低频磁通信在汽车智能防盗系统中的应用

摘 要:随着PKE技术在汽车智能防盗中的应用,同频干扰与PKE的认证方式问题会越来越突出,同频干扰会造成智能卡短暂性失灵,但对于防盗系统的智能防盗与安全性能不会产生影响.如何提高系统低频磁通信的稳定性,是个迫在眉睫的问题.主要阐述汽车智能防盗的优点,PKE技术的工作原理,着重研究低频磁通信(LFMC)的工作原理,低频磁通信在汽车智能防盗系统中的应用,3D模拟前端ICTMS37122的工作原理与相关寄存器的配置说明.

关 键 词:智能防盗,PKE,低频磁通信

中图分类号:TN962文献标识码:A文章编号:1671-7597(2012)0910019-03

0引言

随着经济的发展,人们生活消费水平的提高,汽车渐渐地走入了千家万户.人们对于汽车的实际需求量越来越大,现在的RKE(RemoteKeylessEntry)防盗技术,已经不能满足因汽车数量的增加而带来的安全隐患问题.为了提高汽车防盗系统的智能性、安全性、稳定性、可靠性、舒适性,人们提出了全新的智能防盗方案PKE(PassiveKeylessEntry)技术.

1PKE的工作原理及优点

PKE智能防盗系统的工作原理[1](图1),PKE基站在有效的范围内(2米左右)发送LF低频唤醒加密报文(TI方案)的方式来查找智能卡.如果在有效范围内发现智能卡,低频信号会唤醒休眠中的智能卡.智能卡从休眠中被唤醒,表明PKE基站的LF低频唤醒加密报文与智能卡认证成功,智能卡系统会发送UHF(315MHz/433MHz)数据(Microchip方案)加密应答报文,PKE基站进行UHF加密数据报文的认证,认证通过之后,PKE基站执行相关的通信协议内容.

PKE技术在汽车智能防盗系统中得到应用,最重要的原因就是添加了LF低频磁通信唤醒认证模块.为了提高与改善系统设计的灵活性,生产简易性,智能卡与PKE基站主机是学习型的.学习模式时,智能卡与PKE基站主机完成通信协议的匹配认证.

智能卡的UHF部分使用Microchip方案,因为Microchip方案采用滚动码(或者跳码)数据加密技术,提高了数据通信的安全性,防止被轻易地抓码.智能防盗系统采用双向加密通信认证,当智能防盗系统在一定的时间及有效的范围内没有找到智能卡,智能防盗系统会自动地关锁,同时处于防盗报警状态.PKE基站检测到有效的智能卡后,基站系统实现自动开锁功能,同时自动地撤防.

RKE系统只是单向的通信认证,遇到同频干扰时,遥控器指令很容易被屏蔽,形成RKE基站接收不到遥控器指令的问题.当遥控器发送关锁指令时,此时如果有同频干扰,那么遥控器的关锁命令很容易被同频屏蔽,造成了关锁检测象,汽车很容易被偷盗.PKE智能防盗系统采用双向加密通信认证,增加了防盗系统的复杂性,却大大地提高了防盗系统的可靠性,也解决了RKE系统中因同频干扰带来的安全性问题.

PKE智能防盗可以实现车门的自动开锁与关锁,自动升窗等功能,释放出了人们的双手,实现了防盗系统的舒适化、人性化和智能化.

2低频磁通信的工作原理

PKE系统中引入了LF低频磁通信技术(LFMC),实现了操作简便、汽车防盗安全性提高、使用更加舒适人性化的目的.因为低频磁通信LFMC有很强的穿透性能,它克服了红外线与紫外线的缺点.随着距离的增加,低频磁通信的能量衰减非常得快,我们正是利用LFMC信号衰减快的特性,使系统的低频感应距离比较近,当人离开PKE基站一定距离之后,如果PKE基站检测不到智能卡,PKE系统就会自动处于防盗报警状态.

低频磁通信的工作原理[2],在低频段,如果利用电磁场来传输能量,天线的长度取决于波长,无线信号与波长成反比关系.LF低频波段制作天线不现实,所以LF低频波段选择磁场进行通信.

低频磁通信是利用电磁感应原理,交变的电流会产生磁场,在线圈化的磁场会产生感生电动势.通过磁耦合技术来实现数据的传输,其与电磁波的通信有本质的区别.利用公式(1)可以得到P点的磁感应强度B(图2).、N、a是天线的固定参数,我们可通过控制线圈中的电流I,实现对通信距离的控制.

磁导率,I电流(A),N线圈的匝数,a线圈的半径(m),r为P点到线圈中心的距离(m).根据上面的公式,当r>>a时,此时磁感应强度B会随着距离r增加,以1/r3的速度迅速地衰减.

线圈电压与磁感应强度B之间的关系(公式2)

通过公式推导,磁感应强度B与线圈的参数、距离r、线圈的匝数N、线圈中的两端的电压密切相关.对于低频磁通信的稳定性、可靠性得到提升,我们可以通过优化这些参数,增加磁场系统的稳定性,减小外界对磁场系统的干扰.

3低频磁通信的发射驱动电路

在低频传输系统中,发射端采用串联谐振发射电路,接收端采用并联谐振电路.以下介绍串联谐振电路的驱动电路,LF低频磁通信唤醒数据的发射过程.串联谐振发射电路可以利用半桥与全桥两种驱动方式,本文介绍全桥驱动串联谐振电路,低频驱动放大器使用汽车级专用放大IC(4421/4422或者MCP14E5等).

MCP14E5[3]可以同时输出正向与反向两路放大信号,工作电压范围宽,双通道互补带使能可控端的4.0A高速MOET大电流驱动IC.因为低频驱动放大器型号很多,可以根据自己的要求选择合适的参数.

PWM输入端是LF低频驱动电路的信号控制端(图3),ENB是MCP14E5放大的使能控制端,通过调整R5、R6阻值来调整线圈上的电流I,从而实现感应距离的调整.U6放大器OUTA端输出反向信号,OUTB端输出正向信号.C6、L4形成串联谐振电路(发射天线:L4线圈电压时序(图4)),C5用于谐振调谐.

PKE基站MCU产生PWM方波控制信号(134.2KHz@3.3V(图5)),MCP14E5放大器的输出端产生90度相位差的交变电势,当它与外部串联谐振电路谐振时,LC谐振电路在交变电势的作用下产生磁场,通过线圈(灌封磁芯发射天线)发射出去.为了降低损耗,LC串联谐振电路需要选择高Q品质参数的电路,