Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №3

Системы беспроводного доступа Passive Keyless Entry на основе нового микроконтроллера PIC16F639

Никифиров Илья  
Сафронов Алексей  

Пассивные транспондеры, использующие двунаправленную беспроводную связь с базовой станцией в режиме hands-free, быстро нашли широкое применение в автоматизированных дистанционных системах идентификации и контроля доступа, они могут устанавливаться на многих новых моделях автомобилей. Вместо нажатия кнопки брелка для блокировки или разблокировки дверей автомобиля теперь возможно получить доступ к автомобилю, просто имея при себе соответствующий транспондер. Такие системы получили название Hands-free Passive Keyless Entry (PKE).

База, установленная на автомобиле, посылает низкочастотную (НЧ) команду (125 кГц) для поиска транспондера в ее поле. Обнаруженный транспондер автоматически отвечает базовой станции. База разблокирует двери машины, если полученный ответ идентифицирует транспондер как «свой».

Обычно базовая станция для PKE проектируется так, чтобы выходная мощность была максимально возможной и удовлетворяла нормам электромагнитного излучения, утвержденным государством. При напряжении питания порядка 9–12 В максимально достижимая амплитуда напряжения на антенне составляет около 300 В. В связи с тем, что НЧ сигнал плохо распространяется, амплитуда сигнала, принимаемого транспондером на расстоянии около двух метров от базы, составляет всего несколько милливольт. Кроме того, из-за ориентационных свойств антенны, уровень входного сигнала транспондера значительно падает, если максимум диаграммы направленности его антенны не сориентирован на антенну базовой станции.

Наиболее вероятная причина отсутствия связи между базой и транспондером — это слабый сигнал на входе транспондера. Следовательно, для надежного функционирования PKE необходимо, чтобы на требуемой дальности связи уровень входного сигнала был больше уровня входной чувствительности.

Итак, основными параметрами, которые нужно учесть при проектировании системы PKE, являются:

  • мощность выходного сигнала (команды) базы;
  • входная чувствительность транспондера;
  • свойства направленности антенны;
  • длительность работы батареи транспондера.

PIC16F639 — это микроконтроллер (МК) с тремя аналоговыми низкочастотными приемными каналами (analog front-end или AFE). МК управляет работой аналоговой части. Благодаря простоте применения и наличию AFE, PIC16F639 может быть использован в различных интеллектуальных двунаправленных устройствах НЧ-связи.

Рассмотрим пример расчета схемы транспондера PKE и его базовой станции с использованием МК PIC16F639, а также пример встроенных в МК программ. Представленные схема и алгоритм могут быть легко модифицированы под конкретные пользовательские цели.

PKE-транспондер на базе PIC16F639

МК PIC16F639 имеет цифровую (ядро PIC16F636) и аналоговую (AFE) части и может использоваться в различных двунаправленных системах НЧ-связи.

На рис. 1 приведен пример такой системы PKE.

Рис. 1. Функционирование PKE

Базовая станция посылает на частоте 125 кГц команду для поиска «своего» транспондера в радиусе действия поля. PKE-транспондер отвечает, если принятая им команда верна.

Наличие трех приемных каналов с высокой входной чувствительностью (до 1 мВ) позволяет подключить три антенны, ориентированные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, благодаря чему транспондер сможет обнаружить сигналы с любого направления в любое время. Это снижает вероятность пропуска сигнала, обусловленного направленными свойствами антенны. Входные сигналы от каждой антенны детектируются независимо, а после суммируются. Каждый входной канал может программно включаться и выключаться. Чем меньше каналов включено, тем меньше потребление тока.

При работе в режиме hands-free транспондер безостановочно детектирует входные сигналы. Это сокращает срок службы батареи. Следовательно, для уменьшения рабочего тока цифровая часть МК может находиться в режиме ожидания (Sleep), пока нет необходимости обрабатывать принятую команду. Цифровая секция «просыпается», когда AFE обнаруживает сигнал на входе, удовлетворяющий условиям фильтра wake-up, критерии которого могут задаваться программно. В PIC16F639 имеется 9 таких фильтров. Пользователь может запрограммировать фильтр посредством конфигурационных регистров. Когда фильтр запрограммирован, устройство будет пропускать сигнал к цифровой части, только если он соответствует требованиям фильтра, иначе цифровая часть остается в энергосберегающем режиме.

На рис. 2 приведен пример схемы PKE-транспондера. Транспондер состоит из МК PIC16F639, трех внешних резонансных LC-антенн, кнопок, УВЧ-передатчика, цепи резервного питания (опционально) и литиевой батареи 3 В.

Рис. 2. Схема транспондера

Цифровая часть имеет 2 порта ввода-вывода — PORTA и PORTC. Каждый из выводов PORTA поддерживает возможность прерывания по изменению уровня состояния.

AFE использует 3 вывода PORTC, внутренне соединенные с CS, SCLK/ALERT и LFDATA/CCLK/RSSI/SDIO выводами AFE. ALERT и LFDATA/CCLK/RSSI — выходные выводы AFE. SCLK, SDIO и CS используются для программирования и считывания регистров конфигурации AFE. Более подробную информацию можно получить в описании PIC12F635/PIC16F636/639 (DS41232).

Для экономии энергии батареи цифровая часть находится в спящем режиме, пока AFE не обнаружит НЧ входной сигнал. Хотя выходные выводы AFE внутренне соединены с выводами PORTC, выходные сигналы AFE не выводят цифровую часть из энергосберегающего режима, так как они не имеют функции прерывания на изменение уровня. Следовательно, необходимо соединить LFDATA и ALERT с выводами PORTA так, как показано на рис. 2.

Таким образом, цифровая часть может «пробудиться», если произойдет одно из следующих событий:

  • появление выходного сигнала на выводе LFDATA AFE;
  • появление выходного сигнала на выводе ALERT AFE;
  • нажатие кнопок, изменяющих уровень одного из выводов PORTA.

Пробуждающий фильтр и обнаружение сигнала

Пользователь может запрограммировать один из девяти фильтров, разрешающих выводить цифровую часть из энергосберегающего режима, посредством регистров конфигурации. Более подробную информацию можно получить в описании PIC12F635/PIC16F636/639 (DS41232).

Внешняя резонансная LC-антенна

PIC16F639 имеет 3 НЧ приемных канала для подключения трех внешних резонансных LC-антенн. Каждая из LC-цепочек подключается к одному из выводов LCX, LCY, LCZ и общему выводу LCCOM. Конденсатор (1–10 нФ) между «землей» и LCCOM необходим для стабильной работы внутреннего детектора при распознавании входных сигналов большой амплитуды.

Хотя PIC16F639 имеет 3 вывода для внешних антенн, пользователь может использовать только одну или две антенны. Потребление тока пропорционально количеству работающих каналов. Тем не менее для hands-free PKE-устройств рекомендуется использовать все три антенны.

Теория резонансных LC-антенн

Для детектирования НЧ электромагнитного поля обычно используется рамочная антенна, представляющая собой параллельный резонансный LC-контур. Для максимизации напряжения на контуре, он должен быть точно настроен на рабочую частоту (несущую частоту базовой станции). Также повысить напряжение на антенне можно увеличением рабочей площади антенны и добротности контура.

Частота резонанса параллельного LC-контура находится по формуле:

А напряжение на антенне с достаточной точностью можно определить по формуле:

где ƒc — рабочая частота базы (Гц), ƒ0 — резонансная частота LC-контура (Гц), N — количество настроенных катушек рамочной антенны, S — площадь антенны (м²), Q — добротность LC-контура, B0 — напряженность магнитного поля (Вб/м²), α — угол между нормалью к плоскости антенны и линиями напряженности поля.

В связи с тем, что конденсатором на частоте 125 кГц можно пренебречь, добротность контура преимущественно определяется добротностью индуктивности:

где r — резистивное сопротивление катушки (Ом).

Обычно индуктивность катушки составляет порядка 1–9 мГн. Добротность LC-контура чуть более 20 для катушки с воздушным сердечником и около 40 — для катушки с ферритовым сердечником.

Выражение Scos(α) в формуле (2) определяет эффективную площадь антенны. Эффективная площадь антенны максимальна при cos(α) = 1, что наблюдается, когда диаграммы направленности антенны базы и транспондера направлены друг на друга. В этом случае будет наибольший диапазон обнаружения, а при ортогонально направленных антеннах обнаружение транспондера вообще невозможно.

Сложности с ориентацией антенны транспондера можно решить, установив на печатной плате три взаимноортогональные антенны. Это увеличивает вероятность того, что в любой момент времени хотя бы одна из антенн транспондера будет направлена на базу.

Настройка LC-антенн

Как видно из формул (2) и (3), индуцированное напряжение на катушке максимально, когда LC-контур точно настроен на несущую частоту принимаемого сигнала. Однако на практике резонансная частота LC-контура у одинаковых транспондеров может быть различна из-за допустимых отклонений значений емкостей и индуктивностей от номинала, а также из-за температурного и временного дрейфа. Для компенсации этой ошибки в PIC16F639 в каждом канале имеется по встроенному конденсатору, емкость каждого из которых может программно задаваться с шагом 1 пФ до значения 63 пФ. За более подробной информацией можно обратиться к описанию PIC12F635/PIC16F636/639 (DS41232).

Емкость можно эффективно подобрать посредством контроля выходного тока RSSI, который пропорционален размаху входного сигнала. Следовательно, наибольший выходной сигнал RSSI будет наблюдаться при точной настройке LC-контура на несущую частоту принимаемого сигнала.

Емкость внутреннего конденсатора суммируется с емкостью контура. Таким образом, резонансная частота LC-контура понижается с ростом внутренней емкости.

Резервное питание и безбатарейный режим

На практике всегда есть вероятность, что батарейное питание схемы пропадет, например, когда батарея разрядится. В таком случае возможна неправильная работа МК, что может привести к неверному приему или передаче команд. Для предотвращения такой ситуации предусмотрена схема резервного питания, которая способна временно обеспечить напряжением питания транспондер. Резервное питание усложняет транспондер, но в некоторых случаях оно может быть просто необходимо. На рис. 2 компоненты D4, D3 и C1 организуют цепь резервного питания. Пока батарея подсоединена, конденсатор C1 полностью заряжается, а в момент ее временного отсоединения снабжает схему электроэнергией за счет накопленного заряда.

В некоторых системах может появиться потребность в пассивном транспондере (то есть работающем без батарейного питания). В таком случае транспондер питается за счет энергии внешнего электромагнитного поля. На рис. 2 диоды D1, D2, D3 и конденсатор C1 формируют схему питания при безбатарейном режиме. Наведенное на катушку LZ транспондера напряжение вызывает ток, который протекает через диоды D1 и D2. Этот ток заряжает конденсатор C1, который может обеспечить напряжение питания транспондера. Емкость конденсатора C1 в пассивном транспондере составляет от нескольких микрофарад до нескольких фарад в зависимости от применения.

Алгоритм детектирования НЧ сигнала

На рис. 3 приведен алгоритм детектирования НЧ сигнала. Программа для МК (PIC16F639_Basestation.asm) доступна для свободного скачивания с сайта www.microchip.com.

Рис. 3. Алгоритм детектирования НЧ сигнала транспондером

Схема транспондера

Схема транспондера включает три внешних резонансных LC-контура, 5 кнопок, резонатор 433,92 МГц для передачи данных на УВЧ и схему резервного (или безбатарейного) питания.

Воздушная рамочная антенна соединена с выводом LCX, а катушки с ферритовым стержнем — с LCY и LCZ. Вывод LCCOM — общий для всех трех антенн. Каждая антенна должна быть настроена на несущую частоту базы для улучшения условий приема сигнала. Для более точной настройки резонансной частоты каждого LC-контура используются встроенные конденсаторы в каждом канале.

При включении питания цифровая часть программирует регистры конфигурации AFE посредством SPI (CS, SCLK/ALERT, SDIO) и переходит в энергосберегающий режим.

AFE очень восприимчива к внешним шумам из-за высокой входной чувствительности (~3 мВ). Следовательно, необходимо по возможности устранить избыточные шумовые токи по дорожкам печатной платы. Для этого используются блокировочные конденсаторы, фильтрующие шумы цепей питания.

Диоды D4 и D3 и конденсатор C1 формируют схему резервного питания. Диоды D1, D2 и D3 и конденсатор C1 используются для организации безбатарейного режима. Большее значение емкости C1 необходимо для стабильной работы в безбатарейном режиме. Конденсатор C1 заряжается от батареи и от рамочной антенны через диоды D1 и D2. За счет запасенной энергии он может временно обеспечить питанием PIC16F639, когда батарея отсоединяется. Диоды D1 и D2 подключены к воздушной рамочной антенне, на которой наводится большее напряжение, чем на катушках с ферритовым стержнем.

Когда принимается верный входной сигнал, цифровая часть пробуждается и отсылает ответ, если команда верна.

Транспондер может выслать команду на базу посредством внутреннего модулятора (НЧ ответ) или внешнего УВЧ передатчика. Аналоговые приемные каналы имеют по встроенному модулятору между входом (LCX, LCY, LCZ) и выводом LCCOM. Эти модуляторы включены (модулируя поле, излученное базой) или выключены в соответствии с командой от цифровой части МК. База может детектировать изменения поля, вызванные изменением напряжения на антенне транспондера, и восстанавливать модулированный сигнал. Использование такого метода (НЧ ответ) возможно лишь при малом радиусе действия устройства.

Если требуется работа транспондера на большом расстоянии, то необходимо использовать УВЧ передатчик. УВЧ передатчик включает в себя резонатор (433,92 МГц) и усилитель мощности. Конструктивно УВЧ антенна является индуктивностью (металлическая дорожка на печатной плате), эффективность которой значительно возрастает с увеличением площади, окруженной этой дорожкой. УВЧ передатчик функционирует, когда на соответствующих выводах порта ввода/вывода установлен высокий логический уровень сигнала (нажата одна из кнопок), иначе он выключен. Информационный сигнал модулируется и излучается УВЧ передатчиком, а затем восстанавливается УВЧ приемником на базе.

Схема базы

На рис. 4 изображен пример схемы НЧ приемопередающей части базовой станции, используемой для демонстрационных устройств и учебных целей.

Рис. 4. Схема НЧ приемопередающей части базы

База включает в себя МК, приемопередатчик на 125 кГц и УВЧ приемник.

Задача базы — послать НЧ команду на частоте 125 кГц и принять ответ от транспондера, находящегося в излученном поле, посредством УВЧ или НЧ. Выслав НЧ команду, база проверяет наличие какого-либо НЧ ответа или ВЧ команды.

Передатчик 125 кГц создает сигнал несущей частоты при помощи ШИМ-модулятора МК. Полученный меандр с частотой 125 кГц усиливается драйвером тока U1. Далее меандр преобразуется в синусоидальные колебания, поскольку проходит через последовательный колебательный контур, состоящий из L1, C2, C3, C4. При этом катушка L1 используется как 125-килогерцовая НЧ антенна.

Излучение антенны максимально, когда последовательный колебательный LC-контур настроен на частоту ШИМ-сигнала. На резонансной частоте импеданс LC-контура минимален. Следовательно, ток нагрузки через L1 максимален, и создаваемое магнитное поле тоже максимально. Настроить LC-контур можно, контролируя напряжение на L1. Компоненты, расположенные после диода D1, используются для приема НЧ ответа от транспондера. При наличии НЧ ответа, магнитное поле, созданное транспондером, вызывает изменение напряжения на L1. Это напряжение отличается по фазе на 180° от напряжения на этой же катушке при излучении НЧ команды.

Изменение напряжения на L1 распознается детектором огибающей и НЧ фильтром, состоящим из диода D1 и конденсатора C5. Детектированная огибающая проходит через активные усиливающие фильтры U2A и U2B и поступает на вход встроенного вМК компаратора для формирования импульсов (сигнал с выхода компаратора доступен в контрольной точке TP6). Далее он декодируется в МК.

Для приема АМ сигналов 433,92 МГц предназначен модуль УВЧ приемника. Он детектирует УВЧ сигнал транспондера. Цифровой выходной сигнал с него поступает на МК для декодирования. Антенна обычно присоединяется к специальной контактной площадке модуля для стабильного приема сигнала. УВЧ приемник расположен близко к НЧ передатчику, создающему достаточно мощное поле, являющееся помехой для приема УВЧ ответа транспондера. Это требует соответствующих аппаратно-программных мер по фильтрации шумов.

Базовая станция при обнаружении своего транспондера может, например, отображать какую-то информацию на дисплее, оповещать звуком, то есть выполнять определенную задачу.

Микропрограммное обеспечение

Все микропрограммное обеспечение, включая HTML-документацию на транспондер и базу, доступны для скачивания в едином архиве на корпоративном сайте Microchip (www.microchip.com). Использование памяти в приведенном примере:

Следует обратить внимание, что PIC16F639, кроме AFE и стандартного ядра PIC16, имеет модуль кодера-декодера KeeLoq, который не используется в приведенном ПО. Технология KeeLoq значительно повышает безопасность системы, обеспечивая защиту от перехвата кода. По вопросам получения права на использование алгоритма KeeLoq необходимо обратиться в Microchip.

Пример диалога базы с транспондером приведен на рис. 5.

Рис. 5. Пример диалога базы с транспондером

Для МК PIC16F639 доступен отладочный комплект Passive Keyless Entry Reference Design, являющийся демонстрационной полностью функционирующей PKE-системой. Он включает брелок (содержащий PIC16F39), базовую станцию и приемник-декодер. База излучает сигнал на частоте 125 кГц. Брелок принимает и декодирует запрос базы. Если он совпадает с ожидаемым, то брелок высылает сигнал на частоте 432 МГц. Его принимает приемник-декодер и брелок идентифицируется как «свой» или «чужой». Более подробную информацию можно получить в описании Passive Keyless Entry Reference Design (APGRD001).

Области применения транспондерных систем:

  • автомобильные иммобилайзеры;
  • контроль въезда и выезда автомобилей на территорию предприятия;
  • учет времени нахождения сотрудника в различных помещениях;
  • системы ограничения доступа;
  • электронные замки;
  • идентификационные системы.

МК PIC16F639 — надежный приемопередатчик (транспондер) для создания двунаправленного канала связи с высоким уровнем безопасности, отличающийся простотой применения и низкой ценой. Он может быть использован во всевозможных миниатюрных автоматических дистанционных системах идентификации и контроля доступа. Конфигурация одной из таких систем изображена на рис. 1. На сайте Microchip доступны для скачивания примеры микропрограммного обеспечения для таких систем. Предоставленная информация может быть модифицирована и использована разработчиками для своих целей.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке