基于PIC16F639單片機的免持式被動無鑰門禁系統(tǒng)

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。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尿炞C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)計為政府機構(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，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(高于輸入靈敏度電平)。為使PKE系統(tǒng)可靠，系統(tǒng)設(shè)計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實現(xiàn)智能PKE應(yīng)答器的設(shè)計電路示例，并給出了電路中的MCU固件示例。設(shè)計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為一個典型的PKE系統(tǒng)示例，基站單元發(fā)出一個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)，具有三個天線連接引腳。通過連接指向X、Y和Z方向的三個天線，應(yīng)答器可隨時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立的，并隨后相加。通過對配置寄存器進(jìn)行編程，每個輸入通道可以被單獨使能或禁止。被使能的通道越少，器件的功耗就越小。

為實現(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，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，數(shù)字MCU部分才被喚醒。通過使用一個輸出使能濾波器(喚醒濾波器)可實現(xiàn)這個功能。PIC16F639具有9個輸出使能濾波器選項。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，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I/O口。每個PORTA引腳都可被單獨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，數(shù)字部分通常處于休眠模式。盡管AFE的輸出焊點在內(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，在實際應(yīng)用中，兩個天線平行時檢測距離最大，正交時檢測距離最短。

外部LC諧振天線

PIC16F639器件具有三個低頻輸入通道。LCX、LCY和LCZ引腳用于連接(每個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輸入信號時，建議在LCCOM引腳與地之間接一個電容(1～10μF)，以提供穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

盡管PIC16F639有三個LC輸入引腳與三個外部天線連接，但根據(jù)具體應(yīng)用，用戶可以只用一個或兩個天線，而不是同時使用三個天線。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，但強烈建議在免持式PKE應(yīng)用中使用所有三個天線。

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諧振電路的一個線圈(電感)和幾個電容組成。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，天線有效表面積最大，此時基站和應(yīng)答器單元的天線面對面。在實際應(yīng)用中，兩個天線平行時檢測距離最大，正交時檢測距離最短。圖3用圖形闡述了實際應(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。在實際應(yīng)用中，這種設(shè)計會提高任何時刻至少有一個應(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天線的圖示。LCZ使用一個大空芯線圈，LCX和LCY使用兩個鐵氧體磁芯線圈。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，線圈上的感應(yīng)電壓最大。但在實際應(yīng)用中，由于LC元件的容差不同，各個應(yīng)答器的LC諧振頻率也不同。為補償元件容差帶來的誤差，PIC16F639的每個通道都有一個內(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

實際應(yīng)用有可能發(fā)生電池意外地暫時脫離電路的情況，例如當(dāng)應(yīng)答器掉落到硬質(zhì)表面上時。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，C1被完全充電，當(dāng)電池短暫斷開時，C1提供VDD電壓。

當(dāng)應(yīng)答器處于無電池運行時稱為無電池模式。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，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用于需要無電池運行的防碰撞應(yīng)答器應(yīng)用中時，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)答器電路具有三個外部LC諧振電路、五個按鈕開關(guān)、一個用于UHF數(shù)據(jù)發(fā)送的433.92MHz諧振器和幾個用于后備電池模式的元件。

每個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，兩個鐵氧體磁棒電感連接到LCY和LCZ引腳。LCCOM引腳為三個天線連接的公共引腳，通過C11和R9接地。每個諧振天線必須調(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)。可利用每個通道的內(nèi)部電容將天線調(diào)諧到最佳狀態(tài)。

器件初始上電時，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)電池暫時斷開時，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，在三個外部LC諧振天線中產(chǎn)生強大的線圈電壓。

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)。每個模擬輸入通道在輸入和LCCOM引腳間有一個內(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，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MCU、125kHz的發(fā)送器/接收器和一個UHF接收器模塊?；景l(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，天線輻射最強。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。