集成藍牙鑰匙的無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)設計

張明吉

摘 ?要：隨著汽車用戶對于手機鑰匙需求的不斷提高，該文設計了一種集成藍牙鑰匙的無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)，通過手機藍牙與車載藍牙模塊的加密認證，引入藍牙鑰匙作為無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)的電子鑰匙，成為除智能鑰匙以外的一種全新鑰匙形式，實現(xiàn)對車輛的解閉鎖及一鍵啟動控制。在系統(tǒng)高安全性、高防盜性的基礎上，提供一種更加舒適便捷的方式。基于標準的CAN通信協(xié)議，設計完成了功能邏輯協(xié)議及加密信息交互協(xié)議，并通過了專用的仿真測試平臺驗證，證明了該系統(tǒng)的有效性、實用性及安全性。

關鍵詞：無鑰匙進入及啟動系統(tǒng);智能鑰匙;藍牙鑰匙;PEPS控制器;CAN總線

中圖分類號：TP271 ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)（Passive Entry and Passive Start，PEPS）通過用戶觸發(fā)門把手開關及啟動按鈕，激活車身控制器并與智能鑰匙進行高低頻的加密通信認證，以完成對智能鑰匙的定位，進而實現(xiàn)對車輛的解閉鎖控制功能和一鍵啟動控制功能。

該文提出了一種方案，將手機上標配的藍牙技術應用于汽車控制系統(tǒng)中，與無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)相融合，通過手機藍牙應用即可實現(xiàn)對車輛的解閉鎖及一鍵啟動控制，在系統(tǒng)高安全性、高防盜性的基礎上，為汽車用戶提供了一種更舒適便捷的全新使用方式。

1 系統(tǒng)簡介

集成藍牙鑰匙的無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)，相當于在系統(tǒng)中引入了一種藍牙鑰匙[1]，如果說智能鑰匙是一種真實存在的“物理鑰匙”，那么藍牙鑰匙就相當于一把“電子鑰匙”，智能鑰匙通過LF及RF通信與車身的PEPS控制器進行加密認證，而藍牙鑰匙則是通過藍牙技術與車身的藍牙模塊進行身份識別，兩者的實現(xiàn)方式不同，但在系統(tǒng)中的作用卻是相同的。通過藍牙鑰匙的引入，用戶可以選擇不攜帶智能鑰匙，僅通過手機中的藍牙應用，即可以實現(xiàn)對車輛的解閉鎖控制和一鍵啟動控制[2] 。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構設計

集成藍牙鑰匙的無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)，主要由PEPS控制器、藍牙模塊、BCM控制器、智能鑰匙、手機藍牙、啟動按鈕、低頻天線、門把手開關模塊及后備箱開關組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

PEPS控制器是系統(tǒng)的核心控制單元，用于檢測門把手開關、啟動按鈕、后備箱開關等開關觸發(fā)信號，可通過驅動低頻天線查找及定位智能鑰匙，支持接收智能鑰匙的射頻信號，支持與智能鑰匙、藍牙模塊及EMS進行加密認證通信，可通過CAN總線獲取車身信息并發(fā)布控制命令。

藍牙模塊即車載藍牙控制模塊，與手機藍牙模塊建立連接，完成加密認證及身份識別，接收來自手機藍牙的控制命令并反饋執(zhí)行結果，通過CAN總線轉發(fā)藍牙鑰匙身份信息，并與PEPS控制器進行加密認證[3]。

BCM控制器是Body Control Module的縮寫，是車身控制單元，支持對車身的燈、門、窗、鎖等進行驅動控制及檢測，在PEPS系統(tǒng)中接收來自CAN總線的控制命令，完成對門鎖電機及燈光的控制，并將相關負載狀態(tài)發(fā)布到CAN總線中。

智能鑰匙支持與PEPS控制器進行LF及RF雙向加密通信認證，支持通過觸發(fā)鑰匙按鍵向PEPS發(fā)送RF控制命令，為系統(tǒng)提供鑰匙的位置及身份信息。

手機藍牙即手機上的藍牙模塊，通過手機的特定應用軟件，支持與車載藍牙模塊進行連接及通信認證，為系統(tǒng)提供身份信息、位置信息及控制命令。

啟動按鈕是車身的啟動開關，通常布置在方向盤右側或中控臺上，是一鍵啟動功能的觸發(fā)開關，用戶可通過觸發(fā)開關來啟動車輛，可通過開關上的指示燈對車輛啟動狀態(tài)進行識別。

低頻天線是PEPS控制器發(fā)布LF數(shù)據(jù)的載體，均勻布置在車內空間中，在車內建立了完整、均勻的LF磁場，以實現(xiàn)對智能鑰匙的定位。

門把手開關模塊集成了門把手開關及低頻天線，是無鑰匙進入功能的觸發(fā)開關及PEPS控制器LF通信的載體，用戶可通過觸發(fā)門把手開關來發(fā)起解鎖或閉鎖控制。

后備箱開關是布置在汽車后備箱外部的開關，用戶可通過觸發(fā)后備箱開關來發(fā)起后備箱解鎖控制，是PEPS系統(tǒng)解鎖后備箱的觸發(fā)源。

2.2 系統(tǒng)工作原理

無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)，主要包含無鑰匙解閉鎖車輛、無鑰匙解鎖后備箱及一鍵啟動車輛3個功能。

無鑰匙解閉鎖車輛功能，用戶攜帶與車輛匹配的鑰匙，進入司機門或副司機門側的有效區(qū)域，通過觸發(fā)門把手開關，激活車身控制器與鑰匙之間的加密通信，完成車輛對鑰匙的身份識別及定位，再通過PEPS控制器向BCM控制器發(fā)送CAN總線的解鎖或閉鎖命令，從而完成對門鎖的控制，實現(xiàn)車輛的解閉鎖功能。

無鑰匙解鎖后備箱功能，用戶攜帶與車輛匹配的鑰匙，進入后備箱側的有效區(qū)域，通過觸發(fā)后備箱開關，激活車身控制器與鑰匙之間的加密通信，完成車輛對鑰匙的身份識別及定位，再通過PEPS控制器向BCM控制器發(fā)送CAN總線的解鎖后備箱命令，從而完成對后備箱的解鎖控制，實現(xiàn)車輛的解鎖后備箱功能。

一鍵啟動功能，用戶攜帶與車輛匹配的鑰匙進入汽車內，通過踩剎車并按下啟動開關動作，激活車身控制器與鑰匙之間的加密認證，完成車輛對鑰匙的身份識別及定位，并控制汽車電源檔位切換，促使發(fā)動機防盜系統(tǒng)完成加密認證，以保證后續(xù)動作實現(xiàn)車輛啟動成功。

在系統(tǒng)中，鑰匙分為智能鑰匙及藍牙鑰匙，智能鑰匙采用LF及RF通信技術，與PEPS控制器進行雙向認證，用來完成車輛和智能鑰匙的身份識別及定位。藍牙鑰匙采用藍牙技術，與車載藍牙模塊完成連接和通信，用來完成車輛和藍牙鑰匙的身份識別及定位。PEPS控制器在完成智能鑰匙或藍牙鑰匙的身份識別及定位后，才控制后續(xù)動作順序完成。

3 關鍵技術設計

3.1 LF及RF通信技術

PEPS控制器和智能鑰匙之間采用LF及RF通信技術實現(xiàn)信息交互，完成系統(tǒng)的鑰匙身份校驗及定位。PEPS控制器作為LF數(shù)據(jù)的發(fā)射端和RF數(shù)據(jù)的接收端，而智能鑰匙則為LF數(shù)據(jù)的接收端和RF數(shù)據(jù)的發(fā)射端，選取125 Hz作為LF通信頻率，選取434 MHz作為RF通信頻率。

PEPS控制器實時檢測觸發(fā)信號，包括門把手開關、啟動按鈕、后備箱開關，當觸發(fā)信號有效時，則立即發(fā)送LF數(shù)據(jù)，同時開始等待智能鑰匙的RF響應數(shù)據(jù)。

智能鑰匙實時監(jiān)聽LF數(shù)據(jù)，如果此時智能鑰匙在PEPS的LF覆蓋區(qū)域內，則智能鑰匙會被激活，同時立即校驗接收數(shù)據(jù)的合法性，當數(shù)據(jù)合法時，則根據(jù)接收到的LF數(shù)據(jù)進行磁場數(shù)據(jù)擬合，并將數(shù)據(jù)按照RF通信協(xié)議加密發(fā)送出去。

PEPS控制器在等待超時時間內接收到智能鑰匙響應的RF數(shù)據(jù)，則立即對數(shù)據(jù)中的鑰匙身份信息進行校核，確認鑰匙信息合法后，則根據(jù)鑰匙位置信息判定是否滿足當前動作要求，如滿足，則執(zhí)行相應動作，如不滿足，則退出。

3.2 CAN總線通信協(xié)議設計

CAN總線是PEPS控制器、藍牙模塊、BCM控制器之間唯一的信息交互渠道，為保證系統(tǒng)能夠正常工作，CAN總線的協(xié)議設計尤為關鍵。在無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)中，CAN協(xié)議設計主要包含功能邏輯信息交互協(xié)議及加密信息交互協(xié)議。

3.2.1 功能邏輯信息交互協(xié)議

在無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)中，功能邏輯相關的CAN協(xié)議主要指PEPS控制器與BCM控制器之間通信協(xié)議。PEPS控制器是解閉鎖功能的控制端，而BCM控制器則是解閉鎖功能的執(zhí)行端，PEPS控制器需要向BCM控制器提供觸發(fā)開關的檢測狀態(tài)、車輛電源管理檔位狀態(tài)及解閉鎖命令等，BCM控制器需要向PEPS控制器提供門、門鎖等負載狀態(tài)，因此，為滿足系統(tǒng)響應時序，PEPS控制器和BCM控制器的CAN節(jié)點選擇為周期事件混合幀類型的應用報文，實時向總線發(fā)布相關信息。

3.2.2 加密信息交互協(xié)議

無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)，是車輛防盜系統(tǒng)的核心控制單元，而PEPS控制器則是該防盜系統(tǒng)的樞紐，其既需要保證與智能鑰匙、藍牙鑰匙的身份識別認證，又需要保證與EMS的發(fā)動機防盜認證。因此，基于CAN總線通信的加密信息交互協(xié)議就包括PEPS控制器與藍牙模塊之間的加密交互協(xié)議、PEPS控制器與EMS之間的加密交互協(xié)議。

手機藍牙模塊與車載藍牙模塊建立連接并實現(xiàn)身份識別驗證后，藍牙模塊需要通過CAN總線將藍牙鑰匙的信息發(fā)送給PEPS控制器，而為了保證系統(tǒng)的防盜性，該過程設計為加密通信，即只有藍牙模塊發(fā)布的數(shù)據(jù)通過了PEPS控制器的認證后，才可以利用藍牙鑰匙的信息。因此，藍牙模塊的CAN節(jié)點選擇事件幀類型作為加密認證和信息發(fā)布的報文，報文中包含加密數(shù)據(jù)字節(jié)、藍牙鑰匙信息字節(jié)、Checksum字節(jié)。PEPS控制器的CAN節(jié)點選擇事件幀類型作為加密認證和結果反饋的報文，報文中需要包含加密數(shù)據(jù)字節(jié)、認證結果狀態(tài)字節(jié)、Checksum字節(jié)。

為了滿足一鍵啟動功能，PEPS在完成鑰匙身份識別后，需要控制車輛的電源檔位切換，同時觸發(fā)與EMS的發(fā)動機防盜認證，只有通過了EMS的加密認證，才能保證發(fā)動機的啟動成功。因此，PEPS控制器的CAN節(jié)點選擇事件幀類型作為加密認證和信息發(fā)布的報文，報文中包含加密數(shù)據(jù)字節(jié)、電源檔位信息字節(jié)、Checksum字節(jié)。EMS的CAN節(jié)點選擇事件幀類型作為加密認證和結果反饋的報文，報文中需要包含加密數(shù)據(jù)字節(jié)、加密認證結果狀態(tài)、Checksum字節(jié)。

3.3 藍牙鑰匙控制策略設計

在無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)中引入藍牙鑰匙，則需要對藍牙鑰匙及智能鑰匙的處理策略進行融合，既要保證各邏輯功能的正常執(zhí)行，也要保證各異常處理策略的完善。藍牙鑰匙的控制流程如下。

藍牙模塊周期廣播信息，手機藍牙進入有效區(qū)域內，則會與藍牙模塊建立連接，當藍牙模塊校驗身份信息合法后，則會立即發(fā)起與PEPS控制器的加密認證，在接收到PEPS控制器的響應后，則利用秘鑰對數(shù)據(jù)進行加密，并發(fā)送加密認證數(shù)據(jù)。

PEPS控制器實時接收藍牙模塊的認證請求，收到后立即響應藍牙模塊加密數(shù)據(jù)，同時等待藍牙模塊響應的加密數(shù)據(jù)，如果收到藍牙模塊的加密數(shù)據(jù)且校驗通過后，則藍牙鑰匙有效，否則藍牙鑰匙無效。

結合PEPS控制器與智能鑰匙的認證流程，智能鑰匙有效性的優(yōu)先級高于藍牙鑰匙，即只有當未檢測到有效的智能鑰匙時，才會利用藍牙鑰匙的信息。

4 系統(tǒng)測試及分析

4.1 測試環(huán)境

針對上述設計方案，搭建了試驗測試平臺，即利用CANoe軟件設計CAN網(wǎng)絡仿真，實現(xiàn)藍牙模塊、BCM控制器及EMS節(jié)點的功能邏輯協(xié)議、加密信息協(xié)議的仿真，利用開關、繼電器等基本負載實現(xiàn)啟動按鈕、門把手開關等測試平臺的搭建，將設計完成的PEPS控制器、智能鑰匙作為被測對象在測試平臺中進行驗證[4] 。

4.2 測試結果

利用上述測試平臺對PEPS控制器進行了大量的測試，包括CAN總線協(xié)議的收發(fā)、LF及RF通信、智能鑰匙位置判斷算法、基本功能等。

CAN總線協(xié)議測試，設定系統(tǒng)CAN通信頻率為500 kbps，基于設計的功能邏輯信息交互協(xié)議，測試PEPS控制器對BCM控制器發(fā)送的信號接收情況，測試PEPS控制器發(fā)布的狀態(tài)信號情況，經測試，可實現(xiàn)準確收發(fā)?；谠O計的加密信息交互協(xié)議，測試PEPS控制器與藍牙模塊、EMS模塊之間的加密認證流程，經測試，可以滿足加密認證協(xié)議，且信號收發(fā)正常。

LF及RF通信測試，PEPS控制器和智能鑰匙之間采用125 Hz作為LF通信頻率，434 MHz作為RF通信頻率通信頻率，兩點之間采用加密認證，經測試，數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定，可實現(xiàn)加密認證，且改變智能鑰匙與PEPS控制器的相對位置，PEPS控制器能夠有效識別智能鑰匙的位置變化，通過一定的算法，模擬識別智能鑰匙在系統(tǒng)中的幾個關鍵位置。

基本功能測試，PEPS控制器支持解閉鎖、解鎖后備箱及一鍵啟動功能，在測試平臺中，通過模擬的CAN網(wǎng)絡及開關觸發(fā)信號，實現(xiàn)了智能鑰匙和藍牙鑰匙2種鑰匙集成的無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)的基本功能。

5 結論

該文設計并實現(xiàn)了一種集成藍牙鑰匙功能的無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)，使用戶可以通過手機藍牙功能對車輛進行相關控制，為無鑰匙進入及啟動系統(tǒng)的進一步推廣提供了一種新的可能。隨著手機行業(yè)的快速發(fā)展，藍牙技術作為一個接口，可以實現(xiàn)手機與汽車之間更多的互聯(lián)，相信可以為汽車用戶提供更多舒適便捷的功能。

參考文獻

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