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(dòng)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(shí)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(yàn)。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(dòng)機(jī)不運(yùn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(hào)（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(yàn)證結(jié)果，決定是否打開門鎖（PE系統(tǒng)）或是啟動(dòng)車輛引擎（PS系統(tǒng)）。在上述智能鑰匙與ECU間的雙向身份驗(yàn)證過程中，低頻信號(hào)喚醒及高頻信號(hào)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(hào)喚醒，以PE系統(tǒng)為例是指當(dāng)駕駛者給予PEPS系統(tǒng)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，ECU會(huì)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(bào)文，當(dāng)鑰匙通過自身的低頻天線收到此報(bào)文后，將通過自身的智能芯片對報(bào)文進(jìn)行驗(yàn)證，如驗(yàn)證結(jié)果與鑰匙存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)相匹配，智能鑰匙則被喚醒；而高頻信號(hào)驗(yàn)證則是指在智能鑰匙被喚醒后，會(huì)將自身的ID身份碼以高頻信號(hào)的形式發(fā)送給ECU，若ECU識(shí)別出此ID號(hào)與自身系統(tǒng)的鑰匙編碼相匹配時(shí)，就會(huì)通過低頻信號(hào)向智能鑰匙發(fā)送驗(yàn)證碼，收到驗(yàn)證碼的智能鑰匙會(huì)通過特定的跳轉(zhuǎn)碼算法，對該驗(yàn)證碼進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，并將加密結(jié)果通過高頻信號(hào)發(fā)回ECU。后者會(huì)將收到的加密數(shù)據(jù)與自身的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對，如兩者匹配，就會(huì)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(gè)認(rèn)證過程在實(shí)際應(yīng)用中僅需耗費(fèi)幾十毫秒，所以對用戶而言是不會(huì)產(chǎn)生任何遲滯的感覺的。

2.PEPS系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)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(shí)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(huì)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(shí)會(huì)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(dòng)引擎。在整個(gè)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(dòng)（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(hào)，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(huì)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(dòng)車輛引擎的后續(xù)操作。六是一鍵啟動(dòng)按鍵。通過按鍵動(dòng)作并配合剎車（自動(dòng)檔）或離合器（手動(dòng)檔）的當(dāng)前工作狀態(tài)，將點(diǎn)火裝置在ACC、ON、START及OFF四檔間循環(huán)切換。一鍵啟動(dòng)按鍵可以免去駕駛者將鑰匙插入點(diǎn)火鎖芯，再扭轉(zhuǎn)鑰匙啟動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)鎖舌的伸縮動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱的閉鎖/解鎖功能。由于控制鎖舌運(yùn)動(dòng)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。按動(dòng)后備箱按鍵，裝配在后保險(xiǎn)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(huì)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(shí)現(xiàn)。PEPS系統(tǒng)共有三個(gè)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(gè)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(hào)時(shí)，ECU會(huì)與智能鑰匙建立高、低頻雙向通訊，通過低頻信號(hào)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(hào)驗(yàn)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(gè)PEPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，這是因?yàn)镻EPS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(dòng)，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(huì)直接影響PEPS系統(tǒng)的性能優(yōu)劣；而在大部分中、高級(jí)車型中，PEPS系統(tǒng)還會(huì)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(gè)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(gè)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(hào)的靈敏度對智能鑰匙的位置進(jìn)行模糊判斷，其特點(diǎn)是精度有限但實(shí)現(xiàn)方便；其二是根據(jù)低頻信號(hào)的強(qiáng)弱程度來計(jì)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(jì)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(dòng)系統(tǒng)不同之處主要體現(xiàn)在汽車的門把手和啟動(dòng)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(dòng)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(jì)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(jī)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(shí)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(dòng)，位移量的大小與加密塊中字的個(gè)數(shù)Ⅳb有關(guān)，使其與一簡單的矩陣相乘；列混合（MisColumn），運(yùn)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(yùn)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(dòng)時(shí)，需要分別與電子轉(zhuǎn)向柱鎖模塊（ESCL）及發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)在相應(yīng)模塊內(nèi)部的。當(dāng)汽車PEPS系統(tǒng)啟動(dòng)的有效鑰匙在汽車認(rèn)證范圍內(nèi)時(shí)，按啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)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(jī)數(shù)，并將這幀隨機(jī)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(jī)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(jì)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(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)，不管是系統(tǒng)故障還是車身電子模塊的故障都會(huì)在報(bào)文中詳細(xì)地顯示出來。通過報(bào)文的ID可以查找并迅速查看相應(yīng)的報(bào)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(bào)文實(shí)例包括Lock、Unlock的報(bào)文顯示，如果通信過程中出現(xiàn)故障、發(fā)送請求錯(cuò)誤、請求的條件和處理的結(jié)果不正確等都會(huì)在報(bào)文中顯示，錯(cuò)誤信息在報(bào)文中會(huì)以紅色字體顯示，方便測試人員及時(shí)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(jī)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(jī)及電路是否異常。如果按壓中控門鎖按鈕，門鎖有動(dòng)作，說明可排除以上故障的可能性。如果中控門鎖不動(dòng)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(shí)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(diǎn)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(huì)伴隨有聲光提示。五是快速診斷技巧。對于以上故障，診斷時(shí)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(hào)判斷故障。比如如果按壓門把手按鈕，雖然門鎖沒有動(dòng)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(jī)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(hào)直接給了音響主機(jī)模塊，音響主機(jī)通過CAN 線再發(fā)送給BCM，BCM 手動(dòng)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(dòng)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(huì)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(huì)報(bào)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(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)。分析能進(jìn)行ACC 或ON 檔電源的切換，但啟動(dòng)機(jī)不運(yùn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)及其電路故障判斷方法。可通過拔下啟動(dòng)機(jī)繼電器將繼電器觸點(diǎn)電路跨接的方法來判斷啟動(dòng)機(jī)觸點(diǎn)電路和啟動(dòng)機(jī)自身故障的可能性。注意：如果PEPS 監(jiān)測空檔的信號(hào)線路異常，PEPS 只控制啟動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一次，之后就不在運(yùn)轉(zhuǎn)，再次關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，再次按點(diǎn)火開關(guān)進(jìn)行啟動(dòng)，啟動(dòng)機(jī)又運(yùn)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(dòng)機(jī)不工作的還有以下因素：離合器信號(hào)電路（手動(dòng)變速箱）、制動(dòng)信號(hào)電路（自動(dòng)變速箱）、空檔開關(guān)信號(hào)電路、車速信號(hào)和DCU 電源。五是快速診斷技巧。對于以上故障，診斷時(shí)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(hào)、制動(dòng)信號(hào)、空檔信號(hào)，其異常儀表會(huì)有相應(yīng)的提示。②車速信號(hào)、DCU 供電如果異常，通過按壓點(diǎn)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(huì)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(gè)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也為優(yōu)化汽車PEPS系統(tǒng)提供了可能。

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