張明吉

摘 ?要：隨著汽車用戶對(duì)于手機(jī)鑰匙需求的不斷提高，該文設(shè)計(jì)了一種集成藍(lán)牙鑰匙的無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙與車載藍(lán)牙模塊的加密認(rèn)證，引入藍(lán)牙鑰匙作為無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的解閉鎖及一鍵啟動(dòng)控制。在系統(tǒng)高安全性、高防盜性的基礎(chǔ)上，提供一種更加舒適便捷的方式?；跇?biāo)準(zhǔn)的CAN通信協(xié)議，設(shè)計(jì)完成了功能邏輯協(xié)議及加密信息交互協(xié)議，并通過(guò)了專用的仿真測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)的有效性、實(shí)用性及安全性。

關(guān)鍵詞：無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng);智能鑰匙;藍(lán)牙鑰匙;PEPS控制器;CAN總線

中圖分類號(hào)：TP271 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)（Passive Entry and Passive Start，PEPS）通過(guò)用戶觸發(fā)門把手開關(guān)及啟動(dòng)按鈕，激活車身控制器并與智能鑰匙進(jìn)行高低頻的加密通信認(rèn)證，以完成對(duì)智能鑰匙的定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的解閉鎖控制功能和一鍵啟動(dòng)控制功能。

該文提出了一種方案，將手機(jī)上標(biāo)配的藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)中，與無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)相融合，通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙應(yīng)用即可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的解閉鎖及一鍵啟動(dòng)控制，在系統(tǒng)高安全性、高防盜性的基礎(chǔ)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(jiǎn)介

集成藍(lán)牙鑰匙的無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)，相當(dāng)于在系統(tǒng)中引入了一種藍(lán)牙鑰匙[1]，如果說(shuō)智能鑰匙是一種真實(shí)存在的“物理鑰匙”，那么藍(lán)牙鑰匙就相當(dāng)于一把“電子鑰匙”，智能鑰匙通過(guò)LF及RF通信與車身的PEPS控制器進(jìn)行加密認(rèn)證，而藍(lán)牙鑰匙則是通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)與車身的藍(lán)牙模塊進(jìn)行身份識(shí)別，兩者的實(shí)現(xiàn)方式不同，但在系統(tǒng)中的作用卻是相同的。通過(guò)藍(lán)牙鑰匙的引入，用戶可以選擇不攜帶智能鑰匙，僅通過(guò)手機(jī)中的藍(lán)牙應(yīng)用，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的解閉鎖控制和一鍵啟動(dòng)控制[2] 。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

集成藍(lán)牙鑰匙的無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)，主要由PEPS控制器、藍(lán)牙模塊、BCM控制器、智能鑰匙、手機(jī)藍(lán)牙、啟動(dòng)按鈕、低頻天線、門把手開關(guān)模塊及后備箱開關(guān)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(cè)門把手開關(guān)、啟動(dòng)按鈕、后備箱開關(guān)等開關(guān)觸發(fā)信號(hào)，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(hào)，支持與智能鑰匙、藍(lán)牙模塊及EMS進(jìn)行加密認(rèn)證通信，可通過(guò)CAN總線獲取車身信息并發(fā)布控制命令。

藍(lán)牙模塊即車載藍(lán)牙控制模塊，與手機(jī)藍(lán)牙模塊建立連接，完成加密認(rèn)證及身份識(shí)別，接收來(lái)自手機(jī)藍(lán)牙的控制命令并反饋執(zhí)行結(jié)果，通過(guò)CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)藍(lán)牙鑰匙身份信息，并與PEPS控制器進(jìn)行加密認(rèn)證[3]。

BCM控制器是Body Control Module的縮寫，是車身控制單元，支持對(duì)車身的燈、門、窗、鎖等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制及檢測(cè)，在PEPS系統(tǒng)中接收來(lái)自CAN總線的控制命令，完成對(duì)門鎖電機(jī)及燈光的控制，并將相關(guān)負(fù)載狀態(tài)發(fā)布到CAN總線中。

智能鑰匙支持與PEPS控制器進(jìn)行LF及RF雙向加密通信認(rèn)證，支持通過(guò)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(jī)藍(lán)牙即手機(jī)上的藍(lán)牙模塊，通過(guò)手機(jī)的特定應(yīng)用軟件，支持與車載藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接及通信認(rèn)證，為系統(tǒng)提供身份信息、位置信息及控制命令。

啟動(dòng)按鈕是車身的啟動(dòng)開關(guān)，通常布置在方向盤右側(cè)或中控臺(tái)上，是一鍵啟動(dòng)功能的觸發(fā)開關(guān)，用戶可通過(guò)觸發(fā)開關(guān)來(lái)啟動(dòng)車輛，可通過(guò)開關(guān)上的指示燈對(duì)車輛啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)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(nèi)空間中，在車內(nèi)建立了完整、均勻的LF磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能鑰匙的定位。

門把手開關(guān)模塊集成了門把手開關(guān)及低頻天線，是無(wú)鑰匙進(jìn)入功能的觸發(fā)開關(guān)及PEPS控制器LF通信的載體，用戶可通過(guò)觸發(fā)門把手開關(guān)來(lái)發(fā)起解鎖或閉鎖控制。

后備箱開關(guān)是布置在汽車后備箱外部的開關(guān)，用戶可通過(guò)觸發(fā)后備箱開關(guān)來(lái)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(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)，主要包含無(wú)鑰匙解閉鎖車輛、無(wú)鑰匙解鎖后備箱及一鍵啟動(dòng)車輛3個(gè)功能。

無(wú)鑰匙解閉鎖車輛功能，用戶攜帶與車輛匹配的鑰匙，進(jìn)入司機(jī)門或副司機(jī)門側(cè)的有效區(qū)域，通過(guò)觸發(fā)門把手開關(guān)，激活車身控制器與鑰匙之間的加密通信，完成車輛對(duì)鑰匙的身份識(shí)別及定位，再通過(guò)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(duì)門鎖的控制，實(shí)現(xiàn)車輛的解閉鎖功能。

無(wú)鑰匙解鎖后備箱功能，用戶攜帶與車輛匹配的鑰匙，進(jìn)入后備箱側(cè)的有效區(qū)域，通過(guò)觸發(fā)后備箱開關(guān)，激活車身控制器與鑰匙之間的加密通信，完成車輛對(duì)鑰匙的身份識(shí)別及定位，再通過(guò)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(duì)后備箱的解鎖控制，實(shí)現(xiàn)車輛的解鎖后備箱功能。

一鍵啟動(dòng)功能，用戶攜帶與車輛匹配的鑰匙進(jìn)入汽車內(nèi)，通過(guò)踩剎車并按下啟動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，激活車身控制器與鑰匙之間的加密認(rèn)證，完成車輛對(duì)鑰匙的身份識(shí)別及定位，并控制汽車電源檔位切換，促使發(fā)動(dòng)機(jī)防盜系統(tǒng)完成加密認(rèn)證，以保證后續(xù)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)車輛啟動(dòng)成功。

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

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 LF及RF通信技術(shù)

PEPS控制器和智能鑰匙之間采用LF及RF通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息交互，完成系統(tǒng)的鑰匙身份校驗(yàn)及定位。PEPS控制器作為L(zhǎng)F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L(zhǎng)F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L(zhǎng)F通信頻率，選取434 MHz作為RF通信頻率。

PEPS控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)，包括門把手開關(guān)、啟動(dòng)按鈕、后備箱開關(guān)，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)有效時(shí)，則立即發(fā)送LF數(shù)據(jù)，同時(shí)開始等待智能鑰匙的RF響應(yīng)數(shù)據(jù)。

智能鑰匙實(shí)時(shí)監(jiān)聽LF數(shù)據(jù)，如果此時(shí)智能鑰匙在PEPS的LF覆蓋區(qū)域內(nèi)，則智能鑰匙會(huì)被激活，同時(shí)立即校驗(yàn)接收數(shù)據(jù)的合法性，當(dāng)數(shù)據(jù)合法時(shí)，則根據(jù)接收到的LF數(shù)據(jù)進(jìn)行磁場(chǎng)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(shí)時(shí)間內(nèi)接收到智能鑰匙響應(yīng)的RF數(shù)據(jù)，則立即對(duì)數(shù)據(jù)中的鑰匙身份信息進(jìn)行校核，確認(rèn)鑰匙信息合法后，則根據(jù)鑰匙位置信息判定是否滿足當(dāng)前動(dòng)作要求，如滿足，則執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，如不滿足，則退出。

3.2 CAN總線通信協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN總線是PEPS控制器、藍(lán)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(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。在無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)中，CAN協(xié)議設(shè)計(jì)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(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)中，功能邏輯相關(guān)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(guān)的檢測(cè)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(fù)載狀態(tài)，因此，為滿足系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)序，PEPS控制器和BCM控制器的CAN節(jié)點(diǎn)選擇為周期事件混合幀類型的應(yīng)用報(bào)文，實(shí)時(shí)向總線發(fā)布相關(guān)信息。

3.2.2 加密信息交互協(xié)議

無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)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(lán)牙鑰匙的身份識(shí)別認(rèn)證，又需要保證與EMS的發(fā)動(dòng)機(jī)防盜認(rèn)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(lán)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(jī)藍(lán)牙模塊與車載藍(lán)牙模塊建立連接并實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別驗(yàn)證后，藍(lán)牙模塊需要通過(guò)CAN總線將藍(lán)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(guò)程設(shè)計(jì)為加密通信，即只有藍(lán)牙模塊發(fā)布的數(shù)據(jù)通過(guò)了PEPS控制器的認(rèn)證后，才可以利用藍(lán)牙鑰匙的信息。因此，藍(lán)牙模塊的CAN節(jié)點(diǎn)選擇事件幀類型作為加密認(rèn)證和信息發(fā)布的報(bào)文，報(bào)文中包含加密數(shù)據(jù)字節(jié)、藍(lán)牙鑰匙信息字節(jié)、Checksum字節(jié)。PEPS控制器的CAN節(jié)點(diǎn)選擇事件幀類型作為加密認(rèn)證和結(jié)果反饋的報(bào)文，報(bào)文中需要包含加密數(shù)據(jù)字節(jié)、認(rèn)證結(jié)果狀態(tài)字節(jié)、Checksum字節(jié)。

為了滿足一鍵啟動(dòng)功能，PEPS在完成鑰匙身份識(shí)別后，需要控制車輛的電源檔位切換，同時(shí)觸發(fā)與EMS的發(fā)動(dòng)機(jī)防盜認(rèn)證，只有通過(guò)了EMS的加密認(rèn)證，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)成功。因此，PEPS控制器的CAN節(jié)點(diǎn)選擇事件幀類型作為加密認(rèn)證和信息發(fā)布的報(bào)文，報(bào)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(diǎn)選擇事件幀類型作為加密認(rèn)證和結(jié)果反饋的報(bào)文，報(bào)文中需要包含加密數(shù)據(jù)字節(jié)、加密認(rèn)證結(jié)果狀態(tài)、Checksum字節(jié)。

3.3 藍(lán)牙鑰匙控制策略設(shè)計(jì)

在無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)中引入藍(lán)牙鑰匙，則需要對(duì)藍(lán)牙鑰匙及智能鑰匙的處理策略進(jìn)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(lán)牙鑰匙的控制流程如下。

藍(lán)牙模塊周期廣播信息，手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)入有效區(qū)域內(nèi)，則會(huì)與藍(lán)牙模塊建立連接，當(dāng)藍(lán)牙模塊校驗(yàn)身份信息合法后，則會(huì)立即發(fā)起與PEPS控制器的加密認(rèn)證，在接收到PEPS控制器的響應(yīng)后，則利用秘鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并發(fā)送加密認(rèn)證數(shù)據(jù)。

PEPS控制器實(shí)時(shí)接收藍(lán)牙模塊的認(rèn)證請(qǐng)求，收到后立即響應(yīng)藍(lán)牙模塊加密數(shù)據(jù)，同時(shí)等待藍(lán)牙模塊響應(yīng)的加密數(shù)據(jù)，如果收到藍(lán)牙模塊的加密數(shù)據(jù)且校驗(yàn)通過(guò)后，則藍(lán)牙鑰匙有效，否則藍(lán)牙鑰匙無(wú)效。

結(jié)合PEPS控制器與智能鑰匙的認(rèn)證流程，智能鑰匙有效性的優(yōu)先級(jí)高于藍(lán)牙鑰匙，即只有當(dāng)未檢測(cè)到有效的智能鑰匙時(shí)，才會(huì)利用藍(lán)牙鑰匙的信息。

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

4.1 測(cè)試環(huán)境

針對(duì)上述設(shè)計(jì)方案，搭建了試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，即利用CANoe軟件設(shè)計(jì)CAN網(wǎng)絡(luò)仿真，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊、BCM控制器及EMS節(jié)點(diǎn)的功能邏輯協(xié)議、加密信息協(xié)議的仿真，利用開關(guān)、繼電器等基本負(fù)載實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)按鈕、門把手開關(guān)等測(cè)試平臺(tái)的搭建，將設(shè)計(jì)完成的PEPS控制器、智能鑰匙作為被測(cè)對(duì)象在測(cè)試平臺(tái)中進(jìn)行驗(yàn)證[4] 。

4.2 測(cè)試結(jié)果

利用上述測(cè)試平臺(tái)對(duì)PEPS控制器進(jìn)行了大量的測(cè)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(cè)試，設(shè)定系統(tǒng)CAN通信頻率為500 kbps，基于設(shè)計(jì)的功能邏輯信息交互協(xié)議，測(cè)試PEPS控制器對(duì)BCM控制器發(fā)送的信號(hào)接收情況，測(cè)試PEPS控制器發(fā)布的狀態(tài)信號(hào)情況，經(jīng)測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確收發(fā)?；谠O(shè)計(jì)的加密信息交互協(xié)議，測(cè)試PEPS控制器與藍(lán)牙模塊、EMS模塊之間的加密認(rèn)證流程，經(jīng)測(cè)試，可以滿足加密認(rèn)證協(xié)議，且信號(hào)收發(fā)正常。

LF及RF通信測(cè)試，PEPS控制器和智能鑰匙之間采用125 Hz作為L(zhǎng)F通信頻率，434 MHz作為RF通信頻率通信頻率，兩點(diǎn)之間采用加密認(rèn)證，經(jīng)測(cè)試，數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)加密認(rèn)證，且改變智能鑰匙與PEPS控制器的相對(duì)位置，PEPS控制器能夠有效識(shí)別智能鑰匙的位置變化，通過(guò)一定的算法，模擬識(shí)別智能鑰匙在系統(tǒng)中的幾個(gè)關(guān)鍵位置。

基本功能測(cè)試，PEPS控制器支持解閉鎖、解鎖后備箱及一鍵啟動(dòng)功能，在測(cè)試平臺(tái)中，通過(guò)模擬的CAN網(wǎng)絡(luò)及開關(guān)觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了智能鑰匙和藍(lán)牙鑰匙2種鑰匙集成的無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)的基本功能。

5 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種集成藍(lán)牙鑰匙功能的無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)，使用戶可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙功能對(duì)車輛進(jìn)行相關(guān)控制，為無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣提供了一種新的可能。隨著手機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，藍(lán)牙技術(shù)作為一個(gè)接口，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)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。

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