采用PIC16F639的被動(dòng)無鑰門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    免持式被動(dòng)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(dòng)回應(yīng)基站單元?；締卧谑盏接行У尿?yàn)證響應(yīng)信號(hào)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(hào)(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(hào)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(hào)電平會(huì)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(hào)電平太弱。因此，為讓免持式PKE應(yīng)用可靠工作，輸入信號(hào)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(hào)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(cè)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(duì)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(dòng)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(cè)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(hào)，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(hào)。  

      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(hào)，從而降低由天線的方向性而造成信號(hào)丟失的可能性。各天線引腳的輸入信號(hào)的檢測(cè)是相互獨(dú)立的，并隨后相加。通過對(duì)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(cè)輸入信號(hào)，這會(huì)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(hào)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(cè)到有效輸入信號(hào)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(duì)濾波器進(jìn)行編程。濾波器一旦被編程，則只有在輸入信號(hào)達(dá)到濾波器要求時(shí)，器件才將檢測(cè)到的輸出傳送到數(shù)字部分。   

  
  圖2：被動(dòng)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(cè)LF輸入信號(hào)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(cè)距離最大，正交時(shí)檢測(cè)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(duì)所有外部天線電路而言，LCCOM是共用引腳。當(dāng)內(nèi)部檢測(cè)電路檢測(cè)到強(qiáng)輸入信號(hào)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(cè)低頻磁場(chǎng)，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(duì)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)度(韋伯/平方米)；α=信號(hào)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(duì)于空芯電感，LC電路的Q值大于20，對(duì)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(chǎng)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(duì)面。在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)天線平行時(shí)檢測(cè)距離最大，正交時(shí)檢測(cè)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(huì)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(cè)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(zhǎng)，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(cè)RSSI電流輸出對(duì)電容進(jìn)行有效調(diào)諧。RSSI輸出與輸入信號(hào)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(cè)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(hào)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(chǔ)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(dòng)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(hào)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(duì)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(duì)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(chǔ)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(cè)到有效輸入信號(hào)，數(shù)字MCU部分即被喚醒，如果命令信號(hào)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(duì)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(huì)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L(zhǎng)F對(duì)講。LF對(duì)講只在近距離應(yīng)用中使用?；究梢詸z測(cè)應(yīng)答器天線電壓的變化并重建調(diào)制數(shù)據(jù)。  

     在長(zhǎng)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(hào)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?；景l(fā)出125kHz的低頻命令信號(hào)，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(hào)。電流驅(qū)動(dòng)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(hào)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(chǎng)。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(duì)講信號(hào)。當(dāng)應(yīng)答器以LF對(duì)講作出響應(yīng)后，L1上的線圈電壓會(huì)由于應(yīng)答器線圈電壓產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(cè)L1上線圈電壓的變化。檢測(cè)到的包絡(luò)信號(hào)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。