射頻無線門禁系統(tǒng)電路設(shè)計方案詳解

當(dāng)今70%的汽車商選用RKE系統(tǒng)，或?qū)⑵渥鳛橐粋€標(biāo)準(zhǔn)。RKE系統(tǒng)主要由按鍵加密發(fā)送器和車內(nèi)內(nèi)置接收器組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它們主要用在汽車門控制、無線傳感器、汽車無線胎壓監(jiān)測TPMS等方面，使用的頻率是315 MHz、433.92 Hz。歐洲同時開放了868 MHz頻率來適應(yīng)RKE系統(tǒng)的增長需求。

RKE系統(tǒng)的用戶可以通過鑰匙鏈發(fā)送數(shù)據(jù)來打開和關(guān)閉汽車門。圖1中，用戶可以按下按鍵開關(guān)來發(fā)起與接收機的通信，通過一串64～128位長度的數(shù)據(jù)流進(jìn)行發(fā)送器和接收器的會話。該數(shù)據(jù)流包括前引導(dǎo)碼、命令碼和一串加密滾動碼。通信速率通常選用2～20 kHz之間，采用ASK調(diào)制方式，主要為了延長發(fā)送部分鑰匙鏈中電池的使用壽命。

功率設(shè)計

設(shè)計中主要考慮的是低電流消耗情況下的高可靠性、系統(tǒng)的成本以及發(fā)送器和接收器的壽命。對于發(fā)送器，電池壽命在3~5年是可以滿足要求的。電池壽命對于接收器件也很重要，因為接收器件必須總是在線偵聽發(fā)送端數(shù)據(jù)，典型的電流要求不超過1 mA。一個設(shè)計方法是，在一定時間內(nèi)，接收端保證能夠檢測到有效的發(fā)送信號;為了最大限度地節(jié)約電量，接收器在其他的時間睡眠。

安全性設(shè)計

系統(tǒng)的安全性也是一項主要考慮的因素。通過采用Microchip公司專為RKE系統(tǒng)設(shè)計的使用DES算法的安全密鑰芯片HCS300來實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全加密，防止發(fā)送的數(shù)據(jù)被惡意盜取拷貝;同時在接收端使用MC9RS08KA2($0.5070)進(jìn)行解密和繼電器控制。HCS300的操作電壓為2.0~6.3 V，是一個可編程28位串行碼、64位加密鍵值、66位發(fā)送長度、32位跳頻碼、4位按鍵碼、2位狀態(tài)碼，具有鍵值讀保護(hù)措施的芯片。

DES編碼、解碼圖如圖2和圖3所示。

16位的同步計算器，在每次發(fā)送代碼后都要發(fā)生改變。它隨按鍵的次數(shù)而增加。根據(jù)DES算法加密，在每次發(fā)送的代碼中，由于同步計數(shù)器的變化而使得每次發(fā)送的代碼有大于50%的部分不一樣。圖2說明在編碼過程中如何使用HCS300的內(nèi)部可編程EEPROM，一旦編碼器檢測有按鍵按下，它就立即讀鍵值，同時刷新同步計數(shù)器。按鍵和同步計數(shù)器經(jīng)過加密算法處理，輸出數(shù)據(jù)是32位的加密信息。攜帶按鍵信息的32位代碼和串行碼組成了整個發(fā)送碼，將被接收部分接收到。

解碼部分必須先學(xué)習(xí)發(fā)送端的數(shù)據(jù)碼，學(xué)習(xí)包括計算發(fā)送端的鍵值、解密32位的加密信息和可編程陣列中的串行碼、同步計數(shù)器以及鍵值。在正常的操作模式中，每次接收到的有效格式的信息都被計算。串行碼用于表示發(fā)送碼是否被學(xué)習(xí)過。如果發(fā)送碼被學(xué)習(xí)過，那么它的信息被解密和同步計數(shù)器值校驗，最后接收系統(tǒng)執(zhí)行按鍵操作請求。圖3表示了接收部分接收到的信息和它的可編程EEPROM(設(shè)計中使用AT24C02($0.2389))中存儲信息的關(guān)系。

射頻收發(fā)器件和微處理器特性

為了保證系統(tǒng)能夠在較低電流消耗的情況下，有較高的發(fā)射功率和接收靈敏度，系統(tǒng)選用了Maxim公司的MAX1473($1.9635)接收芯片和MAX7044($1.3464)發(fā)射芯片。MAX7044發(fā)射芯片工作電壓為+2.1~6.0 V，7.7 mA的低工作電流，250 μs的啟動時間。通信速率能達(dá)到100 kbps，小封裝3 mm×3 mm，8引腳SOT23($30.0000)封裝。它消除了基于SAW發(fā)送器設(shè)計的問題;采用晶體結(jié)構(gòu)，提供了更大的調(diào)制深度和快速的頻率響應(yīng)機制;降低了溫度的影響，溫度范圍可達(dá)-40~125 ℃。

硬件設(shè)計圖

按鍵DES硬件加密部分電路如圖4所示。發(fā)送部分射頻前端電路如圖5所示。接收部分射頻前端電路如圖6所示，元器件參數(shù)如表1所列。接收部分微處理器控制電路如圖7所示。[!--empirenews.page--]

MAX1473接收芯片采用3.3 V鋰電池供電，250 μs啟動時間，小于2.5 μA的待機模式工作電流，-114 dBm的靈敏度;采用TSSOP 28引腳封裝設(shè)計。MC9RS08KA2作為Freescale公司新推出的一款集成多個功能的高性價比MCU，具有鍵盤中斷和高達(dá)20 MHz的內(nèi)部時鐘，以及8位模計數(shù)器，2 KB Flash空間，63字節(jié)RAM;同時有等待和3種停止模式，滿足系統(tǒng)的超低功耗設(shè)計(設(shè)計中電流小于1 μA)，以及簡易的6引腳BDM編程調(diào)試接口，便于系統(tǒng)的實時升級。設(shè)計中采用6引腳DFN精密小引腳封裝，滿足系統(tǒng)的小體積要求。

通過結(jié)合多家外圍器件和微處理器件，利用Microchip KEELOQ芯片的安全性，Maxim的射頻芯片的可靠性、穩(wěn)定性和Freescale微處理器的高集成度及性價比，整合各家優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的整體性能。通過實際運行，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)先設(shè)計的要求。本次設(shè)計只使用了2個按鍵，根據(jù)需要可以外擴功能按鍵達(dá)到15個，用于實現(xiàn)不同的控制信息要求。設(shè)計人員可以根據(jù)自行需要進(jìn)行相應(yīng)的擴展。