МК pic. Системы беспроводного доступа pke на основе pic16f639

Алексей САФРОНОВ

safronov@gamma.spb.ru

46 компоненты рубрикаwww.finestreet.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 '2007

База, установленная на автомобиле, по-

сылает низкочастотную (НЧ) команду

(125 кГц) для поиска транспондера в ее

поле. Обнаруженный транспондер автомати-

чески отвечает базовой станции. База разбло-

кирует двери машины, если полученный от-

вет идентифицирует транспондер как «свой».

Обычно базовая станция для PKE проек-

тируется так, чтобы выходная мощность бы-

ла максимально возможной и удовлетворя-

ла нормам электромагнитного излучения, ут-

вержденным государством. При напряжении

питания порядка 9–12 В максимально дости-

жимая амплитуда напряжения на антенне со-

ставляет около 300 В. В связи с тем, что НЧ

сигнал плохо распространяется, амплитуда

сигнала, принимаемого транспондером на

расстоянии около двух метров от базы, со-

ставляет всего несколько милливольт. Кро-

ме того, из-за ориентационных свойств ан-

тенны, уровень входного сигнала транспон-

дера значительно падает, если максимум

диаграммы направленности его антенны не

сориентирован на антенну базовой станции.

Наиболее вероятная причина отсутствия

связи между базой и транспондером — это

слабый сигнал на входе транспондера. Сле-

довательно, для надежного функциониро-

вания PKE необходимо, чтобы на требуемой

дальности связи уровень входного сигнала

был больше уровня входной чувствитель-

ности.

Итак, основными параметрами, которые

нужно учесть при проектировании системы

PKE, являются:

1. мощность выходного сигнала (команды)

базы;

2. входная чувствительность транспондера;

3. свойства направленности антенны;

4. длительность работы батареи транспон-

дера.

PIC16F639 — это микроконтроллер (МК)

с тремя аналоговыми низкочастотными при-

емными каналами (analog front-end или AFE).

МК управляет работой аналоговой части. Бла-

годаря простоте применения и наличию AFE,

PIC16F639 может быть использован в раз-

личных интеллектуальных двунаправлен-

ных устройствах НЧ-связи.

Рассмотрим пример расчета схемы транс-

пондера PKE и его базовой станции с исполь-

зованием МК PIC16F639, а также пример

встроенных в МК программ. Представлен-

ные схема и алгоритм могут быть легко мо-

дифицированы под конкретные пользова-

тельские цели.

PKE�транспондер на базе PIC16F639

МК PIC16F639 имеет цифровую (ядро

PIC16F636) и аналоговую (AFE) части и мо-

жет использоваться в различных двунаправ-

ленных системах НЧ-связи.

На рис. 1 приведен пример такой системы

PKE.

Базовая станция посылает на частоте

125 кГц команду для поиска «своего» транс-

пондера в радиусе действия поля. PKE-транс-

пондер отвечает, если принятая им команда

верна.

Пассивные транспондеры, использующие двунаправленную беспровод�

ную связь с базовой станцией в режиме hands�free, быстро нашли широ�

кое применение в автоматизированных дистанционных системах иденти�

фикации и контроля доступа, они могут устанавливаться на многих новых

моделях автомобилей. Вместо нажатия кнопки брелка для блокировки или

разблокировки дверей автомобиля теперь возможно получить доступ к ав�

томобилю, просто имея при себе соответствующий транспондер. Такие си�

стемы получили название Hands�free Passive Keyless Entry (PKE).

Системы беспроводного доступа

Passive Keyless Entry

на основе нового

микроконтроллера PIC16F639

Рис. 1. Функционирование PKE

KiT#68(3).qxd 3/21/2007 4:21 PM Page 46

рубрика компоненты 47

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 '2007

Наличие трех приемных каналов с высо-

кой входной чувствительностью (до 1 мВ)

позволяет подключить три антенны, ориен-

тированные в трех взаимно перпендикуляр-

ных плоскостях, благодаря чему транспондер

сможет обнаружить сигналы с любого на-

правления в любое время. Это снижает веро-

ятность пропуска сигнала, обусловленного

направленными свойствами антенны. Вход-

ные сигналы от каждой антенны детектиру-

ются независимо, а после суммируются. Каж-

дый входной канал может программно вклю-

чаться и выключаться. Чем меньше каналов

включено, тем меньше потребление тока.

При работе в режиме hands-free транспон-

дер безостановочно детектирует входные сиг-

налы. Это сокращает срок службы батареи.

Следовательно, для уменьшения рабочего то-

ка цифровая часть МК может находиться

в режиме ожидания (Sleep), пока нет необхо-

димости обрабатывать принятую команду.

Цифровая секция «просыпается», когда AFE

обнаруживает сигнал на входе, удовлетворя-

ющий условиям фильтра wake-up, критерии

которого могут задаваться программно.

В PIC16F639 имеется 9 таких фильтров. Поль-

зователь может запрограммировать фильтр

посредством конфигурационных регистров.

Когда фильтр запрограммирован, устройст-

во будет пропускать сигнал к цифровой час-

ти, только если он соответствует требовани-

ям фильтра, иначе цифровая часть остается

в энергосберегающем режиме.

На рис. 2 приведен пример схемы PKE-

транспондера. Транспондер состоит из МК

PIC16F639, трех внешних резонансных LC-

антенн, кнопок, УВЧ передатчика, цепи ре-

зервного питания (опционально) и литиевой

батареи 3 В.

Цифровая часть имеет 2 порта ввода-вы-

вода — PORTA и PORTC. Каждый из выво-

дов PORTA поддерживает возможность пре-

рывания по изменению уровня состояния.

AFE использует 3 вывода PORTC, внутрен-

не соединенные с C—

S–

, SCLK/AL—

ER—

T—

и LFDATA/

CCLK/RSSI/SDIO выводами AFE. AL—

ER—

T—

и LFDATA/CCLK/RSSI — выходные выводы

AFE. SCLK, SDIO и C—

S–

используются для про-

граммирования и считывания регистров кон-

фигурации AFE. Более подробную информа-

цию можно получить в описании PIC12F635/

PIC16F636/639 (DS41232).

Для экономии энергии батареи цифровая

часть находится в спящем режиме, пока AFE

не обнаружит НЧ входной сигнал. Хотя вы-

ходные выводы AFE внутренне соединены

с выводами PORTC, выходные сигналы AFE

не выводят цифровую часть из энергосбере-

гающего режима, так как они не имеют функ-

ции прерывания на изменение уровня. Сле-

довательно, необходимо соединить LFDATA

и AL—

ER—

T—

с выводами PORTA так, как показа-

но на рис. 2.

Таким образом, цифровая часть может

«пробудиться», если произойдет одно из сле-

дующих событий:

1. появление выходного сигнала на выводе

LFDATA AFE;

2. появление выходного сигнала на выводе

AL—

ER—

T—

AFE;

3. нажатие кнопок, изменяющих уровень од-

ного из выводов PORTA.

Пробуждающий фильтр и обнаружение сигнала

Пользователь может запрограммировать

один из девяти фильтров, разрешающих вы-

водить цифровую часть из энергосберегаю-

щего режима, посредством регистров конфи-

гурации. Более подробную информацию

можно получить в описании PIC12F635/

PIC16F636/639 (DS41232).

Внешняя резонансная LC�антенна

PIC16F639 имеет 3 НЧ приемных канала

для подключения трех внешних резонансных

LC-антенн. Каждая из LC-цепочек подклю-

чается к одному из выводов LCX, LCY, LCZ

и общему выводу LCCOM. Конденсатор

(1–10 нФ) между «землей» и LCCOM необхо-

дим для стабильной работы внутреннего де-

тектора при распознавании входных сигна-

лов большой амплитуды.

Хотя PIC16F639 имеет 3 вывода для внеш-

них антенн, пользователь может использо-

вать только одну или две антенны. Потребле-

ние тока пропорционально количеству рабо-

тающих каналов. Тем не менее, для hands-free

PKE-устройств рекомендуется использовать

все три антенны.

Теория резонансных LC�антенн

Для детектирования НЧ электромагнитно-

го поля обычно используется рамочная ан-

тенна, представляющая собой параллельный

резонансный LC-контур. Для максимизации

напряжения на контуре, он должен быть точ-

но настроен на рабочую частоту (несущую

частоту базовой станции). Также повысить

напряжение на антенне можно увеличением

рабочей площади антенны и добротности

контура.

Частота резонанса параллельного LC-кон-

тура находится по формуле:

. (1)

А напряжение на антенне с достаточной

точностью можно определить по формуле:

, (2)

,

где fc — рабочая частота базы (Гц), f0 — резо-

нансная частота LC-контура (Гц), N — коли-

чество настроенных катушек рамочной ан-

тенны, S — площадь антенны (м2), Q — доб-

ротность LC-контура, B0 — напряженность

магнитного поля (Вб/м2), α — угол между

нормалью к плоскости антенны и линиями

напряженности поля.

В связи с тем, что конденсатором на часто-

те 125 кГц можно пренебречь, добротность

контура преимущественно определяется до-

бротностью индуктивности:

, (3)

где r — резистивное сопротивление катушки

(Ом).

Обычно индуктивность катушки состав-

ляет порядка 1–9 мГн. Добротность LC-кон-

тура чуть более 20 для катушки с воздушным

сердечником и около 40 — для катушки

с ферритовым сердечником.

Рис. 2. Схема транспондера

KiT#68(3).qxd 3/21/2007 4:21 PM Page 47

48 компоненты рубрика

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 '2007

Выражение Scos(α) в формуле (2) опреде-

ляет эффективную площадь антенны. Эф-

фективная площадь антенны максимальна

при cos(α) = 1, что наблюдается, когда диа-

граммы направленности антенны базы

и транспондера направлены друг на друга.

В этом случае будет наибольший диапазон

обнаружения, а при ортогонально направ-

ленных антеннах обнаружение транспонде-

ра вообще невозможно.

Сложности с ориентацией антенны транс-

пондера можно решить, установив на пе-

чатной плате три взаимноортогональные

антенны. Это увеличивает вероятность то-

го, что в любой момент времени хотя бы од-

на из антенн транспондера будет направле-

на на базу.

Настройка LC�антенн

Как видно из формул (2) и (3), индуци-

рованное напряжение на катушке макси-

мально, когда LC-контур точно настроен на

несущую частоту принимаемого сигнала.

Однако на практике резонансная частота LC-

контура у одинаковых транспондеров мо-

жет быть различна из-за допустимых откло-

нений значений емкостей и индуктивностей

от номинала, а также из-за температурного

и временного дрейфа. Для компенсации

этой ошибки в PIC16F639 в каждом канале

имеется по встроенному конденсатору, ем-

кость каждого из которых может программ-

но задаваться с шагом 1 пФ до значения

63 пФ. За более подробной информацией

можно обратиться к описанию PIC12F635/

PIC16F636/639 (DS41232).

Емкость можно эффективно подобрать по-

средством контроля выходного тока RSSI, ко-

торый пропорционален размаху входного

сигнала. Следовательно, наибольший выход-

ной сигнал RSSI будет наблюдаться при точ-

ной настройке LC-контура на несущую час-

тоту принимаемого сигнала.

Емкость внутреннего конденсатора сумми-

руется с емкостью контура. Таким образом,

резонансная частота LC-контура понижает-

ся с ростом внутренней емкости.

Резервное питание и безбатарейный режим

На практике всегда есть вероятность, что

батарейное питание схемы пропадет, напри-

мер, когда батарея разрядится. В таком слу-

чае, возможна неправильная работа МК, что

может привести к неверному приему или пе-

редаче команд. Для предотвращения такой си-

туации предусмотрена схема резервного пи-

тания, которая способна временно обеспечить

напряжением питания транспондер. Резерв-

ное питание усложняет транспондер, но в не-

которых случаях оно может быть просто не-

обходимо. На рис. 2 компоненты D4, D3 и C1

организуют цепь резервного питания. Пока

батарея подсоединена, конденсатор C1 пол-

ностью заряжается, а в момент ее временно-

го отсоединения снабжает схему электроэнер-

гией за счет накопленного заряда.

В некоторых системах может появиться по-

требность в пассивном транспондере (то есть

работающем без батарейного питания). В та-

ком случае транспондер питается за счет энер-

гии внешнего электромагнитного поля.

На рис. 2 диоды D1, D2, D3 и конденсатор C1

формируют схему питания при безбатарей-

ном режиме. Наведенное на катушку LZ

транспондера напряжение вызывает ток, ко-

торый протекает через диоды D1 и D2. Этот

ток заряжает конденсатор C1, который мо-

жет обеспечить напряжение питания транс-

пондера. Емкость конденсатора C1 в пассив-

ном транспондере составляет от нескольких

микрофарад до нескольких фарад в зависи-

мости от применения.

Алгоритм детектирования НЧ сигнала

На рис. 3 приведен алгоритм детектиро-

вания НЧ сигнала. Программа для МК

(PIC16F639_Basestation.asm) доступна для сво-

бодного скачивания с сайта www.microchip.com.

Схема транспондера

Схема транспондера включает три внеш-

них резонансных LC-контура, 5 кнопок, ре-

зонатор 433,92 МГц для передачи данных на

УВЧ и схему резервного (или безбатарейно-

го) питания.

Рис. 3. Алгоритм детектирования НЧ сигнала транспондером

KiT#68(3).qxd 3/21/2007 4:21 PM Page 48

рубрика компоненты 49

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 '2007

Воздушная рамочная антенна соединена

с выводом LCX, а катушки с ферритовым

стержнем — с LCY и LCZ. Вывод LCCOM-

общий для всех трех антенн. Каждая антен-

на должна быть настроена на несущую час-

тоту базы для улучшения условий приема

сигнала. Для более точной настройки резо-

нансной частоты каждого LC-контура ис-

пользуются встроенные конденсаторы в каж-

дом канале.

При включении питания цифровая часть

программирует регистры конфигурации AFE

посредством SPI (C—

S–

, SCLK/AL—

ER—

T—

, SDIO)

и переходит в энергосберегающий режим.

AFE очень восприимчива к внешним шу-

мам из-за высокой входной чувствительно-

сти (~3 мВ). Следовательно, необходимо по

возможности устранить избыточные шумо-

вые токи по дорожкам печатной платы.

Для этого используются блокировочные кон-

денсаторы, фильтрующие шумы цепей пи-

тания.

Диоды D4 и D3 и конденсатор C1 форми-

руют схему резервного питания. Диоды D1,

D2 и D3 и конденсатор C1 используются для

организации безбатарейного режима. Боль-

шее значение емкости C1 необходимо для ста-

бильной работы в безбатарейном режиме.

Конденсатор C1 заряжается от батареи и от

рамочной антенны через диоды D1 и D2.

За счет запасенной энергии он может времен-

но обеспечить питанием PIC16F639, когда ба-

тарея отсоединяется. Диоды D1 и D2 подклю-

чены к воздушной рамочной антенне, на ко-

торой наводится большее напряжение, чем

на катушках с ферритовым стержнем.

Когда принимается верный входной сиг-

нал, цифровая часть пробуждается и отсыла-

ет ответ, если команда верна.

Транспондер может выслать команду на

базу посредством внутреннего модулятора

(НЧ ответ) или внешнего УВЧ передатчика.

Аналоговые приемные каналы имеют по

встроенному модулятору между входом

(LCX, LCY, LCZ) и выводом LCCOM. Эти

модуляторы включены (модулируя поле, из-

лученное базой) или выключены в соответ-

ствии с командой от цифровой части МК.

База может детектировать изменения поля,

вызванные изменением напряжения на ан-

тенне транспондера, и восстанавливать мо-

дулированный сигнал. Использование тако-

го метода (НЧ ответ) возможно лишь при ма-

лом радиусе действия устройства.

Если требуется работа транспондера на

большом расстоянии, то необходимо исполь-

зовать УВЧ передатчик. УВЧ передатчик

включает в себя резонатор (433,92 МГц) и уси-

литель мощности. Конструктивно УВЧ ан-

тенна является индуктивностью (металличе-

ская дорожка на печатной плате), эффектив-

ность которой значительно возрастает

с увеличением площади, окруженной этой

дорожкой. УВЧ передатчик функционирует,

когда на соответствующих выводах порта

ввода/вывода установлен высокий логичес-

кий уровень сигнала (нажата одна из кнопок),

иначе он выключен. Информационный сиг-

нал модулируется и излучается УВЧ передат-

чиком, а затем восстанавливается УВЧ при-

емником на базе.

Схема базы

На рис. 4 изображен пример схемы НЧ

приемопередающей части базовой станции,

используемой для демонстрационных уст-

ройств и учебных целей.

База включает в себя МК, приемопередат-

чик на 125 кГц и УВЧ приемник.

Задача базы — послать НЧ команду на ча-

стоте 125 кГц и принять ответ от транспон-

дера, находящегося в излученном поле, по-

средством УВЧ или НЧ. Выслав НЧ команду,

база проверяет наличие какого-либо НЧ от-

вета или ВЧ команды.

Передатчик 125 кГц создает сигнал несу-

щей частоты при помощи ШИМ-модуля-

тора МК. Полученный меандр с частотой

125 кГц усиливается драйвером тока U1.

Далее меандр преобразуется в синусоидаль-

ные колебания, поскольку проходит через по-

следовательный колебательный контур, со-

стоящий из L1, C2, C3, C4. При этом катуш-

ка L1 используется как 125-килогерцовая

НЧ антенна.

Рис. 4. Схема НЧ приемопередающей части базы

KiT#68(3).qxd 3/21/2007 4:21 PM Page 49

50 компоненты рубрика

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 '2007

Излучение антенны максимально, когда по-

следовательный колебательный LC-контур на-

строен на частоту ШИМ-сигнала. На резонанс-

ной частоте импеданс LC-контура минимален.

Следовательно, ток нагрузки через L1 макси-

мален, и создаваемое магнитное поле тоже

максимально. Настроить LC-контур можно,

контролируя напряжение на L1. Компоненты,

расположенные после диода D1, используют-

ся для приема НЧ ответа от транспондера.

При наличии НЧ ответа, магнитное поле, со-

зданное транспондером, вызывает изменение

напряжения на L1. Это напряжение отличает-

ся по фазе на 180° от напряжения на этой же

катушке при излучении НЧ команды.

Изменение напряжения на L1 распознается

детектором огибающей и НЧ фильтром, со-

стоящим из диода D1 и конденсатора C5. Де-

тектированная огибающая проходит через ак-

тивные усиливающие фильтры U2A и U2B

и поступает на вход встроенного в МК компа-

ратора для формирования импульсов (сигнал

с выхода компаратора доступен в контроль-

ной точке TP6). Далее он декодируется в МК.

Для приема АМ сигналов 433,92 МГц пред-

назначен модуль УВЧ приемника. Он детек-

тирует УВЧ сигнал транспондера. Цифровой

выходной сигнал с него поступает на МК для

декодирования. Антенна обычно присоеди-

няется к специальной контактной площадке

модуля для стабильного приема сигнала. УВЧ

приемник расположен близко к НЧ передат-

чику, создающему достаточно мощное поле,

являющееся помехой для приема УВЧ отве-

та транспондера. Это требует соответствую-

щих аппаратно-программных мер по филь-

трации шумов.

Базовая станция при обнаружении своего

транспондера может, например, отображать

какую-то информацию на дисплее, опове-

щать звуком, то есть выполнять определен-

ную задачу.

Микропрограммное обеспечение

Все микропрограммное обеспечение, вклю-

чая HTML-документацию на транспондер

и базу, доступны для скачивания в едином

архиве на корпоративном сайте Microchip

(www.microchip.com). Использование памя-

ти в приведенном примере:

транспондер: память программ — 1131 слово;

память данных — 65 байт;

база: память программ — 1178 слов;

память данных — 405 байт.

Следует обратить внимание, что PIC16F639,

кроме AFE и стандартного ядра PIC16, имеет

модуль кодера-декодера KeeLoq, который не

используется в приведенном ПО. Техноло-

гия KeeLoq значительно повышает безопас-

ность системы, обеспечивая защиту от пере-

хвата кода. По вопросам получения права на

использование алгоритма KeeLoq необходи-

мо обратиться в Microchip.

Пример диалога базы с транспондером

приведен на рис. 5.

Для МК PIC16F639 доступен отладочный

комплект Passive Keyless Entry Reference

Design, являющийся демонстрационной пол-

ностью функционирующей PKE-системой.

Он включает брелок (содержащий PIC16F39),

базовую станцию и приемник-декодер. База

излучает сигнал на частоте 125 кГц. Брелок

принимает и декодирует запрос базы. Если

он совпадает с ожидаемым, то брелок высы-

лает сигнал на частоте 432 МГц. Его прини-

мает приемник-декодер и брелок идентифи-

цируется как «свой» или «чужой». Более по-

дробную информацию можно получить

в описании Passive Keyless Entry Reference

Design (APGRD001).

Области применения транспондерных сис-

тем:•• автомобильные иммобилайзеры;•• контроль въезда и выезда автомобилей на

территорию предприятия;•• учет времени нахождения сотрудника

в различных помещениях;•• системы ограничения доступа;•• электронные замки;•• идентификационные системы.

МК PIC16F639 — надежный приемопере-

датчик (транспондер) для создания двуна-

правленного канала связи с высоким уров-

нем безопасности, отличающийся простотой

применения и низкой ценой. Он может быть

использован во всевозможных миниатюр-

ных автоматических дистанционных систе-

мах идентификации и контроля доступа. Кон-

фигурация одной из таких систем изображе-

на на рис. 1. На сайте Microchip доступны для

скачивания примеры микропрограммного

обеспечения на таких систем. Предоставлен-

ная информация может быть модифициро-

вана и использована разработчиками для сво-

их целей. ■

База передает: импульс стабилизации АРУ +

(шаг 1) сигнал, пробуждающий МК +

8 бит (команда идентификации) +

1 бит четности +

1 стоп-бит

Транспондер передает: заголовок +

(шаг 2) 32 бита (идентификация) +

4 бита четности

База передает: импульс стабилизации АРУ +

(шаг 3) сигнал, пробуждающий МК +

8 бит (команда

для запроса опознавания) +

32 бита (запрос) +

5 битов четности +

46 стоп-битов

Транспондер передает: заголовок +

(шаг 4) 32 бита (ответ) +

4 бита четности (36 битов)

База: отображает информацию на дисплее,

подает звуковой сигнал

или выполняет

(шаг 5) другое назначенное задание.

Рис. 5. Пример диалога базы с транспондером

KiT#68(3).qxd 3/21/2007 4:21 PM Page 50