基于車載通信的無鑰匙起動控制功能邏輯分析

徐志山

（宣城職業技術學院 機械與汽車工程系，安徽 宣城 242000）

隨著汽車電子技術的發展，車載網絡通信已成為各類乘用車的標準配置，不僅大大地減少了車內布線，而且也為汽車控制功能提供更高的可靠性。無鑰匙起動控制系統是車載網絡通信的典型應用之一，它是在遙控門禁系統基礎上發展起來的汽車電子技術[1]，是無鑰匙起動系統的重要組成部分，整個系統實時性好且功能實現穩定可靠，體現出很強的科技感[2]，其控制方式迅速高效、不易干擾，不僅提高了車輛的防盜能力，而且使用安全、舒適、便捷，在中、高檔轎車上都有應用。

1 無鑰匙起動控制系統

1.1 無鑰匙起動

無鑰匙起動，也稱為一鍵起動，在車載網絡通信技術的基礎上，應用無線射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）傳感技術[3]、車載遙控鑰匙（“電子標簽”）和無鑰匙起動控制單元（“電子閱讀器”）之間按照無線通信協議規則相互感知編碼信息[4]，只有標簽和閱讀器“簽約”成功，起動控制才得到許可。一般無鑰匙起動控制系統都有無鑰匙進入功能，也就是在車外能感應到車載遙控鑰匙并識別到有打開車門的準備動作時，門控系統自動解禁；反之如果識別到車載遙控鑰匙離開車內，門控系統自動恢復。車載電子閱讀器、門控系統以及起動控制系統一般通過車內網絡連接，所以說，實現無鑰匙起動控制系統功能關鍵在于無線通信和有線通信之間的邏輯認證。

1.2 無鑰匙起動控制系統組成

無鑰匙起動控制系統在不同的車型上其組成不盡相同。近年來，奔馳系列轎車無鑰匙起動控制系統功能逐步升級，效果非?？煽?。如2017款奔馳C200轎車已采用奔馳第四代駕駛認可系統，通過散列技術生成可變代碼[5]，單向加密，有效防止車輛在未授權下起動，其控制邏輯嚴謹有序。下面以2017款奔馳C200轎車為例分析無鑰匙起動系統控制功能，其組成如圖1所示。

如圖1所示，奔馳C200轎車無鑰匙起動控制系統主要有八個控制模塊，即：智能儀表（A1）、發動機控制單元（N3/10）、穩定行駛系統控制單元（N30/4）、無鑰匙起動控制單元（N69/5）、左前門控制單元（N69/1）、點火開關控制單元（N73）、傳動系統控制單元（N127）和變速器控制單元（Y3/8n4），這些控制模塊通過專用導線傳輸信息，它們一方面接收信息，另一方面也發送信息，各個模塊的信息傳輸路徑如表1所示。

表1 奔馳C200轎車無鑰匙起動控制系統信息路徑

圖1 奔馳C200轎車無鑰匙起動系統控制原理圖

1.3 無鑰匙起動控制系統網絡體系

奔馳 C200轎車無鑰匙起動控制系統網絡體系由兩部分組成，即控制器局域網（Controller Area Network, CAN）和FlexRay網，其中CAN網是主控網絡，包括CAN B、CAN C、CAN C1和CAN HMI。

根據 CAN通信協議，CAN網是一個事件觸發式總線系統，數據采用報文傳輸[6]，節點間雙絞線連接，差分式信號傳輸，有顯性態（“0”）和隱性態（“1”）。奔馳C200為了提高總線的通信能力，降低總線的負載，將CAN網分成CAN B、CAN C、CAN C1和CAN HMI總線，其中CAN B為低速總線，傳輸速率為250 kbit/s，有休眠態，其它CAN網均為高速CAN總線，速率為500 kbit/s，無休眠態。同一CAN總線上的所有節點都有不同的地址，各個節點都可以隨時發送和接收信息，發送時采用仲裁機制，接收時采用“廣播式”，當總線上有節點發送信息時，接收節點只接收與自己驗收濾波器設置一致的信息。FlexRay網絡是將事件觸發和時間觸發相結合的高速總線[7]，實時性數據傳輸，通信可靠，故障容錯能力強，傳輸速率可達2×10 Mbit/s，FlexRay通信控制器一般有兩個通信通道，可以開發成單信道、雙信道以及單雙混合信道通信，形成線型、星型或混合型通信結構。在無鑰匙起動控制系統中，N73和 N127既集成CAN通信控制器，又集成FlexRay通信控制器，使整個系統所有CAN和FlexRay成為通信一體，起到網關的作用。

2 無鑰匙起動控制系統功能

無鑰匙起動控制功能一般包含遙控鑰匙查詢、起動發動機、錯誤信息顯示、電路切換以及停機功能。

2.1 遙控鑰匙查詢功能

當車輛保持靜態且車門控制單元未被觸發時，無鑰匙起動控制單元處于休眠模式；若有車門或后備箱控制單元被觸發，無鑰匙起動控制單元處于喚醒模式時，便開始進入鑰匙認證識別，可能有以下四種情況依次發生。（1）查詢請求，由無鑰匙起動控制單元發出查詢被認證的遙控鑰匙的請求。（2）查詢認證，檢查遙控鑰匙與無鑰匙起動控制單元密碼匹配是否一致，為起動作準備。（3）查詢失敗，若車輛內部沒有檢測到被認證的遙控鑰匙，則在連續按下無鑰匙起動的起動/停止按鈕五次后，儀表上將顯示“請插入鑰匙”信息。（4）循環查詢，發動機起動后繼續循環查詢鑰匙，若在車內沒有檢測到遙控鑰匙，儀表中就會顯示“未檢測到鑰匙”信息，在這種情況下，可關閉發動機，但發動機不能再次起動。

2.2 發動機起動功能

起動功能是無鑰匙起動控制系統的核心，有嚴格的起動流程。（1）問詢起動條件，對于自動擋汽車來說，變速器擋桿置于“P”或“N”擋位，制動踏板信號已促動。（2）起動按鈕觸發，無鑰匙起動控制單元直接讀取起動觸發信號，并檢查確認遙控鑰匙是否在車內。（3）傳遞起動信號，由點火開關控制單元將起動信號依次通過底盤FlexRay總線、傳動系統控制單元和發動機控制器局域網絡發送至發動機控制單元，促動起動電路。

2.3 錯誤信息顯示功能

如果遙控鑰匙查詢失敗，發動機將不能起動，由無鑰匙起動控制單元發出提示信息—“未檢測到鑰匙”，經點火開關控制單元送到儀表顯示。為了保護起動電源，在連續多次按下無鑰匙起動/停止按鈕后，儀表信息變成“請插入鑰匙”，以增強提示效果，并不再起動嘗試。

2.4 電路切換功能

電路切換功能由點火開關控制單元來完成，如果在促動無鑰匙起動的起動/停止按鈕時未觸發腳制動信號，僅接通供電端子 15R，類似于機械式點火開關ACC位；第二次促動起動/停止按鈕，接通供電端子15，類似于機械式點火開關ON位；第三次促動起動/停止按鈕，供電端子 15R和 15均斷開，類似于機械式點火開關OFF狀態。若是在夜間，點火開關控制單元還有斷電延時功能，使汽車大燈持續點亮一會兒。

2.5 停機功能

當需要停車時，按下無鑰匙起動的起動/停止按鈕，點火開關控制單元一旦檢測到無鑰匙起動的起動/停止按鈕按下，立即開始計時，并將“起動/停止按鈕已按下”狀態發送至無鑰匙起動控制單元，無鑰匙起動控制單元問詢智能儀表獲取車速數據，分析停機時刻。當車速不大于3 km/h，立即發出關閉發動機指令；當車速大于3 km/h，在按下無鑰匙起動的起動/停止按鈕3 s后發出關閉發動機指令，方便制動停車。

3 無鑰匙起動系統控制邏輯

所謂控制邏輯，就是在系統時序作用下，一步一步地實現控制功能的過程。車載無鑰匙起動系統控制邏輯，首先是遙控鑰匙位置查詢，之后是車輛起動系統控制。結合“奔馳C200轎車無鑰匙起動系統控制原理圖”，作如下分析。

3.1 遙控鑰匙位置查詢邏輯

要可靠安全地實現發動機起動功能, 首先必須準確識別遙控鑰匙（A8/1）的位置。遙控鑰匙位置查詢邏輯時序為：S85/5s1→N69/1→N69/5→A2/38、A2/40、A2/35、A2/60→A8/1→A2/32、A2/18→N69/5→N73。

根據圖1，在促動左前門中央鎖止系統“開啟”開關（S85/5s1）時，左前車門控制單元（N69/1）直接讀取來自S85/5s1的信號，通過車內控制器局域網絡（CAN B）將其發送至無鑰匙起動控制單元（N69/5）。無鑰匙起動控制單元（N69/5）依次通過接收天線A2/38、A2/40、A2/35、A2/60將編碼請求發送到遙控鑰匙，只要遙控鑰匙位于可接收的無線信號范圍（如圖2中的A、B、C、D區域）內，遙控鑰匙就對編碼請求進行解碼，然后在其位于可接收區域發送反饋信息。如：遙控鑰匙位于車外的A區或B區，左側門把手接收天線A2/38或右側門把手接收天線A2/40發射信號；位于車內的C區或D區，則行李箱無鑰匙起動接收天線 A2/35或中央控制臺無鑰匙起動接收天線A2/60發射信號。無鑰匙起動控制單元通過后車窗天線（A2/32）和天線放大器（A2/18）接收遙控鑰匙的反饋信息，識別遙控鑰匙的位置并識別其合理性，驗收合格后無鑰匙起動控制單元將遙控鑰匙代碼轉化為CAN幀通過車內控制器局域網絡（CAN B）將其發送至點火開關控制單元（N73），在點火開關控制單元（N73）中進行分析，以便開啟車門或車輛起動所需。

圖2 遙控鑰匙可接收信號的范圍

3.2 起動系統控制邏輯

實現無鑰匙起動功能，無鑰匙起動控制系統要先后經過促動、請求、響應、判斷、提示、識別、接通等嚴格的邏輯時序，方能起動發動機。

3.2.1 起動控制促動邏輯（N69/5→A2/60、A2/35）

為了能夠順利起動發動機，無鑰匙起動控制單元（N69/5）首先發出頻率為125 kHz經過調幅促動信號（稱為一次編碼），促動中央控制臺無鑰匙起動天線（A2/60）和行李箱無鑰匙起動天線（A2/35），以便查詢遙控鑰匙是否在車內。

3.2.2 起動控制請求邏輯（A2/60、A2/35→A8/1）

中央控制臺無鑰匙起動天線（A2/60）或行李箱無鑰匙起動天線（A2/35）在無鑰匙起動控制單元的促動下向車內發出無線低頻調幅信號，車內遙控鑰匙（A8/1）因電磁諧振接收無鑰匙起動控制單元的一次編碼請求。

3.2.3 遙控鑰匙響應邏輯（A8/1→A2/32→A2/18→N69/5→N73）

位于車內的遙控鑰匙（A8/1）解碼無線請求信號，并發送頻率為433.92 MHz的調頻響應信號（又稱二次編碼，內含“身份編碼”+“用戶編碼”），后車窗天線（A2/32）接收調頻響應信號，并送至天線放大器（A2/18），無鑰匙起動控制單元（N69/5）從天線放大器接收遙控鑰匙的響應，取出二次編碼，驗證鑰匙的“身份編碼”（owner ID）后通過車內控制器局域網絡（CAN B）將剩余的“用戶編碼”信號發送至電子點火開關控制單元（N73），由點火開關控制單元查驗鑰匙的“用戶編碼”（user ID），如果分析結果是肯定的，點火開關控制單元就會認可該遙控鑰匙。

3.2.4 起動狀態判斷邏輯（S2/3→N73→N69/5）

按下無鑰匙起動的起動/停止按鈕（S2/3）時，點火開關控制單元（N73）直接讀取此請求并通過車內控制器局域網絡（CAN B）將“起動/停止按鈕已按下”狀態發送至無鑰匙起動控制單元（N69/5），無鑰匙起動控制單元再次通過中央控制臺無鑰匙起動天線發送一次編碼信號（低頻，調幅，125 kHz），遙控鑰匙響應一次編碼信號，并發出二次編碼（高頻，調幅，433.92 MHz）回應。無鑰匙起動控制單元通過車內控制器局域網絡（CAN B）將此二次編碼發送至電子點火開關控制單元，點火開關控制單元進一步檢查遙控鑰匙的二次編碼，確認有效后才允許接收。

3.2.5 未能起動提示邏輯（N69/5→N73→A1）

無鑰匙起動控制單元（N69/5）通過車內控制器局域網絡（CAN B）將來自遙控鑰匙的二次編碼發送至點火開關控制單元（N73），若點火開關控制單元檢驗此代碼無效，則向智能儀表（A1）發送出錯請求，儀表顯示“未檢測到鑰匙”信息。如有連續按下無鑰匙起動/停止按鈕多次（五次以上）后仍未在車內識別到認可的遙控鑰匙，換成顯示“請插入鑰匙”信息。

3.2.6 擋桿位置識別邏輯（Y3/8n4→N127→N73）

換擋桿位于“P”擋或“N”擋，變速器控制單元（Y3/8n4）通過傳動系統控制器局域網絡（CAN C1），傳動系統控制單元（N127）和底盤FlexRay，將變速器換擋桿位置信號發送至點火開關控制單元（N73），由點火開關控制單元確認擋桿的位置。

3.2.7 制動狀態識別邏輯（S9/1、B37/1→N30/4→N73）

腳制動信號或制動踏板角度傳感器信號（S9/1、B37/1）已促動，穩定行駛系統控制單元（N30/4）通過底盤 FlexRay將制動燈開關的狀態和踏板角度傳感器的信號發送至點火開關控制單元（N73）。

3.2.8 供電端子接通邏輯（N73→N69/5）

供電端子接通邏輯與制動信號有關，如果未促動制動信號，僅按下無鑰匙起動的起動/停止按鈕時，若按下一次，僅接通點火開關供電端子15R；若按下二次，接通點火開關端子15，若按下三次，則端子15R和15均斷開，此時點火開關控制單元（N73）通過CAN B總線將斷電信息發送給無鑰匙起動控制單元（N69/5），無鑰匙起動控制單元若是在夜間收到此信息，會保持接通延時供電端子15C，在30分鐘后自動斷開。

3.2.9 起動端子接通邏輯（N73→N127→N3/10）

點火開關控制單元（N73）接收了遙控鑰匙的二次編碼信號，同時識別到起動信號和制動信號有效，將接通起動機50端子的狀態信息通過底盤FlexRay、傳動系統控制單元（N127）和發動機控制器局域網絡（CAN C）發送至發動機控制單元（N3/10），由發動機控制單元執行接通50端子。

3.2.10 車輛速度請求邏輯（A1→N73→N69/5）

無鑰匙起動控制單元收到關閉發動機信號時，首先要獲取車輛的速度，即根據速度信號來確定關閉發動機的時刻，向智能儀表（A1）發送請求信號，智能儀表通過用戶接口控制器局域網絡（CAN HMI）、點火開關控制單元（N73）和車內控制器局域網絡（CAN B）將車速發送至無鑰匙起動控制單元（N69/5）。

3.2.11 動力停止請求邏輯（S2/3→N73→N69/5→N73→N127→N3/10）

在發動機運轉時按下無鑰匙起動的起動/停止按鈕（S2/3），點火開關控制單元（N73）隨即計時按下無鑰匙起動的起動/停止按鈕的時間，然后通過車內控制器局域網絡（CAN B）將“起動/停止按鈕已按下”狀態發送至無鑰匙起動控制單元（N69/5），無鑰匙起動控制單元根據此時車速并通過車內控制器局域網絡（CAN B）、點火開關控制單元和底盤 FlexRay、傳動系統控制單元（N127）和發動機控制器局域網絡（CAN C）將“關閉發動機”請求發送至發動機控制單元（N3/10），發動機控制單元立即“斷油斷火”，完成停機功能。

4 總結

無鑰匙起動控制功能的實現是 RFID通信、CAN通信和FlexRay通信等協議在車載網絡控制中的綜合應用，雖然較為復雜，但是信號傳輸有嚴格的時序規律。促動、請求、響應、判斷等時序前后相繼，連續不斷，也只有在車載各個控制模塊下能夠實現。遙控鑰匙控制單元、無鑰匙起動控制單元、點火開關控制單元以及發動機控制單元等多個模塊是無鑰匙起動控制功能實現的重要載體，它們不僅實現了不同協議信號之間的通信，而且將無線通信技術植根于車載通信系統之中，達成了復合通信能力，增強了無鑰匙起動控制“鑰匙-車”同體化設計效果。隨著 RFID與車載網絡通信技術深入融合，汽車高度智能化、安全化、“人-車-路”一體化必將實現。