基于ATA5291車身控制器低頻驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

裴 靜，湯自寧，汪春華，白穩(wěn)峰

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 汽車工程研究院，天津 300300）

隨著汽車無線接入技術(shù)的不斷發(fā)展，RKE（Remote Key-less Entry，遙控門禁系統(tǒng)）和PKE（Passive Key-less Entry，無鑰匙門禁系統(tǒng)）技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，不僅提高了防盜安全性，而且給客戶體驗(yàn)帶來舒適性、便捷性［1］。PKE是無需用戶干預(yù)的智能遙控車鑰匙技術(shù)，在RKE技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用了RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)。PKE作為新一代防盜技術(shù)正在逐步發(fā)展壯大，目前已經(jīng)從高檔車市場(chǎng)逐步進(jìn)入中低檔車市場(chǎng)。PKE系統(tǒng)主要包括車身基站、低頻天線和智能鑰匙3個(gè)部分。當(dāng)駕駛者攜帶智能鑰匙踏進(jìn)指定范圍時(shí)，該系統(tǒng)通過識(shí)別判斷如果是合法授權(quán)的駕駛者則進(jìn)行自動(dòng)開門。上車之后，駕駛者只需要按下一鍵啟動(dòng)按鈕即可啟動(dòng)點(diǎn)火開關(guān)。

本文主要對(duì)整個(gè)PKE系統(tǒng)的工作原理、硬件電路設(shè)計(jì)、測(cè)試結(jié)果進(jìn)行描述，并著重介紹應(yīng)用8通道低頻驅(qū)動(dòng)芯片ATA5291設(shè)計(jì)的低頻驅(qū)動(dòng)電路。傳統(tǒng)的低頻驅(qū)動(dòng)電路一般采用Atmel的ATA5279以及NXP的NJJ29C01，這兩種方案均存在一個(gè)問題：通道較少，對(duì)于低頻天線個(gè)數(shù)多、車型較大的汽車來說，天線個(gè)數(shù)太少會(huì)影響鑰匙位置的檢測(cè)精度，如需滿足要求需要多個(gè)芯片，這樣會(huì)增大控制器尺寸以及價(jià)格成本。ATA5291具有通路多、占空間小、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)車身控制器包括電源、網(wǎng)關(guān)、智能芯片驅(qū)動(dòng)、高頻接收、低頻驅(qū)動(dòng)幾個(gè)模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1）電源模塊主要是將外部常電在控制器內(nèi)部經(jīng)過防反接保護(hù)二極管、TVS管后，通過內(nèi)部LDO將12 V電源轉(zhuǎn)成5 V直流電壓給MCU、CAN模塊等供電，ESCL電源因關(guān)乎安全性，使用一路智能MOS管單獨(dú)控制驅(qū)動(dòng)，以提高可靠性。

2）CAN通信模塊采用英飛凌TLE7251VSJ，系統(tǒng)總共設(shè)計(jì)了4路CAN通道，主要用于車身CAN和動(dòng)力CAN，另外2路預(yù)留。LIN通信模塊采用英飛凌TLE7257SJ，車身控制器中，共有3路LIN通道，分別用在電子轉(zhuǎn)向柱鎖、雨量傳感器和4窗防夾模塊、天窗控制。

3）智能驅(qū)動(dòng)芯片采用英飛凌BTS50XX系列，芯片自帶保護(hù)和診斷功能，主要用于外部燈的控制。

4）高頻接收芯片采用英飛凌TDA5235，F(xiàn)SK調(diào)制方式、曼徹斯特編碼方式接收智能鑰匙和胎壓傳感器的射頻信號(hào)，采用SPI方式與MCU通信。

5）低頻驅(qū)動(dòng)電路采用Atmel公司ATA5291，ATA5291是在市場(chǎng)領(lǐng)先的技術(shù)方案ATA5279的基礎(chǔ)上衍生出來的，在原有6通道天線的基礎(chǔ)上增加了2通道以滿足更多的車型，天線的增多可以提高鑰匙位置檢測(cè)的精確度以及防盜安全性。ATA5291具有如下特性：①優(yōu)異的EMC性能；②對(duì)負(fù)載有過熱和過壓保護(hù)；③快速2Mbit/s SPI接口；④4個(gè)集成式低頻驅(qū)動(dòng)器，可編程峰值電流到1A，可最多驅(qū)動(dòng)8通道天線；⑤線圈集成多路復(fù)用器 （4個(gè)內(nèi)部，4個(gè)外部）支持2個(gè)線圈同時(shí)驅(qū)動(dòng)；⑥低功耗；⑦穩(wěn)定的RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示器）測(cè)量的調(diào)節(jié)電流；⑧高度集成，緊湊的QFN48封裝，外部電路簡(jiǎn)單，需要電路板空間最小，物料成本較低；⑨防盜系統(tǒng)靈敏度5 mVpp；⑩與市場(chǎng)上幾乎所有的應(yīng)答器兼容；11○完整的診斷范圍提供最高的安全級(jí)別；12○所有通道支持診斷功能:對(duì)VCC、GND和其他電路短路、開路檢測(cè)；13○寬電壓范圍：6~28 V；14○其中一線圈可以同IMMO復(fù)用。

低頻驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖2所示。此PEPS系統(tǒng)中使用4根低頻天線以及1根IMMO天線，分別分布在駕駛員側(cè)門把手、后備廂門把手、車內(nèi)儀表臺(tái)下方以及車內(nèi)后排車頂，IMMO天線集成在一鍵啟動(dòng)開關(guān)內(nèi)部。另外有3根天線預(yù)留，以便配套更大車型。圖2是低頻驅(qū)動(dòng)電路，由12 V電源供電，外部連接升壓電路最高可升至40 V以上來驅(qū)動(dòng)低頻天線工作，此芯片內(nèi)部集成了4個(gè)MOS管，再加上外部的4個(gè)MOS管，每路電流最高可達(dá)1 A，可以選擇讓哪一路天線工作，天線工作頻率為125 kHz。

圖2 低頻驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2 測(cè)試驗(yàn)證

鑰匙定位的精確程度直接影響門禁系統(tǒng)和防盜鎖止系統(tǒng)的安全性以及客戶的體驗(yàn)感［2］。系統(tǒng)需要檢測(cè)的區(qū)域有3個(gè)：主駕駛側(cè)門外區(qū)域、后備廂門外區(qū)域、車內(nèi)主駕駛區(qū)域。當(dāng)車主攜帶鑰匙進(jìn)入這幾個(gè)區(qū)域，并且觸動(dòng)門把手微動(dòng)開關(guān)，車身基站會(huì)主動(dòng)發(fā)送包含ID的低頻喚醒信號(hào)，如果ID和鑰匙內(nèi)所存的ID一致，智能鑰匙被成功喚醒，發(fā)送射頻確認(rèn)信號(hào)給車身基站；車身基站收到確認(rèn)信號(hào)后發(fā)送一條包含隨機(jī)數(shù)的加密低頻信號(hào)，智能鑰匙再響應(yīng)相應(yīng)的射頻加密信號(hào)，以完成身份認(rèn)證。身份認(rèn)證完成后，低頻天線會(huì)發(fā)送場(chǎng)強(qiáng)查詢命令，智能鑰匙通過射頻信號(hào)把相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng) 信 息［3］發(fā) 送 給 車身基站，車身基站通過分析判斷智能鑰匙位置，在有效區(qū)域內(nèi)才會(huì)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。開門時(shí)有效區(qū)域我們?cè)O(shè)定的是門把手為中心的1.2 m范圍之內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)有效區(qū)域是指是否在主駕駛位置，需要較高精度［3］。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示［4］。

LF通信參數(shù)如圖4所示。調(diào)制方式：ASK；載波頻率：125 kHz；通信波特率：3.9 kb ／s，1 Tbit=256 μs。

通過臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車測(cè)試，該系統(tǒng)可以在主駕駛門側(cè)以及后備廂門外有效實(shí)現(xiàn)PE功能，并且當(dāng)駕駛員進(jìn)入車內(nèi)時(shí)，通過檢測(cè)鑰匙是否在主駕駛位置可以順利執(zhí)行啟動(dòng)功能，模塊的實(shí)物圖如圖5所示。

圖3 無鑰匙進(jìn)入與啟動(dòng)流程圖

圖4 低頻通信協(xié)議

圖5 低頻驅(qū)動(dòng)模塊PCB實(shí)物圖

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)低頻驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選用Atmel最新的設(shè)計(jì)方案ATA5291，高度集成的單芯片方案不僅使得成本方面有較大的降低，而且在芯片封裝、功耗、擴(kuò)展性、新穎性方面都得到了很好的實(shí)現(xiàn)，滿足了PEPS不斷發(fā)展過程中新增功能的需求，同時(shí)對(duì)過去老版本方案也有很好的兼容。

（編輯 楊 景）