PKE智能钥匙系统设计

随着汽车电子技术的不断发展，传统的无线门禁系统已无法满足广大用户的需求。免持式被动无钥匙门禁系统PKE（Passive Keyless Entry）正迅速成为汽车远程无钥匙门禁应用的主流，并成为新型汽车的普遍选择。在汽车装配有PKE智能钥匙系统的情况下，车主只要靠近车辆或者碰一下车门，车门就能自动打开[1]。PKE智能钥匙系统是汽车智能化、信息化、电子化的体现，提高了整车的安全性、可靠性、舒适性，具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益。
1 系统硬件设计
1.1 PKE系统的工作原理
PKE智能钥匙系统分为基站（车身）和应答器（钥匙）两部分，系统框图如图1所示。这两部分之间采取双向通信。该系统有两种工作方式：第一种是车辆中的基站单元不停地发送一条编码为125 kHz的低频报文以搜寻并唤醒一定范围内的应答器。该信号范围内的所有应答器都能够接收到该报文，并对编码的数据字段进行验证。一旦车主身上的应答器识别成功，它就会自动发送一条频率为433.92 MHz的射频Keeloq编码报文，基站单元在收到该报文后对其进行解码，如果识别成功，将控制指令执行机构打开车门。第二种工作方式中基站单元为了降低电流消耗并不会轮询应答器。基站单元一般处于休眠状态或掉电状态，只有当触发事件发生时才能将其唤醒，该触发事件一般是汽车门把手上的红外信号或者是由汽车门把手装置激活的微动开关。在第二种工作方式下车主必须碰一下车门才能触发系统，从而打开车门。

1.2 应答器（钥匙）模块设计
应答器模块由微控制器、高频发射电路、低频接收电路和开关按钮组成，其电路图如图2所示。由于应答器模块是车主随身携带的，所以该模块必须以体积小、功耗低为设计原则，同时必须具备一定的安全性。根据以上特性，微控制器选择微芯公司的PIC16F639。该芯片采用SSOP封装，体积小，内置一个Keeloq加密模块和一个3通道模拟前端，可用于多种低频检测和双向智能通信。

应答器模块采用3 V纽扣电池供电，采用内部4 MHz时钟。在没有低频激励的情况下，应答器模块以标准RKE（Remote Key Entry）模式工作，当接收到有效的低频激励报文时，微控制器将如同按下一个虚拟按键一样做出响应。4个按键（S1~S4）分别接到微控制器的PORT A口，通过电平的变化唤醒休眠中的PIC16F639，并触发中断，完成相应的上锁、解锁、报警等功能。当中断程序完成以后，PIC16F639将重新进入休眠模式。二极管D1用来指示高频信号的发射，高频信号由引脚RC5发出的PWM经过声表面波谐振器产生[2]。
应答器对基站发送过来的低频唤醒信号通过PIC16F639的3通道模拟前端实现。PIC16F639具有高达3 mVpp的模拟输入灵敏度的3个天线连接引脚(LCX、LCY、LCZ)。通过连接3个分别指向x轴、y轴、z轴的天线，应答器可以随时接收来自任何方向的信号，从而降低由天线的方向性而造成信号丢失的可能性。在此系统中，3个方向天线采用PREMO公司专门为PIC16F639设计的集成天线模块，该天线模块体积小、精度高，电感值在出厂时已经配置好，只需要配合对应通道的电容便可使用。对于免持式操作，由于应答器持续等待并检测输入信号，产生电池预期寿命的问题。为了减小工作电流，可以对模拟前端内置的输出使能滤波器进行配置，设定报头匹配序列。当模拟前端搜寻信号时，数字MCU部分可以进入休眠模式，只有在低频输入信号的报头序列波形与滤波器所设定的吻合时，才能唤醒数字MCU。即当有效低频信号通过内部电路解调并在PORT C口RC3引脚上输出LFDATA数字信号时，利用与RC3相连的PORT A口RA2引脚触发中断，才能唤醒休眠中的数字MCU。PIC16F639通过内部SPI配置模拟前端。
应答器模块的高频发射电路如图3所示。声表面波谐振器SAW与功率放大器Q1构成了一个开关键控高频发射器。L1作为高频发射器的天线，一般通过PCB上的金属走线形成。系统需要发送的各种信息经过Keeloq加密并PWM编码后由RC5引脚输出，当输出为高电平时驱动发射电路工作；当输出为低电平时，发射电路截止。

1.3 基站（车身）模块设计
基站模块由微控制器、高频接收电路、低频发射电路、液晶显示电路及总线传输电路组成。基站模块的微控制器采用微芯公司的PIC18F4680，工作频率为40 MHz。该芯片拥有64 KB的Flash存储器，1 KB的EEPROM存储器及3.3 KB的SRAM存储器；还拥有1个SPI接口、1个I2C接口、1个LIN接口及1个ECAN接口，完全可以满足与汽车控制器进行信息交换的要求，同时该芯片具有丰富的I/O资源，为配置液晶屏提供了可能，让车主能够及时了解基站模块的工作情况。本文着重介绍高频接收电路和低频发射电路的设计，其电路如图4、图5所示。