广芯微两轮车PKE芯片套片及参考设计方案

描述

无钥匙进入系统(Passive Keyless Entry, PKE)是一种先进的汽车安全技术,它允许驾驶员无需物理操作车钥匙即可解锁和启动车辆。当驾驶员携带智能钥匙接近车辆时,车辆能自动识别钥匙的信号,并在确认后解锁车门。同样地,当驾驶员坐进车内并按下启动按钮时,如果系统检测到智能钥匙在车内,就会启动发动机。

两轮车(如摩托车、电动自行车等)的PKE市场规模在近年来呈现稳步增长的趋势。2022年全球市场规模约130亿元人民币,2023年达到160亿元,年均复合增长率(CAGR)为15%。亚太地区是全球两轮车PKE市场的最大区域,尤其是中国、印度和东南亚国家,约占全球60%左右市场份额。两轮电动车和摩托车采用PKE系统主要有以下几个原因:

1、便利性:

无钥匙启动:PKE系统允许车主在不拿出钥匙的情况下直接启动摩托车,只需按下按钮即可。这大大提高了使用的便利性,特别是在寒冷或忙碌的时候。

无钥匙锁车:车主可以通过简单的按下按钮或触摸感应区域来锁车,无需插入钥匙。

2、安全性:

防盗功能:PKE系统通常配备了先进的加密技术和身份验证机制,使得未经授权的人难以启动摩托车。这增强了摩托车的防盗性能。

自动锁定:部分PKE系统具备自动锁定功能,当车主离开一定距离后,摩托车会自动锁定,防止忘记锁车的情况发生。

3、用户体验:

高级感:PKE系统给用户带来了一种高级和科技感,提升了摩托车的整体用户体验。

简化操作:传统的机械钥匙可能会丢失或损坏,PKE系统的使用避免了这些问题的发生,简化了日常操作。

4、市场需求:

市场趋势:随着科技的进步和消费者对便利性和安全性的需求增加,许多高端摩托车品牌开始在其产品中集成PKE系统,以满足市场需求。

5、技术进步:

成本降低:随着技术的进步,PKE系统的成本逐渐降低,使得更多的摩托车制造商能够提供这一功能,而不只是高端市场独有。

面向日益增长的两轮车PKE应用市场,广芯微基于自主研发的芯片套片,推出高性价比的PKE基站与钥匙端参考设计方案,助力产品公司快速开发PKE的基站与钥匙产品。

一、PKE方案概述

广芯微PKE方案包含基站端和钥匙端两套设计。基站端通过发射低频信号搜索钥匙,并通过接收高频信号验证钥匙是否合法,最后决定是否需要进行开锁动作。钥匙端则通过实时监控低频信号,在收到合法的低频帧信号,则通过高频信号发送加密信号给基站端,用于基站验证钥匙是否合法。

同时,广芯微PKE方案,也兼有RKE(Remote Keyless Entry)功能,只要按压钥匙按键,钥匙就会通过高频发射加密信号到基站端去验证钥匙是否合法。而基站端在收到这些加密信号后,就会进行解密及合法验证,一旦验证通过,就会进行开锁。

PKE实现流程是基站端先发射低频LF信号,然后接收钥匙端响应的高频RF信号。RKE则需要车主手动按钥匙按键才能完成解锁/闭锁/升窗/降窗/开尾门/寻车等操作。

二、广芯微PKE芯片套片及方案-钥匙端介绍

方案设计采用广芯微自主研发的低频检测SoC UM2082F08和高频发射芯片UM2003L实现车钥匙的PKE功能和RKE功能,在软件上设计了同步码备份算法和低电检测算法。UM2082F08集成单周期8051内核,支持三通道低频无线唤醒ASK接收,UM2003L是一款低成本OOK调制方式的射频芯片,通讯频率为433MHz。

射频芯片

钥匙方案框图

射频芯片

钥匙方案实物图

UM2082F08特性

三个独立天线通道:X/Y/Z 轴

每个通道都具有RSSI检测功能,支持多种数据率的配置,支持曼彻斯特编码方式

载波频率:30KHz~300KHz

接收灵敏度:<70uVrms

数据率:1kbps~8kbps

低功耗设计

三通道轮询扫描模式:2.9μA

三通道间歇运行模式:2.1μA

单通道间歇运行模式:1.7μA

8051 处理器,主频 24MHz

2KB SRAM,32KB eFlash

2路16位PWM输出   

2个增强型UART

6通道12位SAR ADC,1Msps采样速率

1路I2C,主/从模式,速率400Kbps(max)

1路SPI,主/从模式,Mode0/1/2/3 协议,最高速率12Mbps

最大11个GPIO,内置上 / 下拉可配置

UM2003L特性

频率范围:300~480MHz

最大发射功率:13dBm

发射码率范围:1~10kbps

工作电流:20mA@3.3V 13dBm

待机电流:10nA

钥匙端在接收到LF数据后,根据帧类型对LF数据进行分发。然后判断CRC校验结果、判断AES加密结果,都通过后,回送相应的RF数据。

同时,钥匙端方案还支持RKE功能,在检测到按键被按下后,根据按键类型,进行更新同步码、AES加密、计算CRC等操作后,把数据填充RF缓冲区,通过RF发射芯片发送出去。RKE按键包含了短按发码控制、长按发码控制、同步码更新、RF发射停止或关闭等。在RKE应用中,需要用到同步码(也称滚码)去同步车辆、钥匙,可以有效提高通信的安全性,因为即使上次按按键发出的RF帧被他人捕获了,想发射该RF帧去操控车辆,车辆也是不会响应的。    

三、广芯微PKE芯片套片及方案-基站端介绍

基站端方案同样是基于广芯微自主研发的芯片UM3213A、UM2004 等芯片实现基站的RKE、PKE,主控制器采用32位低功耗MCU UM3213A,高频接收芯片采用OOK接收芯片UM2004,配套接收UM2003L的OOK高频RF信号。系统软件上设置支持至多学习两把钥匙,在实际应用中可根据需要进行扩展。

射频芯片

基站端方案框图

射频芯片

基站端方案实物图

UM3213A特性   

ARM Cortex-M0+,最高主频 32MHz 

16KB SRAM,64KB eFlash 

1.1μA @3.0V DeepSleep模式,0.48μA @3.0V Stop模式

127μA/MHz @3.0V @32MHz Active模式 

3.7μs 快速睡眠唤醒系统 

最大35个GPIO,16/8mA 两档驱动可配 

1路低功耗 LPUART,2路通用 UART 

支持主/从模式I2C,最高速率 1Mbps 

2路SPI,主/从模式,最高速率 16Mbps 

QSPI接口,支持片外NorFlash读写,支持 1/2/4 数据线 

CAN总线接口,支持CAN2.0A/B 协议,速率 125K~1Mbps 

8 通道12位SAR ADC,1Msps 采样速率 

UM2004特性

频率范围:300MHz~480MHz

接收灵敏度:-109dBm(1Kbps)

数据率范围:1~5Kbps

低功耗:5.3mA@3.3V(315MHz)

关断电流: < 0.1μA

在PKE 应用中,基站先发射低频LF去唤醒钥匙,然后钥匙回送相应的RF响应帧给基站。对于LF发射的设计,在填充完LF帧缓存后,启动LF发射状态机把LF帧内容发送出去。基站端设计中,PKE RF帧和RKE RF帧两者都是统一的接收流程。首先是采用定时器捕获脉宽,从而搜索并存储符合RF设计要求的数据帧,并且,为了减轻数据处理压力,数据帧是存储到FIFO里面。  

四、广芯微PKE芯片套片及方案-实测结果

OOK PKE方案测试是在0°~360°不同方向下,采用小型化天线,在10cm~180cm不同距离下,测试钥匙端方案的低频感应接收率(单包接收率)与基站端方案的天线辐射场强。

钥匙低频接收率测试:按压基站PKE按键,进入PKE功能之后,每按压一次按键,会触发基站间隔500ms发射200帧LF数据出来,钥匙每收到一帧LF数据,都会回送相应的RF帧。基站通过统计发射的LF帧数、收到的RF帧数,完成接收率计算,并通过串口调试助手打印出来

射频芯片

LF距离(小天线)测试记录  

基站辐射场强测试:基站不间断地发射125KHz常载波信号,并实时接收场强测量工具的高频帧(包含场强信息)。场强测量工具是会周期性测试所处位置的场强,并周期性回送场强信息高频帧。将场强测量工具,从5cm~240cm、0°~360°间隔移动,并记录串口调试助手打印出来的场强信息。

射频芯片

基站辐射场强(小天线)测试结果

广芯微电子(广州)股份有限公司的PKE方案已上架,要获取更多产品信息及相关的解决方案信息。    

关于广芯微

广芯微电子(广州)股份有限公司聚焦光伏新能源、工业控制和汽车电子产业,为客户提供差异化的微处理器芯片、快充与数字电源SOC和性能卓越的无线射频芯片,并围绕这些芯片打造特色的电机控制方案平台、数字电源方案平台和低功耗无线射频方案平台。 

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