第第頁基于pic16f639的免持式被動無鑰門禁的設計免持式被動無鑰門禁(pke)正快速成為汽車遠程無鑰門禁應用的主流，并成為新車型的普遍選項。該辦法無需用手按發(fā)送器按鈕來鎖上或打開車門，只要擁有一個有效的應答器就可便利地進出車輛。

免持式pke應用要求基站和應答器單元之間舉行雙向通訊。車輛內的基站單元發(fā)出一個低頻(lf)指令，搜索周圍的應答器。一旦車主的應答器被搜尋到，該應答器隨即自動回應基站單元。基站單元在收到有效的驗證響應信號后打開車門。

在典型的pke應用中，將基站單元的輸出功率設計為政府機構規(guī)定的電磁輻射標準所允許的最大功率。當工作于9v到12v直流電源下時，可達到的最大天線約為300v峰峰值。因為低頻信號(125khz)的非傳揚特性，距離發(fā)送基站單元約兩米外的典型鑰匙扣應答器所接收到的信號電平惟獨約幾個mv峰峰值。另外，因為天線的方向特性，假如天線沒有朝向基站天線，應答器的輸入信號電平會十分弱。

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

16f639是一款帶三通道(afe)的，其模擬前端特性由mcu固件控制。因為用法便利，該器件可用于多種智能低頻檢測和雙向通訊應用中。本文研究了利用pic16f639mcu實現(xiàn)智能pke應答器的設計示例，并給出了電路中的mcu固件示例。設計工程師可以很便利地按照用戶的特定應用對這些電路和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應答器

pic16f639包括數(shù)字mcu部分(pic16f639內核)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用。圖1為一個典型的pke系統(tǒng)示例，基站單元發(fā)出一個125khz的指令信號，搜索周圍有效的應答器。假如接收到的指令有效，pke應答器將返回一個響應信號。

pic16f639器件的模擬輸入敏捷度很高(高達1mv峰峰值)，具有三個天線銜接引腳。通過銜接指向x、y和z方向的三個天線，應答器可隨時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，每個輸入通道可以被單獨使能或禁止。被使能的通道越少，器件的功耗就越小。

為實現(xiàn)免持操作，應答器延續(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，數(shù)字mcu部分可以處于低電流模式(休眠模式)。惟獨當afe檢測到有效輸入信號時，數(shù)字mcu部分才被喚醒。通過用法一個輸出訪能(喚醒濾波器)可實現(xiàn)這個功能。pic16f639具有9個輸出訪能濾波器選項。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，則惟獨在輸入信號達到濾波器要求時，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)應答器的配置。

圖2為pke應答器的配置示例。這個應答器包括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i/o口。每個porta引腳都可被單獨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i/o引腳，這些引腳在內部分離銜接到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，數(shù)字部分通常處于休眠模式。盡管afe的輸出焊點在內部銜接到portc引腳，但因為portc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被喚醒：lfdata引腳有afe輸出；alert引腳有afe輸出；按下porta上的開關按鈕大事。

圖3：因為天線的方向性，在實際應用中，兩個天線平行時檢測距離最大，正交時檢測距離最短。

外部lc諧振天線

pic16f639器件具有三個低頻輸入通道。lcx、lcy和lcz引腳用于銜接(每個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。當內部檢測電路檢測到強輸入信號時，建議在lccom引腳與地之間接一個(1～10μf)，以提供穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

盡管pic16f639有三個lc輸入引腳與三個外部天線銜接，但按照詳細應用，用戶可以只用一個或兩個天線，而不是同時用法三個天線。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應用中用法全部三個天線。

為檢測低頻磁場，通常要用法調諧環(huán)型天線。為使天線電壓最大，環(huán)型天線必需精確調諧到所需的頻率。對于pke應用，應將天線調諧到基站載波頻率。環(huán)型天線由構成并聯(lián)lc諧振電路的一個線圈()和幾個電容組成。通過增大環(huán)路表面積和電路的品質因數(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。

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電路品質因數(shù)；bo=磁場強度(韋伯/平方米)；α=信號到達的角度。

在式2中，品質因數(shù)(q)是衡量調諧電路的頻率挑選性的指標。假設電容在125khz時無損耗，則lc電路的q值將主要由電感打算。

式中fo為調諧頻率，l為電感值，r為電感的阻抗。

在典型應答器應用中，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cosα等于1時，天線有效表面積最大，此時基站和應答器單元的天線面向面。在實際應用中，兩個天線平行時檢測距離最大，正交時檢測距離最短。圖3用圖形闡述了實際應用中的天線方向問題。

圖4：推舉的應答器電路板天線布局圖。

假如三個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。在實際應用中，這種設計會提高任何時刻起碼有一個應答器天線朝向基站天線的概率。圖4為應答器電路板上布置三個天線的圖示。lcz用法一個大空芯線圈，lcx和lcy用法兩個鐵氧體磁芯線圈。有些公司特地生產125khz和低頻檢測應用系統(tǒng)用法的鐵氧體線圈。

如式2和式3所示，當lc電路精確?????調諧到入射載波的頻率時，線圈上的感應電壓最大。但在實際應用中，因為lc元件的容差不同，各個應答器的lc諧振頻率也不同。為補償元件容差帶來的誤差，pic16f639的每個通道都有一個內部調諧電容組。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而單調遞增。

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

圖5：應答器電路的每個諧振天線必需調諧到基站單元的載波頻率，以達到最佳信號接收狀態(tài)。

后備電池與無電池模式

實際應用有可能發(fā)生電池意外地臨時脫離電路的狀況，例如當應答器掉落到硬質表面上時。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答器臨時提供vdd電壓。建議在精密應答器中采納這種電路，但并不是全部應用都必需采納它。在圖2中，d4和c1構成了電池后備電路。當電池銜接時，c1被徹低充電，當電池短暫斷開時，c1提供vdd電壓。

當應答器處于無電池運行時稱為無電池模式。在圖2中，d1、d2、d3和c1構成無電池模式的電源電路。當應答器線圈產生電壓時，線圈電流流過二極管d1和d2為c1充電，c1可為應答器提供vdd電壓。當pic16f639用于需要無電池運行的防碰撞應答器應用中時，這種電源電路很實用。按照不同應用，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。

應答器電路

應答器電路具有三個外部lc諧振電路、五個按鈕開關、一個用于uhf數(shù)據(jù)發(fā)送的433.92mhz諧振器和幾個用于后備電池模式的元件。

每個lc諧振電路都銜接到lc輸入和lccom引腳。空芯天線銜接到lcx輸入，兩個鐵氧體磁棒電感銜接到lcy和lcz引腳。lccom引腳為三個天線銜接的公共引腳，通過c11和r9接地。每個諧振天線必需調諧到基站單元的載波頻率，以達到最佳信號接收狀態(tài)(圖5)。可利用每個通道的內部電容將天線調諧到最佳狀態(tài)。

器件初始上電時，數(shù)字部分利用spi(cs、sclk/alert和sdio)對afe配置寄存器舉行編程。因為afe輸入敏捷度高(約3mv峰峰值)，afe對環(huán)境噪聲十分敏感，所以必需實行措施避開沿走線上產生過多溝通噪聲。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。當電池臨時斷開時，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，在三個外部lc諧振天線中產生強大的線圈電壓。

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)出一個響應。

應答器可用法內部調制器(lf對講)或外部uhf發(fā)送器發(fā)出響應。每個模擬輸入通道在輸入和lccom引腳間有一個內部調制器(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，內部調制器就會分離導通和關斷。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對講只在近距離應用中用法。基站可以檢測應答器天線電壓的變幻并重建調制數(shù)據(jù)。

在長距離應用中，應答器采納uhf發(fā)送器。由uhf(433.92mhz)諧振器u2和功率q1構成一個用按鍵通斷的uhf發(fā)送器。電容c2和c3的容量都在約20pf的范圍內，詳細取決于線路布局。普通由印刷電路板的金屬走線而形成的l1是一個uhf天線，增大其環(huán)路面積后效率將顯著提高。

當mcui/o引腳輸出規(guī)律高電平常，uhf發(fā)送器部分導通，否則關閉。rc5輸出為uhf信號的調制數(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mcu、125khz的發(fā)送器/接收器和一個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接收來自應答器的響應。發(fā)出lf指令后，基站通過lf或uhf鏈路檢查是否有響應。

125khz發(fā)送器產生一個基于mcu的脈寬調制器()輸出的載波信號。電流驅動器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lc串聯(lián)諧振電路調諧到pwm信號的頻率時，天線輻射最強。在諧振頻率處，lc電路阻抗最小，這使得l1負載電流最大，從而產生很強的電磁場。用戶可通過監(jiān)視l1上的線圈