什么是智能无线通讯？

目前普遍应用的无钥门禁系统由两个单元组成。一个是基站单元，由单片机和高频接收器构成。另一个是可以随身携带的发送器单元，由一个高频发送器和单片机组成。当用户通过按钮启动发送器时，发送器会加密代码，把信号发给基站。但这并不是智能的无线通信系统，智能无线通信系统应具备以下特点：1、自动操作，使用者无需按任何按钮，系统自己可以检测和发送信号；2、100％独立；3、在不同的环境下可以自己学习和适应，在有噪音的情况下，可以排除噪音，正常工作。
构建这样一个智能系统有很多要求，其中几个最简单的要求及相应解决方案如下：

1、体积小、成本低；解决方案是采用一枚智能单片机（MCU），单片机集成了数字和模拟前端电路。

2、经济的双向通讯；解决方案是基站命令用125kHz，响应用UHF。

3、通讯距离大于2米；解决方案是应答器具有高输入灵敏度，以便检测基站命令。

4、工作在噪声环境下（因为一般的环境下有很多噪音、干扰）；解决方案是高输入调制深度灵敏度。

5、消除天线方向性；解决方案是在应答器板上使用三付正交放置的LF天线。

6、电池寿命长；解决方案是使用唤醒滤波器。

7、数据安全性；解决方案是使用加密/解密算法。

图1是1个智能被动无钥门禁(PKE)系统示例。它同目前普遍使用的无匙门禁系统有所不同。左边的基站部分除单片机和高频发送器外，还有1个低频发送器/接收器；基站发出125kHz的低频命令，右边的智能接收器收到信号后，进行处理。信号达到一定的要求，就可以使用高频或低频作为响应。在智能接收器中有3个方向（X、Y、Z）的天线，从而能保证可以收到从任意方向过来的信号。另外，用户不需按任何按钮，智能接收器就可以自动接收和发送信号。

图1 智能被动无钥门禁(PKE)系统示例(略)

PKE应答器原理图如图2所示。MCU是PIC16F639。639由另一个单片机636和模拟前端MCP2030组成。636具有Microchip专利的KEELOQ加密和解密方式。如果不需要使用这种加密方式，也可以将MCP2030同别的单片机组合在一起。

图2 PKE应答器原理图(略)


PKE应用示例

PKE可以应用在智能车辆出入系统、引擎防盗锁止系统以及胎压监测系统（TPMS）等多种应用中。下面以胎压监测系统为例，详细阐述其使用。如图3所示，胎压监测系统由3个单元组成。左下方是安装在轮胎上的传感单元，由智能单片机、胎压传感器和一个高频发送器组成。右上方是一个基站，由单片机和高频接收器组成。右下方是一个低频触发器。它放在靠近轮胎很近的车身中，使用时，每过3～4秒，低频触发器发出一个启动命令，发给轮胎里的传感单元。传感单元中的MCU接收到信号，信号达到要求后，会要求胎压传感器测量胎压，再由高频发送器发送到基站。

图3 胎压监测系统（略）


可编程数字唤醒滤波器

可编程数字唤醒滤波器是一个非常重要的功能。使用它的目的在于：减小工作电流（延长电池寿命），即：使数字部分一直处于低电流模式（休眠），除非模拟部分发现有效输入信号。达到上述目的的方法是：应答器只搜寻具有预定义报头（波形）的输入信号，而忽略其他所有不具有预定义报头的输入信号。

图4是唤醒滤波器输入信号波形和输出数字。第一段是模拟前端所需的稳定时间，有一段间隙。第二段是可编程唤醒滤波器预定义的报头，它完全由用户设定，这里设的是2个毫秒高、2个毫秒低。当输入信号达到这个要求时，我们才会看到数字从单片机输出。

图4 唤醒滤波器输入信号波形和输出数字(略)

图5是唤醒滤波器使能时的输出。下面是输入信号，上面是调整输出信号。下面第一段是所需的稳定时间，有一段间隙。我们预定义的可编程唤醒滤波器波形是2个毫秒高、2个毫秒低。当输入信号达到这个要求时，上面有输出信号。而当输入信号不满足预设的唤醒滤波器时序要求时，就没有输出。

图5 唤醒滤波器使能时的输出(略)

一般情况下我们建议使用唤醒滤波器。因为当噪音进入时，只有满足预设波形的噪音才能唤醒数字电路。而没有使用唤醒滤波器时，任意噪音信号都可以唤醒，从而造成不必要的电流消耗。 幅值灵敏度及调制深度

幅值灵敏度及调制深度是另一个重要的功能。图 6是近场中的RF脉冲。有时候，基站和应答器非常靠近时，一般信号是从最高到最低来回摆动，但有时信号没有足够的时间实现最高到最低的摆动。这时信号的最高值和最低值很接近，这样就对信号的处理造成了困难。
图7是噪声环境下的RF脉冲。上面的图形是触发电平，在下面的图形中可以看到，噪声最低值已经加高到与最高值十分接近。这样就对信号的处理造成了困难。

图6 近场中的RF脉冲(略)

图7 噪声环境下的RF脉冲(略)

如何判断调制深度呢？可以采用两种办法。一种是脉冲信号的（最高值-最低值）/最高值。另一种是采用（最高值-最低值）/（最高值+最低值）。我们采用前者，因为这样更便于用户理解。

图8是调制输入检测示例。上面是100％的调制输入，最高值和最低值非常明显。下面是25％的调制输入，最高值和最低值非常接近。

图8 调制输入检测示例(略)


智能被动无钥门禁（PKE）系统示例

图9是具有无电池及后备电池电路的智能 PKE 应答器。在有些情况下，比如电视机接触不良时，可以用磁线圈给电池短暂供电，这样应答器在没有电池供电时，仍可工作。

图9 具有无电池及后备电池电路的智能 PKE 应答器(略)

该系统具有以下要求：应答器中，有LF天线、UHF发送器、外部后备电池电路（可选）和智能 MCU及MCU固件。基站中，有LF发送器、UHF接收器、天线和MCU及MCU固件。

双向通讯距离的参数包括：应答器中，有天线调谐及Q、天线定位（使用三维天线）、接收灵敏度、输入信号的调制深度、数据率；基站中，有输出功率、接收灵敏度。

天线设计中，低频部分普遍使用的频率为125kHz；使用LC谐振电路；天线类型为空心线圈或铁氧体磁芯（1～10 mH）；LC谐振频率＝基站的载波频率；范围：被动标签小于1米，主动标签小于5米。高频部分，UHF:315～960 MHz；使用偶极天线，蚀刻在PCB上；范围：被动标签5米，主动标签100米。

磁通量与天线感应电压具有专门的公式。在判断感应电压时，有很多因素，比如说线圈匝数、接收器线圈的表面积、频率、品质因数等。天线感应电压同距离的关系为：基站和接收器靠的很近时，信号的电压是200V；距离到3米时，电压信号只能达到5mV的峰峰值。因此信号输入灵敏度在这里是非常关键和重要的。

目前，Microchip已经提供了PKE的演示板，可以登录Microchip网站www.microchip.com查找。

结论

可靠的自动操作有以下要求：智能双向通讯、系统成本低、LF 输入灵敏度高、功耗低（通过控制电池的使用来实现）、安全的数据加密与解密（Microchip使用专利的KEELOQ加密和解密方式）。您可以使用一枚智能单片机来构建系统，智能单片机能提供满足上述要求的解决方案。

更多详细内容，敬请登录中电网在线座谈网址：

http://seminar.chinaecnet.com/060322/jchf.asp


问答选编

问：被动无钥门禁系统（PKE）和以往的遥控无钥门禁 （RKE）系统有何区别，请简述实现原理。

答： 我们现在汽车上用的是RKE，需要人为的按下键才 能开车门，如果用PKE就不需要人为按键了，当人 靠近时就会自动开门 。

问：在不更换电池的情况下，一个PKE系统可以使用多 长时间？

答：一般来说，大概5~7年左右算是比较标准的情况。

问：新产品经过多少次的成样测试? PKE系统可以完全 信赖吗？

答：目前在欧洲已经有一些汽车厂家在做产品测试。包 括尼桑也正在用我们的模拟前端开发下一款PKE产 品。我们正在努力取得汽车行业的“完全信赖”。

问：（1）RKE的距离有多远？（2）能否提供制造3D线圈 的厂家？（3）如何解决车身对RKE的屏蔽？

答：（1）低频LF可以达到几英寸，UHF可以80～150米。 （2）成都/西安有一些专业制造天线的，我知道西安 海天天线公司是专业天线公司。（3）选择UHF的 合适频段，一般高频容易被屏蔽，200~450MHz就 比800~900MHz要好些。

问：无钥门禁系统（PKE）对用户的身份识别安全可靠性 具体表现在哪些方面？应答器中模拟检测电路又 是通过怎样的方式来实现智能检测的？

答：使用特别加密技术(KEELOQ)有64位码长对用户的 身份识别，模拟检测电路使用唤醒滤波技术(可编 程的高低电平时间)来识别不同的基站，匹配后再 用高频完成KEELOQ对码，以确定身份。

问：应答器的通信距离有多远？

答：125KHz：被动1米；主动5米。UHF：被动:5米；主动 100米。

问：在设计基站部分时，应该注意哪些问题？如何能保 证该部分功能稳定？

答：注意线圈的设计，例如Q值。Microchip提供了相关 的应用笔记供参考。此外，射频接收的部分，需要 评估该部分的稳定性。

问：贵公司建议高频链路采用哪种调制方式？是否可 以避免同频干扰？

答：目前的方案是ASK，不可以避免同频干扰。但是作 为钥匙来说，当出现冲突，第一次门没有开，你一定 会再试一次的。

问：唤醒滤波器主要指什么？

答：唤醒滤波器是芯片内部的逻辑电路。当应答器接 收到基站的125kHz信号时，如果满足滤波器的时 序要求，芯片将唤醒并工作；如果不满足，芯片将 保持睡眠并维持低功耗。这个设计主要是为了降 低应答器的功耗。

问：能否介绍一下Keeloq 算法的原理，在设计时如何实 现？

答：KEELOQ是由固定码部分加由序号、密码、识别码、 同步计数值通过加密算法生成的跳码部分进行传 输，因为同步计数值在变，所以可以保证每次发送 的数据都不一样。在设计中可以使用硬件来实现 (用HCS器件)，接收方也可以使用软件解密。

问：FSK与ASK哪一种抗干扰能力更强一些？另外，现 在提到的CDMA是否在RKE中有应用？

答：对于基站的低频通信部分，我们采用的是ASK，这 个部分只是用于唤醒和检测应答器在基站范围内。 高频的开门信号发送，采用ASK或FSK方式都可 以，至于抗干扰性能，需要自己评估。

问：调制深度到什么程度就分辨不出信号和噪声了？

答：目前最高可以到12%，已是业界最好的方案了。

问：是用低频进行控制、高频进行数据传输么？这样设 计的好处是什么？

答：用低频（125kHz）接收命令，用高频UHF应答。高频 UHF发送电路比较简单，成本低，在钥匙上容易实 现。

问：采用同一设计的不同PKE制造商的产品密钥互通 率有多大？即用甲钥开乙锁的概率为多少？

答：这种情况几乎没有，每个厂家的分配的ID号码范 围不同。

问：这种PKE系统是如何避免干扰车内的其他通信系 统和设备的？

答：PKE系统只在开车门的时候工作，其他大部分时间 都处于睡眠状态，对车内的其他通信系统和设备影 响不大。

问：应答器的正交天线会不会有死角而接收不到基站 的信号？

答：应该不会，因为我们用三维天线。

问：关于TPMS在车轮内部的安装目前有很多安全方面 的考虑，Microchip对此有怎样的解决方案？

答：目前有两种安装方式：一种是装在轮胎中间，另外 是装在打气处。

问：Microchip TPMS中RF电路设计有何特点？能否保 证高速下稳定接收？

答：Microchip TPMS中的RF电路可以做到从各个方向 可靠接受信号，通过唤醒滤波器保证低功耗。可以 保证在高速下稳定运行。

问：如何获取Microchip的被动无钥门禁参考设计工具 包？

答：请联系Microchip的代理商或者就近联系Microchip 各地的办事处。网上也已经有相关的详细资料供 下载。