方案精講:射頻無線門禁係統電路的設計與實現
發布時間:2015-03-19 責任編輯:echolady
【導讀】RKE係統大多被汽車商選用。RKE係統主要由按鍵加密發送器件和車內內置接收器組成,主要應用於汽車門的控製、無線傳感器、汽車無線輪胎壓測等方麵。本文詳解了射頻無線門禁係統電路的設計與實現。

圖1 RKE係統結構框圖
RKE係統的用戶可以通過鑰匙鏈發送數據來打開和關閉汽車門。圖1中,用戶可以按下按鍵開關來發起與接收機的通信,通過一串64~128位長度的數據流進行發送器和接收器的會話。該數據流包括前引導碼、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調製方式,主要為了延長發送部分鑰匙鏈中電池的使用壽命。
功率設計
設計中主要考慮的是低電流消耗情況下的高可靠性、係統的成本以及發送器和接收器的壽命。對於發送器,電池壽命在3~5年是可以滿足要求的。電池壽命對於接收器件也很重要,因為接收器件必須總是在線偵聽發送端數據,典型的電流要求不超過1 mA。一個設計方法是,在一定時間內,接收端保證能夠檢測到有效的發送信號;為了最大限度地節約電量,接收器在其他的時間睡眠。
安全性設計
係統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係統設計的使用DES算法的安全密鑰芯片HCS300來實現係統數據的安全加密,防止發送的數據被惡意盜取拷貝;同時在接收端使用MC9RS08KA2進行解密和繼電器控製。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位發送長度、32位跳頻碼、4位按鍵碼、2位狀態碼,具有鍵值讀保護措施的芯片。
DES編碼、解碼圖如圖2和圖3所示。

圖2 DES編碼圖

圖3 DES解碼圖
16位的同步計算器,在每次發送代碼後都要發生改變。它隨按鍵的次數而增加。根據DES算法加密,在每次發送的代碼中,由於同步計數器的變化而使得每次發送的代碼有大於50%的部分不一樣。圖2說明在編碼過程中如何使用HCS300的內部可編程EEPROM,一旦編碼器檢測有按鍵按下,它就立即讀鍵值,同時刷新同步計數器。按鍵和同步計數器經過加密算法處理,輸出數據是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送碼,將被接收部分接收到。
解碼部分必須先學習發送端的數據碼,學習包括計算發送端的鍵值、解密32位的加密信息和可編程陣列中的串行碼、同tong步bu計ji數shu器qi以yi及ji鍵jian值zhi。在zai正zheng常chang的de操cao作zuo模mo式shi中zhong,每mei次ci接jie收shou到dao的de有you效xiao格ge式shi的de信xin息xi都dou被bei計ji算suan。串chuan行xing碼ma用yong於yu表biao示shi發fa送song碼ma是shi否fou被bei學xue習xi過guo。如ru果guo發fa送song碼ma被bei學xue習xi過guo,那na麼me它ta的de信xin息xi被bei解jie密mi和he同tong步bu計ji數shu器qi值zhi校xiao驗yan,最zui後hou接jie收shou係xi統tong執zhi行xing按an鍵jian操cao作zuo請qing求qiu。圖tu3表示了接收部分接收到的信息和它的可編程EEPROM(設計中使用AT24C02)中存儲信息的關係。
射頻收發器件和微處理器特性
為了保證係統能夠在較低電流消耗的情況下,有較高的發射功率和接收靈敏度,係統選用了Maxim公司的MAX1473接收芯片和MAX7044發射芯片。MAX7044發射芯片工作電壓為+2.1~6.0 V,7.7 mA的低工作電流,250 μs的啟動時間。通信速率能達到100 kbps,小封裝3 mm×3 mm,8引腳SOT23封裝。它消除了基於SAW發送器設計的問題;采用晶體結構,提供了更大的調製深度和快速的頻率響應機製;降低了溫度的影響,溫度範圍可達-40~125 ℃。
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硬件設計圖
按鍵DES硬件加密部分電路如圖4所示。發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,元器件參數如表1所列。接收部分微處理器控製電路如圖7所示。

圖4 按鍵DES硬件加密部分電路

圖5 發送部分射頻前端電路

圖6 接收部分射頻前端電路

圖7 接收部分微處理器控製電路
MAX1473接收芯片采用3.3 V鋰電池供電,250 μs啟動時間,小於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20 MHz的內部時鍾,以及8位模計數器,2 KB Flash空間,63字節RAM;同時有等待和3種停止模式,滿足係統的超低功耗設計(設計中電流小於1 μA),以及簡易的6引腳BDM編程調試接口,便於係統的實時升級。設計中采用6引腳DFN精密小引腳封裝,滿足係統的小體積要求。
通過結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、穩定性和Freescaleweichuliqidegaojichengdujixingjiabi,zhenghegejiayoushi,tigaolexitongdezhengtixingneng。tongguoshijiyunxing,xitongdadaoleyuxianshejideyaoqiu。bencishejizhishiyongle2個按鍵,根據需要可以外擴功能按鍵達到15個,用於實現不同的控製信息要求。設計人員可以根據自行需要進行相應的擴展。
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