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A/D轉換器 PKE系統定位測量磁場強度諧振頻率靈敏度線圈

改用對數A/D轉換器　PKE系統定位測量更精確

2012-03-22

Jim Goings/Toby Prescott/Paul Lepek

配備免鑰匙進入(Passive Keyless Entry, PKE)系統的汽車讓消費者毋須使用機械鑰匙或按動掌上型密匙的按鈕，便可以開啟上鎖的車門。PKE系統有密匙和基地台兩個主要元件，密匙通常放置在車主或駕駛者的錢包或口袋裡，而基地台則安裝在汽車上，包含產生環繞在汽車周圍，通常為125kHz低頻(Low Frequency, LF)磁場的裝置，同時基地台接收通常為315MHz或433.92MHz的射頻(Radio Frequency, RF)訊號。

這種基本系統不斷演進，逐漸加入更多特點，如無鑰匙引擎啟動、無鑰匙門鎖和接近燈(Approach Lighting)系統等等。然而，基本的系統技術並未有改變。

PKE運行取決關鍵參數

實現PKE的主要技術是LF磁場的產生和測量，以及RF無線電傳輸和接收。簡單來說，當PKE系統因某一事件如拉起車門把手而觸發，汽車基地台便會產生LF磁場。配有測量3維(X、Y和Z軸向)磁場強度方法的密匙，捕獲此資訊並透過RF訊號傳回汽車基地台。如果確定該密匙是屬於此車，並處於汽車附近的適當位置，基地台就會打開駕駛者的車門。

明顯地，該系統的正確運行取決於關鍵參數，例如觸發事件至車門打開的反應時間、可重複LF磁場的產生和精確的LF磁場強度測量、LF磁場的抗擾能力。本文將重點探討這些參數的性質，以及在PKE系統內將其最佳化的方法。

PKE系統跨越LF/RF頻域

PKE系統的通訊跨越LF和RF兩個頻域。在每個頻域內都存在一個包含某些基本磁場訊號的通訊協定。在LF頻域內，基地台必須發送足夠穩健的資料模式，以便區分有效通訊和雜訊。同時，它還應對授權密匙如何回應訂出次序，每輛車可以有多達八個編號，授權密匙透過發送RF資訊來避免衝突。最後，基地台需要為密匙發送一段時間持續和恆定的LF磁場，來獲得磁場強度的準確測量。

在RF頻域，密匙必須安全地與汽車基地台通訊，憑著所需的資訊來確定是否可以打開汽車。通常，LF頻域使用二進位或矩形脈衝寬度調製(Binary or Quad Pulse Length Modulation, BPLM或QPLM)，以3.9kbit/s的串列傳輸速率進行通訊，而RF頻域通訊使用開關或頻移鍵控(On-Off or Frequency Shift Keyed, OOK或FSK)調製，傳輸速率為4k～20kbit/s。

降低雜散磁場喚醒

為將錯誤喚醒減至最少，並延長密匙的電池壽命，將需要一個從基地台到密匙的預定義資料模式。該模式被稱為封包(Preamble)，一般包含連續的資料位元串，例如0後面跟隨相反極性的同步位元，例如1。連續的資料串必須足夠長，才可以使密匙啟動及核實有效資料位元時序是否存在。如果時序核對通過，為採集剩餘資訊，使用同步位元來調校資料接收緩衝區。由於前同步碼串中的連續位元的數目增加，因此降低雜散磁場喚醒的可能性。圖1和圖2顯示數種典型的LF磁場調製模式。

圖1　LF前同步碼和元件喚醒

圖2　帶有有效負載資料訊號的LF封包(接收2位元組)

採用時隙防衝突協定

從汽車基地台發送到密匙的LF資訊中包含一項關鍵資訊：一條規定密匙回應次序的規則。如果沒有該資訊，與汽車配對的所有密匙都很可能同時回應，並毀掉全部的RF回應。解決此問題的通用方法就是時隙防衝突協定(Time-slotted Anti-collision Protocol)。這包含分配特定的密匙到特定的時隙，在此期間它們被允許回應。例如，假設汽車與四個密匙配對，而每個密匙都分配數值範圍從1到4的獨一無二的識別數字。分配到特定時隙的獨特密匙識別數字在初步的LF資訊中就已經被預先定義(圖3)。

圖3　時隙防衝突方法

測量接收訊號強度

對於從汽車基地台發送的LF資訊，剩下的關鍵問題是測量X、Y和Z軸的磁場強度。通常在LF磁場處於連續波(Continuous Wave, CW)模式時進行測量並完成。PKE系統在此方面要考慮的重要參數為靈敏度、準確性和轉換時間。

靈敏度可以具有幾種含意，取決於實際的應用場合。有時它是指喚醒LF檢測電路所需的最小可檢測電壓幅度；其他時候它則是可以被檢測和轉換為數位值的最小電壓幅度。

在上述兩種情形中，典型的度量單位為毫伏特(mV)，並且可以被規定為峰值(V_P-P)、均方根值(V_RMS)或峰值電壓(V_P)。其數學上的相關性如公式1：

...................公式1

準確性是指在類比到數位(Analog to Digital, A/D)轉換期間引入的誤差。誤差的主要來源為A/D基準電壓、解析度的位元和接收天線諧振頻率的變化。在設計時，電子元件如何對誤差做出補償的設計是很重要的。根據不同的解決方案，補償會為A/D轉換過程增加相當多的複雜性和時間。

轉換時間是校準、轉換和補償類比電壓所需的時間，該類比電壓出現在三維(3D)接收天線的每個軸向上，天線包含在密匙內。重要的是，在設計定型之前，須考慮是採用對三維天線三個軸向依次進行A/D轉換的設計，還是採用對三維天線三個軸向進行同時並行A/D轉換的設計，這取決於所選設計方案的架構。IC供應商的校準和補償技術的差別很大，必須仔細研究，以便了解其對PKE系統重要的轉換時間的影響。

磁場強度維繫PKE正常運作

要PKE系統正確運作的基本要求是，能夠在汽車周圍不斷產生已知及具有足夠強度的磁場，而且可以準確測量。以下將集中討論PKE系統在這個方面的應用，並討論影響系統性能的LF磁場參數。

產生磁場

圖4　磁場的形成

如圖4所示，磁場B為當電流流過線圈時產生的磁場。磁場集中在線圈的中心，並且沿著軸向傳播，通常相對於由線圈橫截面形成的平面；磁場從線圈的一端環繞到另一端。磁場的幅值透過磁通量來量化。在自由空間，依據電流大小和線圈幾何形狀，磁通量的分布可以預知。然而，當在磁場中放置鐵磁物體，例如可被磁場吸引的金屬，磁通量模型就會變形，所以在評估補償技術時，須要考慮這一點。

圖5顯示兩個不同線圈所產生的磁場強度，隨距離的變化，每個線圈具有不同的半徑。值得注意的是，磁場強度與線圈匝數和電流大小成比例。明顯地，從圖表的縱座標使用的對數比例來看，當離線圈中心的距離D增加時，磁場強度趨向於以指數比例衰減：1/D³。這是個很好的特性，可以限制PKE系統的實際工作範圍不超過5公里(km)。當考慮與某些補償方法有關的數學複雜性時，這也是另一個重要的因素。

圖5　磁場強度對比距離

調諧諧振

車載線圈(產生LF磁場)和可攜式密匙線圈(測量LF磁場)兩者都必須調諧到在相同頻率上諧振，從而讓系統性能最佳化。諧振出現在線圈的複數阻抗為0時的假想條件下。這也是電容性和電感性電抗變得相等並相互抵消時的頻率(公式2)。

...................公式2

諧振電路的諧振頻率由公式3定義：

...................公式3

因為線圈具有固有(Inherent)的電感，所以必須引入電容元件來達到諧振。可以透過並行或串行來獲得諧振。實際上，車載線圈中的諧振是藉著增加一個串行的電容器而獲得，從而讓線圈電流最大，同時在密匙天線中採用並行電容以使其感應電壓最大。

留意品質因數Q

線圈品質的常用指標為品質因數Q。此因數既影響系統鮑率(Baud Rate)；也影響測量線圈中的感應電壓大小。品質因數Q定義為電感器感抗與其直流(DC)電阻的比值，如公式4所描述：

...................公式4

較大的Q值會在測量線圈上產生較大的感應電壓和較好的性能，但是對資料速率有負面影響。經常使用的品質因數Q為15，此典型值是這些限制因素間的一個合理平衡。兩個具有類似品質因數Q的磁場線圈和磁場測量線圈，可產生最佳的系統性能。

測量磁場強度

磁場強度是透過在磁場中置入天線線圈來測量的，在測量線圈中產生的感應電壓是其線圈的物理性質(先前討論的機械和電氣特性)的函數，並與磁通量成角度調整關係。

當磁場產生線圈和磁場測量線圈具有相同的軸向時，與角度調整相關的感應電壓分量可達到最大值。當兩個線圈軸線正交時則不會產生任何感應電壓。其關係可以簡單地進行模擬，如公式5所示，這裡的θ為線圈軸線間的角度。

...................公式5

在PKE系統中，密匙方向是不受控制的，須要使用三個測量線圈來評定它在自由空間的位置；每個線圈對應一個軸向X、Y和Z。

定位測量實際考量不可輕忽

PKE系統的首要目標是準確且迅速地確定掌上型密匙相對於汽車的位置。外部因素如溫度、磁場失真、諧振電路元件老化效應和初步公差，都會影響系統準確測量密匙位置的能力。其他系統內在的屬性，例如靈敏度、A/D轉換曲線(對數對比線性)，以及A/D解析度也會給測量過程帶來誤差項，並增加測量補償的複雜性。

當考慮替代的設計方法時，了解這些誤差的來源、可用的補償技術，並考慮它們對整個系統回應時間的影響是很重要的。

對目前PKE磁場強度測量解決方案{TC V2}的詳盡研究不在本文的討論範圍內。然而，為說明LF磁場強度測量誤差補償技術的基本概念，本文將藉著愛特梅爾(Atmel)ATA5790晶片來介紹，它是一個完全整合(不包括諧振線圈電路)的PKE系統解決方案。

微調諧振頻率

只有當磁場產生線圈和測量線圈調整到在相同頻率上諧振時，才可能達到最佳化的性能。在設計時依據測量線圈的標稱(Nominal)電感，然後選用數值適當的諧振電容器，可以完成上述最佳化。

然而，在線圈和電容中，元件至元件的容差變化總會導致性能低於平均水準。為進行補償，能夠微調諧振頻率回到標稱值的設計是很有吸引力的一種設計。ATA5790晶片具有這項能力，透過積體可變電容陣列，對每一個3D測量線圈輸入以並聯方式來配置，可以從0～120皮法(pF)進行調整。

在實作中，這種補償形式在汽車密匙生產製造時進行一次。透過後段(End-of-line)測試儀，相對於一個控制良好的恆定磁場，控制測量線圈的位置並校準，每個軸向和每個密匙的元件至元件的分量變化，都可以單獨被量化及修整，而每一個可變電容陣列的修整值都將被保存在非揮發性記憶體中，在產品的整個生命週期內使用。

自我調整環境補償

在設計穩健的PKE系統時另一組要考慮的因素，是一些受環境變化影響並可能引起不可預知特性的因素，它們會對測量精度帶來負面影響。這些因素可能是溫度、電感/電容(L/C)元件老化、局部載入/測量線圈的失諧或是任何其他降低測量線圈回應特性的因素。

在此方面，性能退化與線圈至線圈的耦合減弱有關，會導致密匙天線上接收的訊號電壓降低，而且同時在密匙定位測量期間讀取較低的接收訊號強度指令(RSSI)值。為了補償此類影響，在受控環境條件下來自預定義訊號的響應，即V_{in factory}必須被測量，並且與經受未知環境條件且來自相同預定義訊號的響應V_{in service}相比較。比較V_{in factory}和V_{in service}可以量化已經發生的環境退化數值，並將此偏移值V_compensation施加到隨後汽車線圈產生磁場的測量中。

為讓此方法有效，必須具有數項設計特性，包括內部參考訊號、將它應用到接收天線線圈的方法，以及在LF磁場產生過程中實施測量的可預知間隙。ATA5790在單一封裝內整合這些特性中的前兩個。只要結合LF通訊協定規格來實現特性，ATA5790便能夠實現這種自我調整環境補償技術。

這裡有一個例子可以說明這項技術。在密匙製造期間，進行線上測試時，對ATA5790進行諧振頻率修整，並永久保存這些參數(有關更多細節參見先前的部分)，修正時，密匙周圍的磁場將完全受控，並擺脫任何形式的寄生負載或影響。下一步，ATA5790啟動自測試程式，連接測量線圈與內部產生的激勵訊號，所有輸入線圈的響應電壓均被同時測量。來自每個線圈的測量結果，V_{X-internal factory}、V_{Y-internal factory}和V_{Z-internal factory}都被儲存在非揮發性記憶體中，並在密匙的整個壽命週期內使用。製造過程完成後，將密匙交給客戶使用。

當在使用中及處於外部LF磁場中已知的間隙期間，線上測試期間所使用之內部產生的相同激勵訊號出現在測量線圈中。測量來自每個線圈的響應電壓；V_{X-internal factory}、V_{Y-internal factory}和V_{Z-internal factory}並減去製造期間獲得的數值，以確定每一軸向所需的補償額。下一步，進行由汽車產生的外部LF磁場的測量，如V_{X-external servicey}、V_{Y-external servicey}和V_{Z-external servicey}。只要對每一個軸向增加相應的補償值，便可以更準確地評測密匙在空間中的定位。總結來說，每一軸向的補償公式6如下所示：

...................公式6

注意磁場強度測量平均值

為A/D測量值計算平均值，可以消除瞬變情形及提高定位資訊的可重複性。當此原理應用於PKE系統時，能夠增強LF磁場強度測量過程的完整性，並且更準確地評估密匙的空間定位。

在實施這樣的演算法時，重要的是需要考慮對回應時間的影響，例如對X、Y、Z軸向進行同步採樣或順續採樣，及對每一軸向的採樣次數，還有A/D轉換時間。

在上述提到的前兩項類別中，ATA5790晶片為設計人員提供超越其他解決方案的優勢。該元件採用平行轉換架構，同時實現X、Y和Z軸線的A/D轉換。更進一步來說，初步轉換發生後，通常在大約1.5毫秒(ms)後，便可以每48微秒(μs)刷新一次。由於刷新速度這麼快，所以可以實現包含八個連續A/D取樣值的均值演算法，而造成的影響微不足道。

為了說明此一點，請參考圖6，這是一個來自示波器的螢幕截圖，顯示A/D取樣，以及外部與內部兩個磁場強度的均值測量運算。Z2跡線顯示在LF磁場中的A/D取樣操作，第一個連續八次的A/D取樣運算發生在最初的空隙，包含八個連續A/D轉換和均值運算，然後第二個連續八次A/D取樣運算發生在連續的LF磁場發送期間，如Z1跡線所示。