射頻解決方案在汽車市場中的應用

2015-05-08 來源:互聯網 我要評論(0) 字號:

簡介:本文主要探討各種可用的無線網絡選項和必須在應用過程中解決的局限性,旨在為設計師提供一些選擇工業應用的無線網絡時所需的實用信息。

以無線方式發送數據的方法有很多。從遙控無鑰匙進入(RKE)和車庫開門裝置(GDO)等簡單命令和控制方案到WLAN,您有很多種選擇。本文主要探討各種可用的無線網絡選項和必須在應用過程中解決的局限性,旨在為設計師提供一些選擇工業應用的無線網絡時所需的實用信息。

用于汽車車門的上鎖和解鎖的RKE系統就是簡單命令和控制應用的一個典型例子。在RKE應用中,命令從遙控鑰匙發送到汽車接收器上。車門會上鎖和解鎖,以回應正確收到的命令。

就理論而言,相似車型的接收器也可接受從任何相似型號的遙控鑰匙中發送的封包,但車輛僅會接受從唯一匹配的遙控鑰匙所發出的命令。通常會使用滾動碼產生器和安全加密等協定,從遙控鑰匙將唯一識別碼傳輸到汽車上。如此一來,您的遙控鑰匙便無法對您的朋友的類似車款解鎖,反之亦然,這樣可確保安全性。

以汽車RKE為例,遙控鑰匙操作員通常能聽到上鎖的聲音。如果沒有聽到這種“上鎖”聲,操作員只需再按一次該按鈕。透過這種方式,人機互動就完成了RKE例子中的回饋回路。如果您沒有聽到車門解鎖的聲音,只需重新按下按鈕,直至聽到為止。

遙控無鑰匙進入(RKE)應用

圖1.遙控無鑰匙進入(RKE)應用

許多任務業應用都需要傳輸命令和控制類型的數據。例如,將感應器的溫度指示發送到主機。工業應用和RKE的差異在于,前者無需人來確認是否實際收到溫度指示。

確認數據是否收到的前提條件是必須存在雙向網絡。隨著參與數據傳輸的驅動器、交換機和電機的需求量增多,系統的復雜程度也會立即增加。因此,工業網絡通常不會使用簡單的單向RKE網絡,因為需要確認已發送的數據是否真正送達。

基本上,工業無線解決方案的每個節點都包含一個微控制器。這種微控制器會與溫度感應器和驅動器之類的實體設備連接,以對這些設備進行數據讀取或寫入。同時,這種微控制器還需負責管理射頻網絡協定。該協定的選擇取決于多種因素。傳輸范圍、數據速率、功耗和網絡協定堆疊的復雜性等都是判斷哪種解決方案的效果最佳的因素。

ZigBee最近受到了大量關注。做為一個標準網絡,ZigBee或802.15.4在剛開始時對許多低功率、低數據速率的無線通信應用而言是一個不錯的選擇。但是,它真的適合所有應用嗎?答案當然不是。在某些情況下,對于高數據速率的通信而言,802.11 WLAN才是天衣無縫的搭配。類似地,有些應用需要的是更遠的傳輸范圍和更長的電池壽命。簡言之,特定的架構原因決定了特定應用所需的無線網絡類型。

在無線網絡中,數據速率的提升也會帶動系統資源相應增加。以802.11 WLAN為例,部署網絡所需的功耗和代碼長度決定了這些協議不適合大部分嵌入式應用。一個典型的802.11 WLAN節點需要1MB的程序記憶體和功能更強大的處理器才能部署單一功能節點。

不同射頻網絡所需的系統資源

圖2.不同射頻網絡所需的系統資源

藍牙是另一種經常在工業應用中被提及的選擇。但藍牙的傳輸范圍(短)和代碼需求(稍大)及其本身為點到點通信方案等事實,使其被排除在工業射頻應用的選擇范圍外。

那專用網絡呢?專用網絡是指獨立于標準網絡運作的網絡。這種網絡的頻帶通常為915MHz ISM(工業、科學和醫學)和2.4GHz。在命令和控制類型的應用中,有時也會使用315MHz或433MHz的頻帶。當地法規要求通常會規定可以使用的頻率類型。

做為以空氣傳輸的射頻信號,其功率的降低速度與傳輸距離成反比,與頻率成正比。

除了在自由空間的路徑損耗外,信號在傳輸過程中還會受到建筑物、植物和其他物體的阻擋而進一步衰減。其他因素(例如,多重路徑和信號散射等)也會影響接收器對所接收的射頻信號的解碼效果。其他路徑損耗模型(例如,Hata模型)還需考慮天線的離地距離和市區影響的損耗,這些模型是路徑損耗更為真實的顯示。在多數應用中,實際的路徑損耗值比圖3所示的數據高得多。有趣的是,如果頻率增加,路徑損耗也會增加。這就是為什么2.4GHz系統的傳輸范圍要比同等的915MHz或433MHz系統更小的原因之一。

射頻工程中常用的一個經驗法則是:鏈路預算每增加6dB,傳輸距離將增加約一倍。只要謹記此法則,即可容易能算出915MHz系統的傳輸距離同等于2.4GHz系統的兩倍以上。同理,433MHz系統的傳輸距離也是915MHz系統的兩倍。因此,頻率較低的系統可進行更長距離的數據傳輸。

在為工業網絡選擇頻率和調變類型時,數據速率也是一大關鍵要素。如前所述,以低功率運作小型軟體堆疊的專用網絡是遠端溫度監控和驅動等應用的最佳選擇。設計師可依預期應用自訂封包,借此大幅簡化這些網絡。

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