一款針對汽車PEPS系統的方案設計與實現

一款針對汽車PEPS系統的方案設計與實現

秩名 發表於 2013-09-30 13:57:12

　　1.引言

　　汽車PEPS系統在車輛的無線進入應用中正迅速成為最具代表性的方案之一，所謂PEPS，是 Passive Entry & PassiveStart的縮寫，意為無鑰匙進入與無鑰匙啟動系統，它採用先進的RFID無線射頻技術和車輛身份編碼識別系統，徹底改變了汽車安全防盜應用領域的發展前景，並給用戶帶來了便利、舒適的全新駕車體驗。

　　下文將從系統功能、工作原理及系統方案的設計與實現等方面，介紹分析這一集安全性與舒適性於一身的PEPS系統。

　　2.PEPS系統簡介

　　對於一輛配備PEPS系統的汽車而言，駕駛者無需按動智能鑰匙上的遙控按鍵或是將鑰匙插拔鎖芯，就可以完成開啟車門和啟動車輛引擎的操作，而前提僅是隨身攜帶智能鑰匙並按下把手上的觸發按鍵或一鍵啟動按鍵即可。在車輛的防盜安全方面，智能鑰匙與 PEPS基站間複雜的雙向身份認證過程相比上一代的遙控鑰匙進入（RKE）系統也有了本質的提升。

　　3.PEPS系統的工作原理與認證流程

　　從系統功能的角度劃分，PEPS系統可分為兩大部分，分為PE無鑰匙進入部分與PS無鑰匙啟動部分，分別代表了駕駛者在進入車輛前與進入車輛後的兩個階段。

　　但若從系統工作原理的角度出發，兩者卻是極其相似的。簡單來說，無論是PE還是PS系統，均是通過低頻天線來探測智能鑰匙與車身基站（即PEPS ECU，下稱ECU）間的相對位置，並通過高、低頻信號（高頻433.92MHz，低頻125KHz）在ECU與智能鑰匙間建立起有效的雙向交互通訊，根據ECU對智能鑰匙進行的身份驗證結果，決定是否打開門鎖（PE系統）或是啟動車輛引擎（PS系統）。

　　在上述智能鑰匙與ECU間的雙向身份驗證過程中，低頻信號喚醒及高頻信號認證不僅是決定車輛防盜安全性能的關鍵，更是決定PEPS系統性能優劣的關鍵元素之一。所謂低頻信號喚醒，以PE系統為例，是指當駕駛者給予PEPS系統一個觸發信號時，ECU會從睡眠狀態切換至工作狀態，並通過低頻天線向智能鑰匙發送一條鑰匙喚醒報文，當鑰匙通過自身的低頻天線收到此報文後，將通過自身的智能晶片對報文進行驗證，如驗證結果與鑰匙存儲的數據相匹配，智能鑰匙則被喚醒；而高頻信號驗證則是指在智能鑰匙被喚醒後，會將自身的ID身份碼以高頻信號的形式發送給 ECU，若ECU識別出此ID號與自身系統的鑰匙編碼相匹配時，就會通過低頻信號向智能鑰匙發送驗證碼，收到驗證碼的智能鑰匙會通過特定的跳轉碼算法，對該驗證碼進行數據加密，並將加密結果通過高頻信號發回ECU.後者會將收到的加密數據與自身的計算結果進行比對，如兩者匹配，就會將相應的操作指令通過 CAN總線發送給BCM，由後者完成解鎖門鎖或是打開後備箱的操作。

　　雖說上述的認證過程非常繁複，但憑藉智能晶片的高速運算能力，整個認證過程在實際應用中僅需耗費幾十毫秒，所以對用戶而言是不會產生任何遲滯的感覺的。圖1所示為上述認證過程的工作流程圖。

　　

　　4.PEPS系統的方案設計

　　本次設計的PEPS系統共包含了如下組件：PEPS ECU、BCM、智能鑰匙、電子門把手、低頻天線、一鍵啟動按鍵、電子立柱鎖以及後備箱按鍵。各組件在車身上的安裝位置如圖2所示，下面對各組件的基本功能及設計原理作一簡單的介紹。

　　

　　4.1 PEPS ECU

　　PEPS ECU是Electronic ControlUnit的縮寫，意為電子控制單元，是PEPS系統的核心組件，功能是對智能鑰匙進行身份識別，若鑰匙合法，則通過CAN總線將相應的操作指令發送給BCM或EMS，由兩者執行後續的操作；若鑰匙非法，ECU則會進入睡眠模式，拒絕這把鑰匙所發送的後續操作請求。

　　4.2 BCM

　　BCM是Body Control Module的縮寫，意為車身控制單元，是集成車身燈、門、窗及防盜功能的控制模塊。在PEPS系統中，BCM通過CAN總線與ECU相連，根據後者提供的指令完成對車門、車窗及車燈的控制。

　　4.3 智能鑰匙

　　智能鑰匙在工作時會與E C U建立起高、低頻雙向通訊，在通過一系列的身份認證後，就可以解鎖車門或啟動引擎。在整個過程中，駕駛者無需對鑰匙進行任何操作而只需隨身攜帶即可，這也是無鑰匙系統的命名由來。

　　4.4 電子門把手

　　電子門把手內置低頻天線及微動（或感應）開關，天線用來探測鑰匙位置，開關用來喚醒PEPS系統，令其從睡眠模式切換到工作模式。

　　4.5 低頻天線

　　低頻天線能向以自身為中心，半徑為1.5m的球形空間內發送125KHz的低頻信號，用來探測智能鑰匙與各低頻天線間的相對位置，並將測得的鑰匙坐標傳送給ECU.後者會根據鑰匙的當前坐標值，判定是否執行開啟車門以及啟動車輛引擎的後續操作。

　　4.6 一鍵啟動按鍵

　　通過按鍵動作並配合剎車（自動檔）或離合器（手動檔）的當前工作狀態，將點火裝置在ACC、ON、START及OFF四檔間循環切換。一鍵啟動按鍵可以免去駕駛者將鑰匙插入點火鎖芯，再扭轉鑰匙啟動引擎，極大地簡化了駕駛者的操作。

　　4.7 電子立柱鎖

　　電子立柱鎖通過內置的小型電機驅動鎖舌的伸縮動作，實現轉向管柱的閉鎖/解鎖功能。由於控制鎖舌運動的小型電機是由PEPS系統統籌控制的，所以在安全性上電子立柱鎖較傳統的機械立柱鎖更為安全可靠。

　　4.8 後備箱按鍵

　　按動後備箱按鍵，裝配在後保險槓位置上的低頻天線將探測智能鑰匙的當前位置，如滿足解鎖條件，PEPS ECU會命令BCM解鎖後備箱，簡化了駕駛者插拔鑰匙解鎖的操作。

　　5.PEPS系統的區域探測與鑰匙定位技術的實現

　　PEPS系統共有三個檢測判斷區域，分別為灰色的車外區域，紅色的車內區域以及灰白色的主駕區域，如圖3所示。

　　

　　灰色的車外區域共有三個部分，分為主駕、副駕和後備箱探測區域。當駕駛者攜帶智能鑰匙進入這些區域並給予觸發信號時，ECU會與智能鑰匙建立高、低頻雙向通訊，通過低頻信號的場強檢測，判斷出智能鑰匙的當前位置，再通過鑰匙反饋的高頻信號驗證鑰匙身份，來決定是否解鎖車門或後備箱；紅色的車內探測區域則是整個PEPS系統設計的重點與難點，這是因為PEPS系統需要精確地判斷出智能鑰匙是否在車內，來判定車門的鎖止狀態是否正確並決定引擎是否可以啟動，兩者都是與行車安全息息相關的重中之重，所以該區域的表現會直接影響PEPS系統的性能優劣；而在大部分中、高級車型中，PEPS系統還會檢測灰白色的主駕區域，冗餘判斷鑰匙是否有效、主駕位置是否有人，以避免諸如兒童誤操作等所導致的安全隱患。

　　綜上所述，我們可以發現在汽車PEPS系統中，區域檢測是一個非常重要且區別於以往汽車安防的技術，其鑰匙位置的檢測精度就成為衡量一個PEPS系統優良與否的重要參數之一。目前，市場上主要有兩種技術方案用來提升鑰匙位置的檢測精度，其一是通過調節低頻信號的靈敏度對智能鑰匙的位置進行模糊判斷，其特點是精度有限但實現方便；其二是根據低頻信號的強弱程度來計算智能鑰匙與車內低頻天線的相對距離，再通過多根低頻天線的交叉覆蓋，精確定位出智能鑰匙的具體位置，稱為RSSI（Received SignalStrength Indication）技術，本次設計的PEPS系統就是採用了上述第二種方法，故在車內內置了兩根低頻天線用以交叉定位鑰匙的精確位置。

　　6.結束語

　　目前，PEPS系統在國內汽車行業還處於起步階段。相比寶馬、奔馳等國外一線品牌，我國自主研發的 PEPS系統還存在著一定的差距。隨著中國車市的發展以及人們對車輛要求的不斷提升，一套品質優良的PEPS系統勢必成為左右車輛是否熱賣的關鍵因素之一，所以在PEPS系統還未普及的今天，研發出一套自主品牌的PEPS系統正被越來越多的國內整車廠視為一個勢在必行的戰略方針。通過研究和分析汽車 PEPS系統工作原理及工作流程，將為自主研發PEPS系統打下堅實的基礎，同時也為優化汽車PEPS系統提供了可能。

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