无线技术在车辆安全与保障方面的作用

过去二十年里，汽车从可能安装了收音机、磁带仓、CD 播放器的基本交通机械，发展到如今成熟、全面的移动式信息、娱乐平台。 今天的汽车功能丰富，安装了能从车辆外部获取娱乐信息的多种无线电技术（或者，甚至使用连接上蓝牙的智能手机从车辆内部获取），能通过嵌入式 GPS 技术提供定位信息，还能提供无钥匙进入/启动系统、无线诊断数据读取和无线轮胎压力传感器。 另外，现在的许多汽车安装了用于呼救的嵌入式蜂窝无线电技术以及雷达系统，以增强司机感知能力并减少碰撞造成伤亡。 在不久的将来，我们会在汽车上看到更多无线功能，如有助于疏导交通并进一步减少事故的车辆之间的通信功能。

监视轮胎压力

本文的重点是无线技术在车辆安全与保障方面的作用。 让我们从轮胎橡胶接触路面开始：从地面开始利用无线技术。 轮胎中的无线压力传感器会让司机确保轮胎压力保持在出厂建议水平，既保证安全，又能优化轮胎磨损情况。 基本轮胎压力监视系统 (TPMS)   包括一个或多个 TPM 传感器、一些调节/预处理电路、一个简单的 RF 发射器、一个低成本、低功耗微控制器（图 1）。 在接收侧，会有一个低功耗接收器捕获数据流，并由微控制器进行数据解码和格式化，然后发送至车辆内部的 CAN/LIN 网络或直接将数据发送至显示屏。
 

图 1：无线轮胎压力测量系统将多个传感器（压力、温度、径向加速度和切向加速度）的输入汇集在一起，并经无线链路将预处理结果发送至车辆仪表盘上的接收器。

轮胎压力监视系统 (TPMS) 是一种提升车辆安全的新标准。Freescale 利用其创新型集成技术推出了 TPMS 解决方案，这一方案能实时监视轮胎压力并在轮胎充气不当时提醒司机。 Freescale TPMS 产品按照美国联邦机动车辆安全标准 (FMVSS) 138 和全球汽车制造厂的要求设计。

Freescale 的轮胎压力监视传感器解决方案采用单一封装，集成了一个胎压传感器、8 位微控制器 (MCU)、RF 发射器，以及一个单轴 (Z) 或双轴 (XZ) 加速计。 把该解决方案安装在轮缘上的模块中时，能够实时测量每条轮胎的压力并把测量结果发送至车辆仪表盘，在轮胎压充气不当时立即提醒司机。

Freescale Xtrinsic 智能传感器模块将压力、温度和加速度传感器以及 RF 发射器、微控制器集成在一个 7 x 7 mm 的微型封装中。 Freescale 的多款处理器可用作该模块中的低功耗微控制器，具体视 MCU 所需执行的处理任务多少决定。

例如，Freescale 的  MC12311 是一款基于 8 位 HCS08 系列 MCU 的系统级封装 (SiP) 器件，该公司的 MKW0x 器件则是基于 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 发射器。

我们来看一下 MKW0x 系列中的 MKW01Z128CHN 器件，这是一款高度集成的高性价比、智能无线电、1 GHz 以内无线节点解决方案。 MKW01 系列除了低于 1 Ghz 的双向无线电外还嵌入了大量外设，且工作频率范围宽，涵盖了免牌照的工业、科研和医疗 (ISM) 频段内的 315、433、470、868、915、928 和 960 MHz 频率。 MKW01 和 MC12311 均采用了可进行 FSK、GFSK、MSK 或 OOK 调制的收发器。 这些配置能让用户将外部元件数量降至最少。 （一种替代方案是以该公司的 Kinetis EA 系列器件为中心，但需要一个外部 RF 发射器。）
 

图 2：Freescale Semiconductor 高度集成的 MKW0x 微控制器系列针对轮胎压力监视等低功耗无线应用，并集成了能够在 315 - 960 MHz 范围内不同 ISM 频段工作的次 1 GHz 收发器。

无钥匙进入

进入当今汽车的通常方法是用一个电子钥匙扣。利用这个钥匙扣，根本不需要把钥匙插入点火开关，就能开、锁车门、启动或取消报警、调节座椅和视镜位置，甚至发动汽车。 智能钥匙扣中的嵌入式技术一般情况下会融合一个短距离无线发射器或收发器、一个支持 AES 加密算法并能产生滚动码的微控制器；当然，这些电路应全部是低功耗型，以实现在单个纽扣电池驱动下工作数年。

Atmel 是一家提供各种各样钥匙扣解决方案的公司，现已推出可置于钥匙扣内部的多种纯发射和多种双向微控制器（如，ATA577x，图 3），以及可以集成到汽车管理系统中的同样数量的解决方案。 钥匙扣的各种纯发射解决方案之间仅频率不同，具体通常由钥匙扣在全球的使用地区决定。 三个频段包括 68-928 MHz、310-350 MHz 和 429-439 MHz，且发射器模块采用 ASK 或者 FSK 方式调制信号。 钥匙扣中采用的 MCU 取自该公司的 AVR ATtiny44V 8 位微控制器，数据传送速率高达 32 kb/s。
 

图 3：Atmel ATA577x 系列是高度集成的微控制器，集成了一个 RF 发射器或者一个完整的收发器，几乎不需要任何外部元件。 这些控制器能可靠输出滚动码，用于钥匙遥控进入和汽车启动。

Microchip 也是一家无钥匙遥控进入解决方案供货商，推出了 PIC12、PIC16 和 PIC18、PIC24 超低功耗微控制器系列，前两个系列与由 MCU 内部硬件加密模块支持的 KeeLoq 算法配合使用，而后两个系列则用于接收器子系统（图 4）。 例如，低功耗 PIC12F635 8 位微控制器在 2.0 V 电源下的待机消耗仅 1 nA，在激活状态且时钟频率为 1 MHz 时也仅 100 微安。
 

图 4：用于无源无钥匙进入系统的双向应答器系统。该系统采用低频指令和对讲频道，而加钥匙密数据则由应答器通过 UHF RF 频道发送至基站。

KeeLoq 是一种非线性算法，能够在每次按下按钮时创建一个独立发射任务。 该功能会使各种代码捕获和重新发送方法失效。 为实现钥匙扣和接收器模块之间的超高频通信，发射器解决方案允许系统设计人员采用频移键控 (FSK) 或者幅移键控 (ASK) 调制方法来生成传送任务。 此外，还提供相应的接收器解决方案，用于对无线数据传送任务进行过滤和解密。

针对钥匙扣和其它低功耗应用提供低功耗 MCU 的供货商还包括 STMicroelectronics 和 Texas Instruments。

在大量众所周知的车辆无线应用中，本文列举的轮胎压力测量和钥匙扣只是冰山之一角。 目前，为定义各种不同的标准仍有大量工作要做，这样才能让车辆之间、车辆与“智能”道路之间进行通信，实现诸如车辆自主驾驶和车辆间防碰撞通信等解决方案。