一種針對汽車PEPS系統(tǒng)的方案設(shè)計與實現(xiàn)

1.引言

汽車PEPS系統(tǒng)在車輛的無線進(jìn)入應(yīng)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(jìn)入與無鑰匙啟動系統(tǒng)，它采用先進(jìn)的RFID無線射頻技術(shù)和車輛身份編碼識別系統(tǒng)，徹底改變了汽車安全防盜應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景，并給用戶帶來了便利、舒適的全新駕車體驗。

下文將從系統(tǒng)功能、工作原理及系統(tǒng)方案的設(shè)計與實現(xiàn)等方面，介紹分析這一集安全性與舒適性于一身的PEPS系統(tǒng)。

2.PEPS系統(tǒng)簡介

對于一輛配備PEPS系統(tǒng)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并按下把手上的觸發(fā)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基站間復(fù)雜的雙向身份認(rèn)證過程相比上一代的遙控鑰匙進(jìn)入(RKE)系統(tǒng)也有了本質(zhì)的提升。

3.PEPS系統(tǒng)的工作原理與認(rèn)證流程

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

但若從系統(tǒng)工作原理的角度出發(fā)，兩者卻是極其相似的。簡單來說，無論是PE還是PS系統(tǒng)，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，并通過高、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(jù)ECU對智能鑰匙進(jìn)行的身份驗證結(jié)果，決定是否打開門鎖(PE系統(tǒng))或是啟動車輛引擎(PS系統(tǒng))。

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(rèn)證不僅是決定車輛防盜安全性能的關(guān)鍵，更是決定PEPS系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵元素之一。所謂低頻信號喚醒，以PE系統(tǒng)為例，是指當(dāng)駕駛者給予PEPS系統(tǒng)一個觸發(fā)信號時，ECU會從睡眠狀態(tài)切換至工作狀態(tài)，并通過低頻天線向智能鑰匙發(fā)送一條鑰匙喚醒報文，當(dāng)鑰匙通過自身的低頻天線收到此報文后，將通過自身的智能芯片對報文進(jìn)行驗證，如驗證結(jié)果與鑰匙存儲的數(shù)據(jù)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后，會將自身的ID身份碼以高頻信號的形式發(fā)送給ECU,若ECU識別出此ID號與自身系統(tǒng)的鑰匙編碼相匹配時，就會通過低頻信號向智能鑰匙發(fā)送驗證碼，收到驗證碼的智能鑰匙會通過特定的跳轉(zhuǎn)碼算法，對該驗證碼進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，并將加密結(jié)果通過高頻信號發(fā)回ECU.后者會將收到的加密數(shù)據(jù)與自身的計算結(jié)果進(jìn)行比對，如兩者匹配，就會將相應(yīng)的操作指令通過CAN總線發(fā)送給BCM,由后者完成解鎖門鎖或是打開后備箱的操作。

雖說上述的認(rèn)證過程非常繁復(fù)，但憑借智能芯片的高速運(yùn)算能力，整個認(rèn)證過程在實際應(yīng)用中僅需耗費(fèi)幾十毫秒，所以對用戶而言是不會產(chǎn)生任何遲滯的感覺的。圖1所示為上述認(rèn)證過程的工作流程圖。

4.PEPS系統(tǒng)的方案設(shè)計

本次設(shè)計的PEPS系統(tǒng)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、電子立柱鎖以及后備箱按鍵。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(shè)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(tǒng)的核心組件，功能是對智能鑰匙進(jìn)行身份識別，若鑰匙合法，則通過CAN總線將相應(yīng)的操作指令發(fā)送給BCM或EMS,由兩者執(zhí)行后續(xù)的操作;若鑰匙非法，ECU則會進(jìn)入睡眠模式，拒絕這把鑰匙所發(fā)送的后續(xù)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(tǒng)中，BCM通過CAN總線與ECU相連，根據(jù)后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(rèn)證后，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(jìn)行任何操作而只需隨身攜帶即可，這也是無鑰匙系統(tǒng)的命名由來。

4.4 電子門把手

電子門把手內(nèi)置低頻天線及微動(或感應(yīng))開關(guān)，天線用來探測鑰匙位置，開關(guān)用來喚醒PEPS系統(tǒng)，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(nèi)發(fā)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，并將測得的鑰匙坐標(biāo)傳送給ECU.后者會根據(jù)鑰匙的當(dāng)前坐標(biāo)值，判定是否執(zhí)行開啟車門以及啟動車輛引擎的后續(xù)操作。

4.6 一鍵啟動按鍵

通過按鍵動作并配合剎車(自動檔)或離合器(手動檔)的當(dāng)前工作狀態(tài)，將點火裝置在ACC、ON、START及OFF四檔間循環(huán)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(zhuǎn)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(nèi)置的小型電機(jī)驅(qū)動鎖舌的伸縮動作，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱的閉鎖/解鎖功能。由于控制鎖舌運(yùn)動的小型電機(jī)是由PEPS系統(tǒng)統(tǒng)籌控制的，所以在安全性上電子立柱鎖較傳統(tǒng)的機(jī)械立柱鎖更為安全可靠。

4.8 后備箱按鍵

按動后備箱按鍵，裝配在后保險杠位置上的低頻天線將探測智能鑰匙的當(dāng)前位置，如滿足解鎖條件，PEPS ECU會命令BCM解鎖后備箱，簡化了駕駛者插拔鑰匙解鎖的操作。

5.PEPS系統(tǒng)的區(qū)域探測與鑰匙定位技術(shù)的實現(xiàn)

PEPS系統(tǒng)共有三個檢測判斷區(qū)域，分別為灰色的車外區(qū)域，紅色的車內(nèi)區(qū)域以及灰白色的主駕區(qū)域，如圖3所示。

灰色的車外區(qū)域共有三個部分，分為主駕、副駕和后備箱探測區(qū)域。當(dāng)駕駛者攜帶智能鑰匙進(jìn)入這些區(qū)域并給予觸發(fā)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(qiáng)檢測，判斷出智能鑰匙的當(dāng)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后備箱;紅色的車內(nèi)探測區(qū)域則是整個PEPS系統(tǒng)設(shè)計的重點與難點，這是因為PEPS系統(tǒng)需要精確地判斷出智能鑰匙是否在車內(nèi)，來判定車門的鎖止?fàn)顟B(tài)是否正確并決定引擎是否可以啟動，兩者都是與行車安全息息相關(guān)的重中之重，所以該區(qū)域的表現(xiàn)會直接影響PEPS系統(tǒng)的性能優(yōu)劣;而在大部分中、高級車型中，PEPS系統(tǒng)還會檢測灰白色的主駕區(qū)域，冗余判斷鑰匙是否有效、主駕位置是否有人，以避免諸如兒童誤操作等所導(dǎo)致的安全隱患。

綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)在汽車PEPS系統(tǒng)中，區(qū)域檢測是一個非常重要且區(qū)別于以往汽車安防的技術(shù)，其鑰匙位置的檢測精度就成為衡量一個PEPS系統(tǒng)優(yōu)良與否的重要參數(shù)之一。目前，市場上主要有兩種技術(shù)方案用來提升鑰匙位置的檢測精度，其一是通過調(diào)節(jié)低頻信號的靈敏度對智能鑰匙的位置進(jìn)行模糊判斷，其特點是精度有限但實現(xiàn)方便;其二是根據(jù)低頻信號的強(qiáng)弱程度來計算智能鑰匙與車內(nèi)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(shù)，本次設(shè)計的PEPS系統(tǒng)就是采用了上述第二種方法，故在車內(nèi)內(nèi)置了兩根低頻天線用以交叉定位鑰匙的精確位置。

6.結(jié)束語

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