第第頁基于pic16f639的免持式被動無鑰門禁的設(shè)計(jì)免持式被動無鑰門禁(pke)正快速成為汽車遠(yuǎn)程無鑰門禁應(yīng)用的主流，并成為新車型的普遍選項(xiàng)。該辦法無需用手按發(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)答器就可便利地進(jìn)出車輛。

免持式pke應(yīng)用要求基站和應(yīng)答器單元之間舉行雙向通訊。車輛內(nèi)的基站單元發(fā)出一個(gè)低頻(lf)指令，搜索周圍的應(yīng)答器。一旦車主的應(yīng)答器被搜尋到，該應(yīng)答器隨即自動回應(yīng)基站單元?；締卧谑盏接行У尿?yàn)證響應(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(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)到的最大天線約為300v峰峰值。因?yàn)榈皖l信號(125khz)的非傳揚(yáng)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惟獨(dú)約幾個(gè)mv峰峰值。另外，因?yàn)樘炀€的方向特性，假如天線沒有朝向基站天線，應(yīng)答器的輸入信號電平會十分弱。

若pke無法正常運(yùn)行，最可能的緣由是應(yīng)答器輸入信號電平太弱。因此，為讓免持式pke應(yīng)用牢靠工作，輸入信號在任何期望的通訊范圍內(nèi)都應(yīng)足夠強(qiáng)(高于輸入敏捷度電平)。為使pke系統(tǒng)牢靠，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必需考慮基站指令信號的輸出功率、應(yīng)答器的輸入敏捷度、天線的方向性以及應(yīng)答器的電池用法壽命這四個(gè)重要參數(shù)。

16f639是一款帶三通道(afe)的，其模擬前端特性由mcu固件控制。因?yàn)橛梅ū憷?，該器件可用于多種智能低頻檢測和雙向通訊應(yīng)用中。本文研究了利用pic16f639mcu實(shí)現(xiàn)智能pke應(yīng)答器的設(shè)計(jì)示例，并給出了電路中的mcu固件示例。設(shè)計(jì)工程師可以很便利地按照用戶的特定應(yīng)用對這些電路和mcu固件舉行修改。

圖1：采納雙向通信的智能被動無鑰匙門控(pke)系統(tǒng)。

pic16f639pke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(gè)典型的pke系統(tǒng)示例，基站單元發(fā)出一個(gè)125khz的指令信號，搜索周圍有效的應(yīng)答器。假如接收到的指令有效，pke應(yīng)答器將返回一個(gè)響應(yīng)信號。

pic16f639器件的模擬輸入敏捷度很高(高達(dá)1mv峰峰值)，具有三個(gè)天線銜接引腳。通過銜接指向x、y和z方向的三個(gè)天線，應(yīng)答器可隨時(shí)接收來自隨意方向的信號，從而降低由天線的方向性而造成信號走失的可能性。各天線引腳的輸入信號的檢測是互相自立的，并隨后相加。通過對配置寄存器舉行編程，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)答器延續(xù)等待并檢測輸入信號，這會削減電池用法壽命。因此，為減小工作，在模擬前端(afe)搜索有效輸入信號的同時(shí)，數(shù)字mcu部分可以處于低電流模式(休眠模式)。惟獨(dú)當(dāng)afe檢測到有效輸入信號時(shí)，數(shù)字mcu部分才被喚醒。通過用法一個(gè)輸出訪能(喚醒濾波器)可實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。pic16f639具有9個(gè)輸出訪能濾波器選項(xiàng)。用戶可利用配置寄存器對濾波器舉行編程。濾波器一旦被編程，則惟獨(dú)在輸入信號達(dá)到濾波器要求時(shí)，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。

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)配置為電平變幻中斷引腳，而portc各引腳沒有電平變幻中斷的功能。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)部分離銜接到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)約電池能量，afe部分在檢測lf輸入信號的同時(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)部銜接到portc引腳，但因?yàn)閜ortc引腳不是電平變幻中斷引腳，所以afe輸出無法通過電平變幻中斷大事喚醒數(shù)字部分。因此，建議將afe的lfdata和alert引腳在外部銜接到porta引腳，2所示。

數(shù)字部分在浮現(xiàn)以下三種狀況之一時(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)按鈕大事。

圖3：因?yàn)樘炀€的方向性，在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)天線平行時(shí)檢測距離最大，正交時(shí)檢測距離最短。

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引腳用于銜接(每個(gè)lf輸入通道的)外部lc諧振天線電路。外部電路銜接至天線輸入引腳及l(fā)ccom引腳。對全部外部天線電路而言，lccom是共用引腳。當(dāng)內(nèi)部檢測電路檢測到強(qiáng)輸入信號時(shí)，建議在lccom引腳與地之間接一個(gè)(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)外部天線銜接，但按照詳細(xì)應(yīng)用，用戶可以只用一個(gè)或兩個(gè)天線，而不是同時(shí)用法三個(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，但劇烈建議在免持式pke應(yīng)用中用法全部三個(gè)天線。

為檢測低頻磁場，通常要用法調(diào)諧環(huán)型天線。為使天線電壓最大，環(huán)型天線必需精確調(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(gè)線圈()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)路途圈的匝數(shù)；s=環(huán)路表面積(m2)；q=lc電路品質(zhì)因數(shù)；bo=磁場強(qiáng)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)諧電路的頻率挑選性的指標(biāo)。假設(shè)電容在125khz時(shí)無損耗，則lc電路的q值將主要由電感打算。

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(xiàng)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(shí)，天線有效表面積最大，此時(shí)基站和應(yīng)答器單元的天線面向面。在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)天線平行時(shí)檢測距離最大，正交時(shí)檢測距離最短。圖3用圖形闡述了實(shí)際應(yīng)用中的天線方向問題。

圖4：推舉的應(yīng)答器電路板天線布局圖。

假如三個(gè)天線在同一印刷電路板上的位置互相正交，可大大削減天線方向問題。在實(shí)際應(yīng)用中，這種設(shè)計(jì)會提高任何時(shí)刻起碼有一個(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用法一個(gè)大空芯線圈，lcx和lcy用法兩個(gè)鐵氧體磁芯線圈。有些公司特地生產(chǎn)125khz和低頻檢測應(yīng)用系統(tǒng)用法的鐵氧體線圈。

如式2和式3所示，當(dāng)lc電路精確?????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，因?yàn)閘c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，被編程到最大63pf，電容值隨配置寄存器位的增強(qiáng)而單調(diào)遞增。

可通過監(jiān)測rssi電流輸出對電容舉行有效調(diào)諧。rssi輸出與輸入信號強(qiáng)度成正比，因此lc電路被調(diào)諧得與載波頻率越臨近，監(jiān)測到的rssi輸出越高?？傠娙葜惦S著配置寄存器位上升而增強(qiáng)，由此得到的內(nèi)部電容被疊加到lc電路的電容上。隨內(nèi)部諧振電容的增強(qiáng)，lc諧振頻率將降低。

圖5：應(yīng)答器電路的每個(gè)諧振天線必需調(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(shí)際應(yīng)用有可能發(fā)生電池意外地臨時(shí)脫離電路的狀況，例如當(dāng)應(yīng)答器掉落到硬質(zhì)表面上時(shí)。假如發(fā)生此種狀況，存儲在mcu中的數(shù)據(jù)可能無法正確復(fù)原。為避開電池意外脫離，用戶可考慮采納后備電池電路。后備電池電路能向應(yīng)答器臨時(shí)提供vdd電壓。建議在精密應(yīng)答器中采納這種電路，但并不是全部應(yīng)用都必需采納它。在圖2中，d4和c1構(gòu)成了電池后備電路。當(dāng)電池銜接時(shí)，c1被徹低充電，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，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)，這種電源電路很實(shí)用。按照不同應(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。

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諧振電路都銜接到lc輸入和lccom引腳?？招咎炀€銜接到lcx輸入，兩個(gè)鐵氧體磁棒電感銜接到lcy和lcz引腳。lccom引腳為三個(gè)天線銜接的公共引腳，通過c11和r9接地。每個(gè)諧振天線必需調(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)?？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afe配置寄存器舉行編程。因?yàn)閍fe輸入敏捷度高(約3mv峰峰值)，afe對環(huán)境噪聲十分敏感，所以必需實(shí)行措施避開沿走線上產(chǎn)生過多溝通噪聲。在vdd和vddt引腳分離用法電容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)電池臨時(shí)斷開時(shí)，c5儲存的電荷可維持pic16f639器件的供電。二極管d3和d7穿過空芯線圈互相銜接，在三個(gè)外部lc諧振天線中產(chǎn)生強(qiáng)大的線圈電壓。

一旦檢測到有效輸入信號，數(shù)字mcu部分即被喚醒，假如指令信號有效，則發(fā)出一個(gè)響應(yīng)。

應(yīng)答器可用法內(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(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)。假如afe從數(shù)字mcu部分接收到箝位或斷開箝位的指令，內(nèi)部調(diào)制器就會分離導(dǎo)通和關(guān)斷。天線電壓分離按照箝位或斷開箝位指令舉行箝位和斷開箝位，這稱為lf對講。lf對講只在近距離應(yīng)用中用法?；究梢詸z測應(yīng)答器天線電壓的變幻并重建調(diào)制數(shù)據(jù)。

在長距離應(yīng)用中，應(yīng)答器采納uhf發(fā)送器。由uhf(433.92mhz)諧振器u2和功率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)，詳細(xì)取決于線路布局。普通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)mcui/o引腳輸出規(guī)律高電平常，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(gè)mcu、125khz的發(fā)送器/接收器和一個(gè)uhf接收器模塊。基站發(fā)出125khz的低頻指令信號，并通過uhf和lf接收來自應(yīng)答器的響應(yīng)。發(fā)出lf指令后，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()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125khzlf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(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。用戶可通過監(jiān)視l1上的線圈