無線技術(shù)在車輛安全與保障方面的作用

過去二十年里，汽車從可能安裝了收音機、磁帶倉、CD 播放器的基本交通機械，發(fā)展到如今成熟、全面的移動式信息、娛樂平臺。 今天的汽車功能豐富，安裝了能從車輛外部獲取娛樂信息的多種無線電技術(shù)（或者，甚至使用連接上藍(lán)牙的智能手機從車輛內(nèi)部獲?。?，能通過嵌入式 GPS 技術(shù)提供定位信息，還能提供無鑰匙進(jìn)入/啟動系統(tǒng)、無線診斷數(shù)據(jù)讀取和無線輪胎壓力傳感器。 另外，現(xiàn)在的許多汽車安裝了用于呼救的嵌入式蜂窩無線電技術(shù)以及雷達(dá)系統(tǒng)，以增強司機感知能力并減少碰撞造成傷亡。 在不久的將來，我們會在汽車上看到更多無線功能，如有助于疏導(dǎo)交通并進(jìn)一步減少事故的車輛之間的通信功能。

監(jiān)視輪胎壓力

本文的重點是無線技術(shù)在車輛安全與保障方面的作用。 讓我們從輪胎橡膠接觸路面開始：從地面開始利用無線技術(shù)。 輪胎中的無線壓力傳感器會讓司機確保輪胎壓力保持在出廠建議水平，既保證安全，又能優(yōu)化輪胎磨損情況。 基本輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) (TPMS) 包括一個或多個 TPM 傳感器、一些調(diào)節(jié)/預(yù)處理電路、一個簡單的 RF 發(fā)射器、一個低成本、低功耗微控制器（圖 1）。 在接收側(cè)，會有一個低功耗接收器捕獲數(shù)據(jù)流，并由微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼和格式化，然后發(fā)送至車輛內(nèi)部的 CAN/LIN 網(wǎng)絡(luò)或直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示屏。

圖 1：無線輪胎壓力測量系統(tǒng)將多個傳感器（壓力、溫度、徑向加速度和切向加速度）的輸入?yún)R集在一起，并經(jīng)無線鏈路將預(yù)處理結(jié)果發(fā)送至車輛儀表盤上的接收器。

輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) (TPMS) 是一種提升車輛安全的新標(biāo)準(zhǔn)。Freescale 利用其創(chuàng)新型集成技術(shù)推出了 TPMS 解決方案，這一方案能實時監(jiān)視輪胎壓力并在輪胎充氣不當(dāng)時提醒司機。 Freescale TPMS 產(chǎn)品按照美國聯(lián)邦機動車輛安全標(biāo)準(zhǔn) (FMVSS) 138 和全球汽車制造廠的要求設(shè)計。

Freescale 的輪胎壓力監(jiān)視傳感器解決方案采用單一封裝，集成了一個胎壓傳感器、8 位微控制器 (MCU)、RF 發(fā)射器，以及一個單軸 (Z) 或雙軸 (XZ) 加速計。 把該解決方案安裝在輪緣上的模塊中時，能夠?qū)崟r測量每條輪胎的壓力并把測量結(jié)果發(fā)送至車輛儀表盤，在輪胎壓充氣不當(dāng)時立即提醒司機。

Freescale Xtrinsic 智能傳感器模塊將壓力、溫度和加速度傳感器以及 RF 發(fā)射器、微控制器集成在一個 7 x 7 mm 的微型封裝中。 Freescale 的多款處理器可用作該模塊中的低功耗微控制器，具體視 MCU 所需執(zhí)行的處理任務(wù)多少決定。

例如，F(xiàn)reescale 的 MC12311 是一款基于 8 位 HCS08 系列 MCU 的系統(tǒng)級封裝 (SiP) 器件，該公司的 MKW0x 器件則是基于 ARM Cortex-M0+ CPU 核心的 32 位 MCU。 MC12311 和 MKW0x 系列器件均在芯片中集成了低于 1 GHz 的 RF 發(fā)射器。

我們來看一下 MKW0x 系列中的 MKW01Z128CHN 器件，這是一款高度集成的高性價比、智能無線電、1 GHz 以內(nèi)無線節(jié)點解決方案。 MKW01 系列除了低于 1 Ghz 的雙向無線電外還嵌入了大量外設(shè)，且工作頻率范圍寬，涵蓋了免牌照的工業(yè)、科研和醫(yī)療 (ISM) 頻段內(nèi)的 315、433、470、868、915、928 和 960 MHz 頻率。 MKW01 和 MC12311 均采用了可進(jìn)行 FSK、GFSK、MSK 或 OOK 調(diào)制的收發(fā)器。 這些配置能讓用戶將外部元件數(shù)量降至最少。 （一種替代方案是以該公司的 Kinetis EA 系列器件為中心，但需要一個外部 RF 發(fā)射器。）

圖 2：Freescale Semiconductor 高度集成的 MKW0x 微控制器系列針對輪胎壓力監(jiān)視等低功耗無線應(yīng)用，并集成了能夠在 315 - 960 MHz 范圍內(nèi)不同 ISM 頻段工作的次 1 GHz 收發(fā)器。

無鑰匙進(jìn)入

進(jìn)入當(dāng)今汽車的通常方法是用一個電子鑰匙扣。利用這個鑰匙扣，根本不需要把鑰匙插入點火開關(guān)，就能開、鎖車門、啟動或取消報警、調(diào)節(jié)座椅和視鏡位置，甚至發(fā)動汽車。 智能鑰匙扣中的嵌入式技術(shù)一般情況下會融合一個短距離無線發(fā)射器或收發(fā)器、一個支持 AES 加密算法并能產(chǎn)生滾動碼的微控制器；當(dāng)然，這些電路應(yīng)全部是低功耗型，以實現(xiàn)在單個紐扣電池驅(qū)動下工作數(shù)年。

Atmel 是一家提供各種各樣鑰匙扣解決方案的公司，現(xiàn)已推出可置于鑰匙扣內(nèi)部的多種純發(fā)射和多種雙向微控制器（如，ATA577x，圖 3），以及可以集成到汽車管理系統(tǒng)中的同樣數(shù)量的解決方案。 鑰匙扣的各種純發(fā)射解決方案之間僅頻率不同，具體通常由鑰匙扣在全球的使用地區(qū)決定。 三個頻段包括 68-928 MHz、310-350 MHz 和 429-439 MHz，且發(fā)射器模塊采用 ASK 或者 FSK 方式調(diào)制信號。 鑰匙扣中采用的 MCU 取自該公司的 AVR ATtiny44V 8 位微控制器，數(shù)據(jù)傳送速率高達(dá) 32 kb/s。

圖 3：Atmel ATA577x 系列是高度集成的微控制器，集成了一個 RF 發(fā)射器或者一個完整的收發(fā)器，幾乎不需要任何外部元件。 這些控制器能可靠輸出滾動碼，用于鑰匙遙控進(jìn)入和汽車啟動。

Microchip 也是一家無鑰匙遙控進(jìn)入解決方案供貨商，推出了 PIC12、PIC16 和 PIC18、PIC24 超低功耗微控制器系列，前兩個系列與由 MCU 內(nèi)部硬件加密模塊支持的 KeeLoq 算法配合使用，而后兩個系列則用于接收器子系統(tǒng)（圖 4）。 例如，低功耗 PIC12F635 8 位微控制器在 2.0 V 電源下的待機消耗僅 1 nA，在激活狀態(tài)且時鐘頻率為 1 MHz 時也僅 100 微安。

圖 4：用于無源無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的雙向應(yīng)答器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低頻指令和對講頻道，而加鑰匙密數(shù)據(jù)則由應(yīng)答器通過 UHF RF 頻道發(fā)送至基站。

KeeLoq 是一種非線性算法，能夠在每次按下按鈕時創(chuàng)建一個獨立發(fā)射任務(wù)。 該功能會使各種代碼捕獲和重新發(fā)送方法失效。 為實現(xiàn)鑰匙扣和接收器模塊之間的超高頻通信，發(fā)射器解決方案允許系統(tǒng)設(shè)計人員采用頻移鍵控 (FSK) 或者幅移鍵控 (ASK) 調(diào)制方法來生成傳送任務(wù)。 此外，還提供相應(yīng)的接收器解決方案，用于對無線數(shù)據(jù)傳送任務(wù)進(jìn)行過濾和解密。

針對鑰匙扣和其它低功耗應(yīng)用提供低功耗 MCU 的供貨商還包括 STMicroelectronics 和 Texas Instruments。

在大量眾所周知的車輛無線應(yīng)用中，本文列舉的輪胎壓力測量和鑰匙扣只是冰山之一角。 目前，為定義各種不同的標(biāo)準(zhǔn)仍有大量工作要做，這樣才能讓車輛之間、車輛與“智能”道路之間進(jìn)行通信，實現(xiàn)諸如車輛自主駕駛和車輛間防碰撞通信等解決方案。