低频磁通信在汽车智能防盗系统中的应用

【高新技术产业发展】　黧一　低频磁通信在汽车智能防盗系统中的应用　

张保贺　（深圳市富达霖电子科技有限公司研发部广东深圳５１８０００）　

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Ｉｃ　ＴＭＳ３７１２２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（２０１　２）０９１００１　９—０３　

Ｏ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　走入了干家万户。人们对于汽车的实际需求量越来越大，现在　的ＲＫＥ（Ｒｅｍｏｔｅ　ＫｅＹ１ｅｓｓ　Ｅｎｔｒｙ）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（Ｐａｓｓｉｖｅ　Ｋｅｙｌｅｓ　ｓ　Ｅｎｔｒｙ）技术。　１　ＰＫＥ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｛ｋ￣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｛ｋ￣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（Ｍｉ　ｃｒｏｃｈｉｐ７ｉ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。　

图１　ＰＫＥ工作原理图　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　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Ｍｉ　ｃｒｏｃｈｉｐ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，造成了关锁假象，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，在线圈中变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。　

Ｂ＝　一］＂ｔ￣２ＩＮ

，。ａ

２　

ＩＴ］［２］（　）　

Ｘ　

Ｚ　图２　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。　

一　Ａ“　Ｉ　是　

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万方数据＇＇ｒ７　ＳＩＬＩＣＯＮ　ＶＡＬＬＥＹ■鼹　【高新技术产业发展】　

线圈电压　与磁感应强度Ｂ之间的关系（公式２）　Ｔ，　１　ｌＢＩ　。　（去）［２］（公式２）　

ｚｏ０￣ｒＮ　

（ｒ＞＞ａ，ｏ０（ｒａｄ／ｓ），（０＝２　，Ｌ≈Ｎ　ａ）　

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１Ｃ（４４２１／４４２２或者　ＭＣＰ１４Ｅ５等）。　ＭＣＰＩ４Ｅ５［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ＭＯＳＦＥＴ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。　ｉ　￡　—］＿＿，、　ｎ　ＮＢ　Ｊ　ｌ　８　＝＝卜　—√　—　ＰＷ　’２　ＥＮＢ＾ＥＮＢＢ　—丁一ｌ　Ｃ５　１　１　３　ｌＮ＾　ＯＵＴ＾　６　一—］ｒ—　广　６ＮＤ矾）Ｄ　—　Ｃ６　ＩＩ　‘‘。‘‘－‘‘　。。　‘　一　ＩＮＢ　ＯＵＴＢ　Ｉ　ＩＩ　：　＋１２Ｖ　图３全桥方式驱动串联谐振电路　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。　ＶＳ＝』埘　：３００ｖ　ＶＬ　手　图４　ＰＫＥ基站ＭＣＵ产生ＰＷＭ方波控制信号（１３４．２ＫＨｚ＠３．３Ｖ（图　５）），ＭＣＰｌ４Ｅ５放大器的输出端产生９Ｏ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，　＝ＱＶｓ需要注意电容ｃ５、ｃ６耐压值的选择（耐压值４００Ｖ左右）。　图５　ＰＷＭ￣ＩＪ端驱动信号的波形　全桥驱动电路不仅可以减少电路的上升与下降时间，减少　磁场残留，而且可以简化接收器电路的设计。为了同时增加低　频感应的稳定性，ＰＫＥ基站需要产生精确的ＰＷＭ方波信号，所以　谐振器要选用稳定性很高的石英晶体振荡器。　４低频磁通信数据编码格式　ＬＦ低频磁通信数据编码主要有三种格式：ＭａｎｃｈｅＳｔｅｒ码、　ＰＷＭ码、ＰＰＭ码。本文主要讲解ＰＷＭ格式与ＰＰＭ格式，因为使用　ＰＷＭ格式进行编码与解码相对简单，而且可以改善误码率。本　文后面讲解的低频通信３Ｄ模拟前端ＩＣ（ＴＭＳ３７１　２２），进行通信　认证时的唤醒码是ＰＰＭ编码格式，所以在此有必要讲解　ＦＰＰＭ编　码格式。　ＰＷＭ（Ｐｕｌ　Ｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕ１ａｔｉ０１３）格式（图６）：周期相　同，通过调整占空比，来实现不同的数据编码。数据“１”的编　码格式：高电平宽度占空比为Ｉ／３，数据“０”的编码格式：高　电平宽度占空比为２／３。　ＰＰＭ（Ｐｕｌ　Ｓｅ　ＰｏＳｉｔｉｏｎ　Ｍｏｄｕｌａ¨ｏｎ）格式（图７）：通过　调整高电平的宽度，实现周期长度的调整。数据“１”的编码格　式：高电平宽度为１ＬＦ丌，数据“０”高电平宽度为２Ｌ　，低电　平都为ｌＬ　。　

ＰＷＭ　ＦｏⅢ，ａｔ：　ＰＰＭ　Ｆｏｍｍ￣ｔ：　琵　ＬＯＧＩＣ　ＬＯＧＩＣ　

墨　一　竖　

ＬＯＧＩＣ　ＬＯＧＩＣ　１　墨　

图６　图７　编码格式的选择，编码周期长度的选择，对数据的误码　率，编码与解码的难易程度，都会有很大的影响。在实际的应　用中，需要注意编码格式对数据传输效率与接收设备灵敏度的　影响。如果发送的速率超过了接收端接收的速率，那么很容易　出现丢码的情况。如果发送的速率很慢，那么系统会经常处于　等待状态，使传输的效率非常低。　编码的抗干扰能力，容错能力，纠错能力，编码与解码难　易程度等不同要求，根据实际需要，选择合适的编码格式。　５模拟前端ｌＣ　ＴＭ￥３７１２２的工作原理　ＬＦ低频唤醒发射电路为串联谐振电路，ＬＦ低频唤醒接收电　路是通过并联谐振电路与模拟前端电路相连，实现低频唤醒数　据的接收与解调。所以在此需要阐述一下，３Ｄ模拟前端ＩＣ　ＴＭＳ３７１２２的工作原理。　低频唤醒数据的接收，采用美闰ＴＩ方案（１　３４．２ＫＨｚ），此　方案系统采用二三路天线设计，实现兰维空间感应，使感应天线　无方向性。由于ＴＩ方案感应距离稳定，超低功耗，所以被智能　防盗系统采用。Ｌｃ并联谐振电路受到磁场作用，产牛感应电动　势，感应电动势通过３Ｄ模拟前端解调后，就可以实现低频唤　信号的接收。低频唤醒信号触发智能　Ｍｃｕ，使它从休眠状态　恢复工作。智能卡可以在不工作的时候处于休眠模式，减少电　池供电系统的能量消耗。　ＴＭＳ３７１２２低频唤醒的工作原理［４］，ＰＫＥ基站先发送唤醒引　导码信号ＷＡＫＥ（图８），然后发送唤醒码（ＷＡＫＥ　ＰＡＴＴＥＲＮ），　ＴＭＳ３７ｌ２２会对接收到的唤醒码（ＰＰＭ编码格式）与利用烧写工　具写入的唤醒码数据进行匹配＿。如果匹配成功，激活　ＴＭＳ３７１２２产生一个唤醒信号（ｗａｋｅ＝１），来唤醒休眠中的智能　卡ＭＣＵ。之后就会利用ＴＭＳ３７１２２的ＥＯＢＡ￣Ｉ脚输出解调的ＬＦ低频　数据信号，传送给智能卡ＭＣＵ。智能卡ＭＣＵ经过解码得到ＬＦ低频　报文数据（ＰＥ／ＰＳ　ｃ０ＭＭＡＮＤ＋ｃＨＡＬＬＥＮＧＥ），然后智能卡进行通　

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