統則在汽車製造商的產品區隔目標與消費者需求之間提供了相互協調的橋樑。

從成熟的遙控車門開關(RKE)應用,到新興的被動無鑰開鎖(PKE)、胎壓監測系統(TPMS)、電子收費和藍芽免提系統等應用,車載無線系統正不斷擴張其觸角。這些無線連接可提高安全與防護模組性能。但一些新興的專用短距通訊系統,則由於性價比的關係在汽車安全與防護應用領域受到了侷限。

除加速上市時程與增加功能性等常見壓力外,設計人員還面臨其它許多挑戰,如具備成本效益的性能增強、功耗、系統尺寸和加密安全等。

舉例來說,我們可以審視一種目前系統架構師所面臨眾多挑戰之一的無線系統:一個可接收和發射數據的智慧應答器(smart transponder)。在這種雙向通訊系統中,基地台與應答器能夠自動通訊,無需人工干預。這種低成本的雙向通訊應答器可設計成採用兩個頻率工作:125kHz用於接收數據,UHF(315、433、868或915MHz)用於發射數據。由於125kHz訊號的非傳播(nonpropagating)屬性,雙向通訊距離一般不超過3公尺。而鑒於該應答器仍然具備能夠執行可選作業的按鈕,故當按下發射按鈕時,還可支援更長的單向傳輸距離(從應答器至基地台)。

在這些應用中,基地台用125kHz頻率發射命令,同時搜尋區域內的有效應答器以UHF頻率發回的任何響應。智慧應答器通常處於接收模式,並搜尋任何有效的125kHz基地台命令。如果接收到任何有效的基地台命令,應答器以UHF頻率發射響應。這就是我們所說的‘被動無鑰開鎖(PKE)系統’。PKE系統採用125kHz電路進行雙向通訊。可利用包含數位與低頻類比前端的整合系統單晶片(SoC)智慧微控制器來生產低成本、小體積及低功耗的PKE應答器。

但隨著設計人員累積越來越多的系統經驗,他們又面臨著如下挑戰:如何提高PKE應答器可靠度,使其成為具成本效益的RKE應答器替代方案,同時又確保其能達到特定系統目標?儘管PKE應答器看起來似乎需要採用複雜及昂貴的電路才能實現,但透過使用一些相對簡單的低成本電路,設計人員所面臨的挑戰即可以得到解決。本文以一個智慧型PIC微控制器(PIC16F639)為例,說明一種可包含支援安全雙向通訊所需全部功能的設計。

圖中所示的智慧PKE系統仍具有支援可選作業的按鈕,但主要工作無需任何人機干預即可完成。PKE系統的雙向通訊順序如下:


圖:PKE系統的主要作業無需人工干預

* 基地台用125KHz頻率發射命令;

* 應答器經由三副正交125KHz LC諧振天線接收基地台命令;

* 若命令有效,應答器透過一個UHF發射機發射響應(加密數據);若數據正確,則基地台接收響應,並啟動開關。

設計人員所面臨的另一項挑戰,是如何以具備成本效益的方式實現系統性能增強?要實現增強的性能包括:通訊距離、天線方向性、小尺寸封裝、加密安全及門鎖‘開/關’條件下的低功耗等。透過提高125kHz基地台命令的可靠作用距離,並保持較長的電池工作時間,可滿足關鍵的系統性能增強要求。

在電池供電的應答器應用中,使用UHF的最大通訊距離大約為100公尺,但採用低頻(125kHz)則只能達到幾公尺。因此,雙頻PKE應答器的通訊距離主要受125kHz基地台命令作用距離的限制。由於低頻訊號的非傳播特性,125kHz訊號會隨距離增加而快速衰減。例如,假設基地台輸出300Vpp左右的天線電壓,則由大約3公尺外的應答器線圈天線所感應的電壓僅為3mVpp左右,與應用環境的噪音級相當。所以,如何有效地檢測弱訊號,成為系統設計人員所面臨的棘手性能問題。

要延長125kHz基地台命令的作用距離,可考慮以下兩種解決方案:增加基地台發射機的發射功率;或提高應答器的輸入靈敏度。基地台發射機的最大發射功率一般由政府規定。因此,若基地台發射的最大功率在允許範圍內,則提高輸入訊號檢測靈敏度,即上述第二種方法,是唯一有效的解決方案。為達到3公尺的雙向通訊距離,應答器輸入靈敏度必須達到3mVpp左右。

天線方向性問題

由天線單元輻射的任何無線電訊號都會沿某種方向傳播,若使用性能良好的天線,則訊號傳播的方向性更強(或輻射角更窄)。由LC諧振電路輻射的低頻(125kHz)訊號雖不像高頻訊號具有更好的方向性,但它仍具有一定的方向性。在特定的應答器設計條件下,低頻訊號的通訊距離(或感應電壓)取決於基地台天線與應答器天線的電感性耦合程度。當兩副天線面對面時,其耦合度最佳。

對於免提PKE應用,應答器放在用戶口袋中的方向可以是任意的,因此,應答器天線針對固定基地台天線方向的機率最高只有30%左右(x、y、z方向)。但若應答器有三副正交天線,則這種機率可增加至近100%,此時,應答器可擷取在任何特定方向上的基地台訊號。

PIC16F639的工作可被有效控制,因而節省電池電量消耗。此外,該微控制器還必須在非主動模式期間以最少的電路工作。應答器中的PIC16F639晶片同時含有低頻前端與數位電路,低頻前端部份總是在搜尋輸入訊號,而數位部份則處於睡眠模式,以節省電池電量,只有在接收到一條有效基地台命令時才被喚醒。這可以透過在低頻前端中使用一個特殊的喚醒濾波器來實現。且低頻檢測電路為可編程,這將僅在輸入訊號具有預定義數據報頭時才有輸出。

功率管理及封裝問題

除利用特殊濾波器來節省電池電量外,PIC16F639還採用了奈瓦(nanoWatt)技術,可方便系統設計人員更好地控制晶片上週邊設備,如可利用幾種軟體可選速度選項將頻率降至32KHz的8MHz內部振盪器。極低的睡眠電流消耗加上快速啟動的內部振盪器,可支援低功耗系統設計。其週期性喚醒機制包括低功率即時時脈工作、超低功率喚醒與擴展的低功率看門狗定時器。透過這些功率管理特性,設計人員能在應用軟體中實現節能,並以更低成本嚴格控制整體系統功耗。

為方便實現並增強靈活性,同時保持小佔位面積,必須仔細評估MCU和類比前端之間的整合度。此處採用了一種‘雙晶片單封裝’方案,可基於應用要求支援未來向不同MCU的轉換。兩個功能型晶片透過一個串列週邊設備介面進行內部接合。PIC微控制器系列支援多種封裝形式,包括從6至80個接腳的元件在內。少於20接腳的封裝是無線接取系統中空間受限應用的理想選擇。

專利的KEELOQ加密技術提供了一種用於認證、遙控車門開關及其它遠端接取控制系統的解決方案。KEELOQ加密技術採用經業界驗證的跳碼編碼(code hopping encoding)方法,當編碼元件被啟動時,程式碼改變並被安全發送。在基於一對編碼器和解碼器的實現方案中,編碼器位於遠端,並發送一個循環碼(rolling-code) ID編號與計數器值。解碼器則位於接收器中,對遠端編碼器所發送的消息進行解碼。它儲存其偵聽到的遠端設備的識別編號與計數器值。解碼器只有在偵聽到遠端設備時才允許存取。

KEELOQ加密是一種透過複雜公式及32位元隨機數產生器來實現的安全演算法。針對停車場入口應用,駕駛員不用停車即可直接開進停車場,因為系統會自動識別3公尺左右有效使用範圍內的PKE應答器。

未來汽車無線安全接取系統的設計人員可能遭遇各種不同挑戰。具備成本效益的微控制器可為車載無線系統提供一種成熟可靠的建構模組。採用整合系統單晶片解決方案實現的低成本雙向通訊應答器,即是一個可為駕駛員提供增強安全保安性功能的無線系統的實例。無需任何人工干預,PKE應答器即可接收低頻基地台命令,並透過UHF發射器加密數據進行響應。這種小型PKE應答器可裝在駕駛員口袋中,能夠自動開關車門,而無需任何人工干預。

作者:Youbok Lee

資深技術工程師

安全、微控制器和技術部

Willie Fitzgerald

汽車產品事業部產品行銷總監

Microchip Technology




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