◆梁瑞雪 歐陽喜

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汽車無鑰匙啟動控制器的研究

◆梁瑞雪 歐陽喜

（中國人民解放軍信息工程大學 河南 450002）

汽車無鑰匙進入系統(tǒng)（Passive Entry and Passive start, PEPS）系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了先進的RFID無線射頻技術和車輛身份編碼識別系統(tǒng)，率先應用小型化、小功率射頻天線的開發(fā)方案，成功融合了遙控系統(tǒng)和無鑰匙系統(tǒng)，沿用了傳統(tǒng)的整車電路保護，真正的實現(xiàn)雙重射頻系統(tǒng)、雙重防盜保護，為車主最大限度的提供便利和安全。

PEPS；無鑰匙啟動；無鑰匙進入；智能鑰匙

0 引言

無鑰匙啟動系統(tǒng)也被稱為智能進入和智能啟動（Passive Entry and Passive start）系統(tǒng)（下文簡稱PEPS系統(tǒng)），它允許用戶在不直接操作鑰匙的情況下，對汽車門及后備箱進行解、閉鎖操作和啟動引擎。當用戶手捧東西不方便拿出鑰匙進行遙控解鎖時，無鑰匙啟動系統(tǒng)為用戶提供便利，在用戶靠近車輛時，自動將車門解鎖，用戶進入車內后，只需按動啟動開關，就可以啟動車輛，整個過程（進門和啟動）都不再需要用戶拿出或直接操作鑰匙。當用戶要離開車輛時，無鑰匙啟動系統(tǒng)也不再需要用戶再操作鑰匙進行鎖車，而會根據(jù)用戶離開車輛的距離自動將車門上鎖，避免了用戶因忘記鎖車而丟失財物的風險，在提供便捷的同時也提高了車輛的防盜性能。

1 PEPS系統(tǒng)架構

PEPS（一鍵起動控制器）包括智能起動控制器、室內低頻天線、一鍵起動開關、智能鑰匙和電子轉向柱鎖等。駕駛員攜帶智能鑰匙進入車輛后，踩下制動踏板，按壓起動按鈕即可起動車輛。系統(tǒng)的架構（圖1）如下所示：

圖1 PEPS系統(tǒng)架構框圖

2 智能鑰匙認證功能

智能鑰匙認證分為兩種模式：正常認證模式和備用IMMO認證模式。

2.1 正常認證模式

智能鑰匙在不饋電的情況下，一鍵啟動控制器通過低頻激勵信號對智能鑰匙進行身份識別，同時在識別的過程中判斷智能鑰匙是否在車內。正常模式下智能鑰匙認證原理如下圖所示：

圖 2 智能鑰匙認證過程示意圖

認證過程分為以下幾個步驟：

（1）駕駛員進入車輛，按下起動開關并踩下剎車踏板，一鍵起動控制器采集到其中一個信號后，啟動鑰匙身份認證流程。

（2）一鍵啟動控制器驅動駕駛室內的低頻LF天線激勵智能鑰匙，并發(fā)出認證隨機數(shù)。

（3）智能鑰匙收到低頻激勵信號后，將收到的隨機數(shù)進行加密后通過高頻發(fā)送給一鍵啟動控制器。

（4）一鍵啟動控制器檢測收到的加密結果是否正確，根據(jù)激勵信號強度判斷智能鑰匙是否在車內。如果加密結果正確且智能鑰匙在車內，說明智能鑰匙身份識別成功，進入后續(xù)一鍵啟動流程。否則認為智能鑰匙身份識別失敗，解除一鍵啟動流程。

2.2 備用IMMO認證模式

備用IMMO認證模式指智能鑰匙饋電的情況下，一鍵啟動控制器無法通過低頻激勵方式進行鑰匙身份識別，無法實現(xiàn)正常模式中（3）和（4）步驟。這時一鍵啟動控制器將切換到備用IMMO認證模式。用戶將智能鑰匙貼近一鍵啟動開關，一鍵啟動控制器通過一鍵啟動開關上的IMMO防盜線圈對智能鑰匙身份進行識別。

圖 3 智能鑰匙備用 IMMO 認證原理圖

認證過程分為以下幾個步驟：

（1）駕駛員進入車輛，按下起動開關或者踩下剎車踏板，一鍵啟動控制器采集到這兩個信號后，啟動鑰匙身份認證流程，在正常模式識別鑰匙失敗后，啟動備用IMMO認證模式。

（2）一鍵啟動控制器驅動一鍵啟動開關上的防盜線圈激勵智能鑰匙，并發(fā)出認證隨機數(shù)。

（3）智能鑰匙收到低頻激勵信號后，將收到的隨機數(shù)進行加密后，通過一鍵啟動開關上的防盜線圈將加密結果反饋給一鍵啟動控制器。

（4）一鍵啟動控制器檢測收到的加密結果是否正確。如果加密結果正確，進入后續(xù)一鍵啟動流程。否則認為智能鑰匙身份識別失敗，解除一鍵啟動流程。

3 一鍵啟動開關控制

一鍵啟動開關是一個雙觸點按壓自動回位式開關，其發(fā)動機啟動開關與一鍵啟動控制器及 BCM 的連接原理如下圖所示：

圖 4 啟動按鈕控制原理圖

啟動按鈕檢測兩個觸點有任一觸點有效時，則認為啟動按鈕被按下。

啟動按鈕背光控制：

（1）背光指示燈：用于對發(fā)動機起動開關的背光照明。該背光指示燈的亮滅由BCM控制，與室內小燈控制一致。

（2）啟動狀態(tài)指示燈：該指示燈狀態(tài)分綠色和紅色兩種狀態(tài)，當指示燈狀態(tài)為綠色表示發(fā)動機處于可啟動狀態(tài)；當指示燈狀態(tài)為紅色表示發(fā)動機此時處于不可啟動狀態(tài)。在變速箱檔位處于P檔或N檔的條件下，當踩下剎車踏板或按下啟動開關，一鍵起動控制器進行鑰匙認證。鑰匙認證通過，該指示燈狀態(tài)為綠色，若鑰匙認證失敗該指示燈狀態(tài)為紅色（指示燈常亮3秒鐘后熄滅）。若變速箱處于非P/N檔，即使智能鑰匙認證通過，指示燈仍亮成紅色，表示發(fā)動機處于不可啟動狀態(tài)。

（3）檔位指示燈：一鍵啟動控制器控制檔位指示燈，指示當前的點火開關所處的檔位狀態(tài)（只有ACC、ON帶有檔位指示燈）。

4 發(fā)動機起動流程

在滿足電源狀態(tài)切換策略和切換邏輯要求下，發(fā)動機起啟動流程如下：

（1）駕駛員進入車輛，將擋位置為P擋或者N擋，踩下剎車踏板并按下啟動開關；

（2）一鍵啟動控制器驅動駕駛室內的低頻LF天線激勵智能鑰匙進行身份識別，如果正常認證模式失敗將進行備用IMMO認證模式；

（3）智能鑰匙鑰匙身份識別成功且判斷鑰匙處于車內后，進行ESCL解鎖操作，同時將PDM置為ON狀態(tài)，完成于EMS的發(fā)動機防盜認證；

（4）ESCL解鎖成功且發(fā)動機防盜認證通過后，一鍵啟動控制器同時通過CAN總線和硬線發(fā)出啟動請求信號；

（5）EMS接收到啟動請求信號后，執(zhí)行發(fā)動機啟動流程，并將起動結果反饋給一鍵啟動控制器。

5 轉向柱鎖控制

ESCL控制原理如下圖所示，ESCL鎖控制器接受一鍵啟動控制器和BCM聯(lián)合控制，由BCM控制ESCL的接地引腳。一鍵啟動控制器與電子轉向鎖通過K線相連接，一鍵啟動控制器為主節(jié)電，ESCL為從節(jié)點。

圖5 轉向柱鎖控制原理圖

5.1 解鎖條件

當點火開關的檔位由LOCK檔向ACC/ON/START檔切換時，一鍵啟動控制器首先識別遙控器的合法性后，如果ESCL的狀態(tài)為閉鎖，通知BCM為ESCL供電，然后一鍵啟動控制器向點火鎖發(fā)送解鎖指令。

5.2 閉鎖條件（任一條件滿足即可）

（1）一鍵啟動控制器檢測司機門鎖的狀態(tài)。當點火繼電器檔位處于LOCK檔，并且門鎖發(fā)生鎖車操作時，一鍵啟動控制器執(zhí)行閉鎖操作。

（2）當點火繼電器檔位處于LOCK檔時，一鍵啟動控制器通過CAN總線從車門控制器獲得司機門門碰開關的狀態(tài)，當收到司機門門碰開關的狀態(tài)發(fā)生切換時，一鍵啟動控制器執(zhí)行閉鎖操作。若轉向柱鎖當前已處于閉鎖狀態(tài)，則不執(zhí)行閉鎖操作。

（3）電源狀態(tài)切換為OFF后10分鐘后，轉向柱鎖的狀態(tài)仍為解鎖狀態(tài)。

5.3 解/閉鎖工作過程

當需要進行轉向柱的解/閉鎖操作時，系統(tǒng)的工作過程描述如下；

（1）首先，一鍵起啟動制器和BCM給ESCL的+B引腳和GND引腳供電；

（2）一鍵啟動控制器與ESCL進行K線通訊，發(fā)出“解/閉鎖轉向柱”的控制指令；

（3）ESCL執(zhí)行解/閉鎖轉向柱動作；

（4）ESCL將鎖舌位置傳感器的反饋信息通過硬線及總線傳遞給一鍵啟動控制器；

（5）一鍵啟動控制器接收到鎖舌位置確認信息后，可以進行后續(xù)操作。

出于安全性的考慮，一鍵啟動控制器在控制電子轉向鎖時安全性條件如下：

（1）一鍵啟動控制器與BCM僅在需要解/閉鎖轉向柱時，才對電子轉向鎖供電，其它時間不供電；

（2）供電時間為1.5S；

（3）鎖舌位置傳感器通過硬線和總線同時反饋給一鍵啟動控制器。

6 發(fā)動機防盜認證

發(fā)動機防盜認證流程如下：

（1）PEPS控制器將IG1上電后，EMS通過CAN總線主動發(fā)送認證請求報文，報文中包含4個字節(jié)的隨機數(shù)種子Random；

（2）PEPS控制器收到隨機數(shù)種子Random后，將它和EMS_SK共同經(jīng)過加密算法得到4個字節(jié)的加密結果Res_PEPS，并將加密結果Res_PEPS返回給EMS；若EMS未接收到PEPS發(fā)送的加密結果，則EMS將重新產(chǎn)生隨機數(shù)種子發(fā)送給PEPS，間隔周期100ms，最多重試5次；

（3）EMS收到加密結果Res_PEPS后，將之前產(chǎn)生的Random和EMS_SK共同經(jīng)過加密算法得到4字節(jié)的加密結果Res_EMS。比較Res_EMS和Res_PEPS，如果相同說明通過認證，并將認證的結果返回給PEPS控制器；如果結果不一致則EMS重新產(chǎn)生隨機數(shù)種子Random發(fā)送給PEPS，重試1次，若比較加密結果仍然不一致，則說明認證不通過，同時將此結果返回給PEPS控制器；

（4）PEPS判斷ESCL已解鎖且變速箱檔位處于P/N檔、剎車踩下，則PEPS發(fā)送啟動請求信號（CAN和硬線同時發(fā)送，CAN間隔周期100ms，當超時1000ms、或者接收到EMS 的啟動允許信號、或者防盜認證失敗時，停止發(fā)送啟動請求）。啟動請求信號發(fā)出超時 1000ms未收到EMS的啟動允許信號，則 PEPS認為啟動失?。?/p>

（5）EMS接收到PEPS的啟動請求且防盜認證成功，兩個條件同時滿足，則EMS周期發(fā)送啟動允許信號，間隔 00ms，期間執(zhí)行引擎啟動，若引擎啟動完成則重復發(fā)送2幀啟動完成報文，間隔100ms；若啟動失敗則退出；

（6）PEPS收到啟動允許信號后，等待EMS的啟動完成信號，超時2500ms未收到，則認為啟動失敗。

發(fā)動機防盜認證故障提醒功能流程如下：

（1）IG ON之后，EMS立即發(fā)送隨機數(shù)種子，如果PEPS超過1000ms 未接收到EMS發(fā)送的隨機數(shù)，則認為EMS故障；PEPS起動請求波形發(fā)出1000ms 后，若沒有收到EMS發(fā)送的啟動允許信號，則認為啟動失效；

（2）EMS發(fā)送隨機數(shù)種子后，100ms內未收到PEPS的響應報文，則重新產(chǎn)生隨機數(shù)種子重試認證，最多重試5次后，EMS將不再發(fā)送認證請求信息；

（3）當EMS收到PEPS控制器的加密結果錯誤反饋后，EMS重新產(chǎn)生隨機數(shù)重試認證1次，時間間隔為100ms；

（4）發(fā)動機防盜認證通過后，若PEPS控制器未收到認證通過信號，但收到EMS發(fā)出的啟動允許信號，PEPS控制器同樣認為發(fā)動機防盜認證通過；

（5）PEPS控制器啟動請求的信號發(fā)出1000ms后，若沒有收到EMS發(fā)送的起動允許信號，則認為本次起動失效；

（6）EMS只有當兩種條件（條件A：發(fā)動機防盜認證通過，條件B：收到PEPS 控制器的有效啟動請求信號）同時有效時，才會進入發(fā)動機啟動流程。

7 遙控解閉鎖信號的接收

電源狀態(tài)為OFF檔時，觸發(fā)智能鑰匙上的遙控閉鎖按鍵，一鍵啟動控制器接收到遙控閉鎖射頻信號后，通過CAN總線向左車門控制器發(fā)送“遙控閉鎖”CAN報文。電源狀態(tài)為OFF檔時，觸發(fā)智能鑰匙上的遙控解鎖按鍵，一鍵啟動控制器接收到遙控解鎖射頻信號后，通過CAN總線向左車門控制器發(fā)送“遙控解鎖”CAN報文。電源狀態(tài)為OFF檔時，觸發(fā)智能鑰匙上的遙控行李箱開啟按鍵，一鍵啟動控制器接收到遙控解鎖射頻信號后，通過CAN總線向后BCM發(fā)出“遙控行李箱解鎖”信號。

8 故障與提示功能

8.1 發(fā)動機防盜認證失敗提示功能

發(fā)動機防盜認證失敗時發(fā)送“發(fā)動機防盜認證失敗”報文，儀表顯示“發(fā)動機防盜認證失敗”故障信息，當發(fā)動機認證成功時發(fā)送“發(fā)動機防盜認證成功”報文。當滿足如下3個條件中任一條件時停止提示：

（1）EMS 認證成功；

（2）提示時間超過 10s；

（3）電源檔位切換到 OFF。

8.2 啟用備用IMMO認證提示功能

智能鑰匙認證時，開始利用低頻天線尋鑰匙但沒有找到有效鑰匙，需要起動備用IMMO認證時一鍵啟動控制器通過CAN發(fā)送報警信息，儀表文字顯示“車內無有效鑰匙，將鑰匙接近起動開關”。當滿足如下2個條件中任一條件時停止提示：

（1）鑰匙認證成功（低頻天線或者IMMO認證）；

（2）停止按壓一鍵啟動開關并且制動踏板未被踩下。若提示時間＜3s，提示3s后停止提示；若提示時間≥3s，按一鍵啟動開關觸發(fā)或制動踏板被踩下的時間顯示。

8.3 智能鑰匙離開提示功能

當電源在ACC檔或者在ON檔或者發(fā)動機在運轉狀態(tài)時，打開任意車門或關閉最后一個車門后，一鍵啟動控制器掃描鑰匙是否在車內。當打開任意車門時，每隔3S尋一次鑰匙，重復3次；車門關閉后，尋一次鑰匙。如沒找到鑰匙，一鍵啟動控制器每3s尋一次鑰匙。一鍵啟動控制器通過CAN向儀表發(fā)報警信息，儀表文字顯示“鑰匙不在車內”，并伴有“?！币宦暵曇魣缶?。當智能鑰匙在車內被找到或者整車電源狀態(tài)為OFF時，停止尋找鑰匙并且停止報警。如果電源狀態(tài)為ON檔且沒有找到有效鑰匙時，5分鐘后停止尋找鑰匙。

8.4 智能鑰匙低電量提示功能

當接收到已進行ID匹配的智能鑰匙所發(fā)送的高頻報文時，如果報文中的同一把智能鑰匙低電量提醒信息連續(xù)有效超過8次，一鍵起動控制器通過CAN發(fā)送智能鑰匙低電量提示信息。同時儀表顯示“智能鑰匙電量不足”提示。只要收到1次電壓正常數(shù)據(jù)或者電源狀態(tài)不是IG_ON時，停止發(fā)送鑰匙低電量提示命令。

8.5 ESCL解鎖失敗提示功能

當對ESCL解鎖操作時，檢測到ESCL解鎖失敗，一鍵啟動控制器通過CAN線發(fā)送ESCL解鎖失敗提示信息，儀表接收到CAN報文后顯示“ESCL解鎖失敗”，并伴有“?！币宦暵曇魣缶．敐M足如下條件中任一條件時停止提示：

（1）檢測到 ESCL 解鎖成功；

（2）提示超時 10S；

（3）電源檔位切換到 OFF。

8.6 ESCL閉鎖失敗提示功能

當對ESCL閉鎖操作時，檢測到ESCL閉鎖失敗，一鍵啟動控制器在CAN線發(fā)送ESCL閉鎖失敗提示信息，儀表接收到CAN報文后顯示“ESCL閉鎖失敗”，并伴有“?！币宦暵曇魣缶?。

當滿足如下條件中任一條件時停止提示：

（1）檢測到 ESCL 閉鎖成功；

（2）提示超時 10S；

（3）電源檔位切換到 OFF。

8.7 起動按鈕故障提示功能

當某一開關觸點持續(xù)有效時間超過1分鐘或者兩觸點出現(xiàn)狀態(tài)不一致連續(xù)超過 5 次時，PEPS控制通過CAN總線發(fā)送啟動按鈕故障提示信息。當采集到正確的開關信號時停止提示。

8.8 制動踏板未踩下提示功能

電源從OFF到ACC兩次且期間發(fā)動機沒有啟動一鍵啟動控制器通過CAN向儀表發(fā)送報警信息。儀表顯示文字“啟動發(fā)動機時，請踩下制動踏板”。儀表收到報警信息若持續(xù)小于3s，儀表完成顯示3s；若≥3s，按一鍵啟動控制器發(fā)的時間顯示，報警時間超過 10s或電源由ACC切換到ON時停止。

9 總結

目前雖然PEPS系統(tǒng)的安全性和便捷性已經(jīng)有了很大的提高，但是仍存在一些技術漏洞。例如在電磁干擾很強的環(huán)境下（如手機、基站、變電站、電視塔），汽車進入防盜狀態(tài)會受到干擾，從而使駕駛者誤以為已成功開啟防盜狀態(tài)而離開；系統(tǒng)的電磁波可能影響植入心臟起搏器、心臟去纖顫器及其它電子醫(yī)療器械的使用，從而給乘客帶來危險。因此，PEPS系統(tǒng)仍需要進一步的研究和開發(fā)。

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