汽車PEPS系統(tǒng)診斷測試的應(yīng)用與研究

胡婧

摘要：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。下文將介紹分析這一集安全性與舒適性于一身的PEPS系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：汽車；PEPS系統(tǒng)；診斷測試；應(yīng)用

對于PEPS 系統(tǒng)來講，常出現(xiàn)的故障有3 類：用免鑰匙功能不能進(jìn)行解鎖或上鎖；用免鑰匙功能不能進(jìn)行ACC 或ON 檔電源的切換；用免鑰匙功能啟動機不運轉(zhuǎn)。

一、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。

二、汽車PEPS系統(tǒng)診斷測試的應(yīng)用

1.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算能力，整個認(rèn)證過程在實際應(yīng)用中僅需耗費幾十毫秒，所以對用戶而言是不會產(chǎn)生任何遲滯的感覺的。

2.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。下面對各組件的基本功能及設(shè)計原理作一簡單的介紹。一是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。二是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。三是智能鑰匙。智能鑰匙在工作時會與ECU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。四是電子門把手。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。五是低頻天線。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。六是一鍵啟動按鍵。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。七是電子立柱鎖。電子立柱鎖通過內(nèi)置的小型電機驅(qū)動鎖舌的伸縮動作，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱的閉鎖/解鎖功能。由于控制鎖舌運動的小型電機是由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)的機械立柱鎖更為安全可靠。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。

3.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，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。

4.PEPS系統(tǒng)的認(rèn)證算法。PEPS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的啟動系統(tǒng)不同之處主要體現(xiàn)在汽車的門把手和啟動按鈕兩部分上。因此，PEPS系統(tǒng)的認(rèn)證算法的作用主要表現(xiàn)在汽車門把手和啟動按鈕的觸發(fā)與響應(yīng)的過程中。PEPS系統(tǒng)的認(rèn)證算法采用的是在全世界廣泛使用的，加密安全性極高的AES算法。一是改進(jìn)的AES算法。AES算法是源于Daemen和Rijmen設(shè)計的Rijndael密碼算法。AES算法的數(shù)據(jù)分組的長度為128 bit，密鑰長度有三種128 bit、196bit和256 bit。AES的加密過程可以分為34"步驟：初始密鑰加法，Nr一1次輪變換和結(jié)尾輪變換。本文研究的PEPS系統(tǒng)的認(rèn)證算法是一種改進(jìn)的AES算法。該算法主要應(yīng)用在PEPS系統(tǒng)的認(rèn)證過程中，主要有加密鑰和輪變換兩步，省去了算法解密的過程，采用的是隨機加密的方法，從而使算法更加快速和可靠。在認(rèn)證過程中，如果加密算法相同，所需認(rèn)證的雙方加密后的數(shù)據(jù)也是相同的，在認(rèn)證時AES力I]密認(rèn)證的過程，變換（ByteSub），是對數(shù)據(jù)進(jìn)行一種不可逆的非線性置換；行移位（ShiftRow），是以“行”為單位的線性變換，第一行不變，其它行依次進(jìn)行循環(huán)移動，位移量的大小與加密塊中字的個數(shù)Ⅳb有關(guān)，使其與一簡單的矩陣相乘；列混合（MisColumn），運算結(jié)果相對來說比較復(fù)雜，與一較復(fù)雜矩陣相乘得到另一矩陣；加循環(huán)密鑰（AddRoundKey），是將循環(huán)密鑰與上層的結(jié)果進(jìn)行異或運算，相乘得到，然后進(jìn)行128位的加密操作。二是PEPS系統(tǒng)AES算法的認(rèn)證過程。PEPS系統(tǒng)啟動時，需要分別與電子轉(zhuǎn)向柱鎖模塊（ESCL）及發(fā)動機控制模塊（EMS）之間進(jìn)行認(rèn)證，而在CANoe仿真環(huán)境條件下，上述模塊間的認(rèn)證算法的編程部分都是設(shè)計在相應(yīng)模塊內(nèi)部的。當(dāng)汽車PEPS系統(tǒng)啟動的有效鑰匙在汽車認(rèn)證范圍內(nèi)時，按啟動按鈕啟動汽車，汽車PEPS系統(tǒng)首先需要對電子轉(zhuǎn)向柱鎖模塊（ESCL）進(jìn)行認(rèn)證，汽車PEPS系統(tǒng)首先發(fā)一幀認(rèn)證消息到汽車CAN總線上，電子轉(zhuǎn)向柱鎖模塊（ESCL）接收到這幀認(rèn)證消息后生成一幀隨機數(shù)，并將這幀隨機數(shù)發(fā)到CAN總線上，汽車PEPS系統(tǒng)從CAN總線上接收這幀隨機數(shù)，汽車PEPS系統(tǒng)與電子轉(zhuǎn)向柱鎖模塊（ESCL）都經(jīng)過相應(yīng)的AES；bII密算法加密之后，再對二者的加密結(jié)果進(jìn)行對比，如果AES力tl密算法相同，則計算結(jié)果相同，認(rèn)證成功；否則認(rèn)證失敗。EMS模塊認(rèn)證過程同樣如此。

三、PEPS系統(tǒng)故障診斷測試

在測試過程中，當(dāng)有故障或錯誤出現(xiàn)時，不管是系統(tǒng)故障還是車身電子模塊的故障都會在報文中詳細(xì)地顯示出來。通過報文的ID可以查找并迅速查看相應(yīng)的報文了解診斷測試情況。PEPS系統(tǒng)的診斷測試主要體現(xiàn)在門把手的PE（Passive Entry）和PS（Passive Start）及智能鑰匙的RKE（Remote Keyless Entry）部分的測試。PE測試的報文實例包括Lock、Unlock的報文顯示，如果通信過程中出現(xiàn)故障、發(fā)送請求錯誤、請求的條件和處理的結(jié)果不正確等都會在報文中顯示，錯誤信息在報文中會以紅色字體顯示，方便測試人員及時了解故障情況。

1.用免鑰匙功能不能進(jìn)行解鎖或上鎖。分析故障的原則是依據(jù)解鎖和上鎖的步驟進(jìn)行。開鎖和上鎖的步驟基本是一致的，所以分析方法也基本一致。所以導(dǎo)致其可能的原因有：①門把手開關(guān)及線路故障；②門把手天線及線路故障；③鑰匙故障；④PEPS 及系統(tǒng)供電故障；⑤CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊故障；⑥BCM 及供電故障；⑦中控門鎖電機及線路故障。一是PEPS 模塊及其供電故障判斷方法。在確定以上部件及線路無故障后，應(yīng)對PEPS 模塊本身及其電源電路進(jìn)行檢測，可通過診斷儀與PEPS 的通訊狀態(tài)來快速判斷PEPS 模塊或其電源線路是否存在故障，如診斷儀與其它模塊通訊均正常，僅與PEPS 模塊無法通訊，則極有可能為PEPS 模塊本身或其電源線路出現(xiàn)故障。二是CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊故障判斷方法。CAN 線路出現(xiàn)故障，PEPS 模塊無法將指令發(fā)送給中控執(zhí)行模塊BCM。也可通過診斷儀與PEPS、BCM 等模塊的通訊狀態(tài)來判斷是否CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊異常。三是 BCM 模塊及其供電故障判斷方法。也可通過診斷儀與BCM 的通訊狀態(tài)來快速判斷BCM 模塊或其電源線路是否存在故障，如診斷儀與其它模塊通訊均正常，僅與BCM 模塊無法通訊，則極有可能為BCM 模塊本身或其電源線路出現(xiàn)故障。四是中控門鎖及電路故障判斷方法。可通過按壓中控門鎖按鈕觀察中控門鎖電機及電路是否異常。如果按壓中控門鎖按鈕，門鎖有動作，說明可排除以上故障的可能性。如果中控門鎖不動作，則需按照檢查中控不共工作的思路進(jìn)行檢查。注意如果是不能上鎖，除過要檢查上述部件或系統(tǒng)外，需要考慮上鎖時的輔助條件是否滿足，比如車內(nèi)檢測到有鑰匙無法執(zhí)行上鎖、某一車門未關(guān)閉無法執(zhí)行上鎖、點火開關(guān)未在OFF 擋無法執(zhí)行上鎖、此類條件未滿足導(dǎo)致的不能上鎖，均會伴隨有聲光提示。五是快速診斷技巧。對于以上故障，診斷時如果利用車輛上的一些功能，便可快速排除部分故障：①利用后視鏡、轉(zhuǎn)向燈反饋信號判斷故障。比如如果按壓門把手按鈕，雖然門鎖沒有動作，但后視鏡和轉(zhuǎn)向燈有反饋指示，說明只有中控門鎖電機及其電路存在故障的可能性。②利用雙閃是否工作來判斷網(wǎng)絡(luò)是否存在故障。因雙閃開關(guān)的信號直接給了音響主機模塊，音響主機通過CAN 線再發(fā)送給BCM，BCM 手動請求指令后就控制雙閃燈工作。所以如果雙閃工作，網(wǎng)絡(luò)整體不能通訊的故障可排除。③ 按壓遙控器來判斷門把手或天線故障。如果按壓遙控器門鎖進(jìn)行了相應(yīng)的動作，那么門把手開關(guān)及其天線的故障可能性大。需要注意的是，ESCL 上的5 根線路，有任何一根出現(xiàn)異常，都會出現(xiàn)防盜認(rèn)證失敗而不能切換到ACC 或ON檔的故障現(xiàn)象。如果是由于ESCL 系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，在PEPS 模塊內(nèi)會報相關(guān)的故障碼，所以可依據(jù)有無相關(guān)的故障碼進(jìn)行判斷是否該系統(tǒng)導(dǎo)致的故障。

2.用免鑰匙功能ACC、ON 檔切換正常，啟動機不運轉(zhuǎn)。分析能進(jìn)行ACC 或ON 檔電源的切換，但啟動機不運轉(zhuǎn)的故障，也是按照其工作過程進(jìn)行。所以導(dǎo)致其可能的原因有：CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊故障；ECM 及供電故障；啟動機及其線路故障和輔助條件異常。一是CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊故障判斷方法?？赏ㄟ^診斷儀與PEPS、ECM 等模塊的通訊狀態(tài)來判斷是否CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊異常。二是ECM 模塊及其供電故障判斷方法。也可通過診斷儀與ECM 的通訊狀態(tài)來快速判斷ECM 模塊或其電源線路是否存在故障，如診斷儀與其它模塊通訊均正常，僅與ECM 模塊無法通訊，則極有可能為ECM 模塊本身或其電源線路出現(xiàn)故障。三是啟動機及其電路故障判斷方法?？赏ㄟ^拔下啟動機繼電器將繼電器觸點電路跨接的方法來判斷啟動機觸點電路和啟動機自身故障的可能性。注意：如果PEPS 監(jiān)測空檔的信號線路異常，PEPS 只控制啟動機運轉(zhuǎn)一次，之后就不在運轉(zhuǎn)，再次關(guān)閉點火開關(guān)，再次按點火開關(guān)進(jìn)行啟動，啟動機又運轉(zhuǎn)1 次便停止工作。四是輔助條件故障的判斷方法。導(dǎo)致啟動機不工作的還有以下因素：離合器信號電路（手動變速箱）、制動信號電路（自動變速箱）、空檔開關(guān)信號電路、車速信號和DCU 電源。五是快速診斷技巧。對于以上故障，診斷時可借助一些技巧，便可快速排除部分故障：①利對于離合器信號、制動信號、空檔信號，其異常儀表會有相應(yīng)的提示。②車速信號、DCU 供電如果異常，通過按壓點火開關(guān)超過3 秒來判斷。③如果ECM 供電或CAN 通訊故障，儀表會顯示“防盜認(rèn)證失敗”的提示。

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。

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