汽車遙控門禁系統的可靠性研究

陳建強，白曉剛，杜 周

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汽車遙控門禁系統的可靠性研究

陳建強1，白曉剛1，杜 周2

（1.長城汽車股份有限公司天津分公司商品技術部，天津 300460；2.科世達（上海）管理有限公司電子研發中心上海 201814）

影響車輛RKE性能的因素非常多，因此汽車制造商在設計RKE功能時必須考慮以上因素。在完成系統匹配、射頻測試和功能測試的基礎上，要針對市場車輛反饋的各種問題進行深入的研究，以提升系統最終的可靠性。否則系統一旦出現異常，必然導致RKE功能出現各種失效模式。本文針對典型的RKE系統軟硬件方面進行了詳細的介紹，并針對疑難失效模式進行了詳細的分析和改進，從而提升了RKE系統的穩定性。

RF接收電路；曼徹斯特編碼；可靠性

隨著汽車電子技術的快速發展，遙控門鎖、無鑰匙進入等功能已經成為車輛電器系統的標準配置，為了降低零部件采購成本，很多車廠將RKE（遙控門禁）功能集成在車身控制單元（BCM）中，但是由于BCM硬件集成度高，軟件邏輯非常復雜，影響RKE功能的因素也就比較多，例如RF接收電路的可靠性，MCU解碼的正確率，軟件邏輯的設計Bug等，以上因素導致車輛出現RKE操作偶爾失效，抗干擾能力差等問題，嚴重影響用戶的正常使用。本文通過對RKE典型失效模式的分析，闡述了RKE偶發性故障的分析方法，并提出了解決問題的思路。

一、典型RKE系統設計方案概述

典型的RKE方案框架如圖1所示，高頻接收電路中的RF_IC大多采用TDA5210、MAX7036 、ATA5724、ATA5781等芯片，采用TDA5210、MAX7036時需要MCU對RF基帶信號進行軟件解碼，因此對MCU的軟件資源要求較高，而采用ATA5724、ATA5781時采用芯片內解碼方案，與MCU之間采用SPI通過方式，占用MCU軟件資源少。

圖1 典型的RKE方案框架

圖2 滾動碼加密模型

目前RKE發射器方案多采用滾動碼的加密方式來提高系統的安全性，常用的加密模型如圖2所示。每一幀數據的數據由中斷（Break）、同步頭（Preamble）、報頭（Header）、起始位（Start Bit）、跳碼（Hop Code）、序列號（ID）、低電壓指示位和CRC碼組成，一般采用曼徹斯特編碼的方式進行編碼，通過ASK或FSK的調制方式，通過433.92MHz的高頻載波發射出去。本文采用Microchip PIC12F635芯片作為RKE系統的發射芯片，為了確保信號傳遞的可靠性，RKE 載波頻率偏移應≤ ±70KHz，每包數據包含為2-4幀信息。

典型的RF接收電路硬件框架如圖3所示，本文以MAX7036芯片作為RF_IC，當車輛閉鎖后，為降低整車靜態電流，BCM在一定的時間內進入低功耗狀態，此時RF_IC周期性開啟接收RF信號，經過RF_IC解析出的基帶信號交給MCU進行解碼（可以通過示波器觀察基帶信號），即MCU要周期性地讀取基帶信號的脈寬，按照編碼規則進行解碼，一旦解碼成功，且數據中的ID與BCM E2PRPOM中存儲的ID相同，MCU立即喚醒系統（可以通過CAN總線監控MCU解碼是否成功），并按照RKE信號的按鍵功能執行解、閉鎖指令。

圖3 RF接收電路硬件框架

當MAX7036處于Stop mode模式時，啟用內部240K振蕩器，而在low power mode時啟動內部的8M振蕩器，如圖4所示，RF接收電路的開啟周期為30ms，在窗口開啟的7ms內判斷收到的基帶信號的電平脈寬是否符合標準，如果符合標準就啟動解碼，此時軟件開始等待同步頭，一旦MCU解碼成功，確認RKE信號是合法數據后，MCU立即啟動外部16M的振蕩器，系統進入喚醒狀態，并控制驅動電路執行相應的指令。由于RKE每幀信號的長度約為45ms，采用標準的7-30ms休眠喚醒周期來監聽RF信號，其優點是該周期覆蓋了RKE的45ms數據幀長度。在任何情況下，都可以將第一幀數據作為喚醒源，在第二幀就能分析出數據的有效性，從而提高BCM的響應速度。

圖4 RKE低功耗模式

圖5 曼徹斯特解碼

由于RKE信號采用曼徹斯特解碼，當信號的基帶信號頻率為1.677kbps時，一個bit數據電平變化的最短脈寬為300μs，將高電平脈寬定義為H，低電平脈寬定義為L，則H=L=300μs，1個bit數據的周期T=H+L=600μs。軟件解碼是采用識別信號上升沿的方式，解碼軟件應用的3個特性值為T、1.5T和2T，即高電平的變化周期為600μs、900μs或1200μs，如圖5所示。軟件根據周期內高低電平的變化，并結合前一個周期最后端的電平狀態，來判斷本周期內的數據狀態是1或0。

二、RKE系統典型失效模式分析

RKE偶發失效模式中，軟件bug及RF電路的不穩定性往往是造成問題的主要原因，這類問題用戶抱怨很大，但由于故障現象比較隨機，往往不容易捕捉和分析。

（一）軟件閾值設置偏差分析

某車型用戶反饋低溫時RKE故障率較高，對該車型的BCM進行系統分析后，發現BCM MCU在low power mode狀態下采用內部的8M振蕩器完成解碼任務，而8M振蕩器在不同的環境溫度下精度誤差較大，其規格書給出的誤差范圍為±10%，實測該芯片在低溫下會接近下限值7.2MHz。發射器的基帶信號的時序存在較大的散差，常溫下抽取部分樣品進行測試發現偏差約在6.6-12.8%之間（如圖6所示，T實測為670μs，要求為600μs），而解碼軟件設置的特性值誤差如表1所示。由于振蕩器、發射器基帶信號和軟件參數設置的不合理性，造成RKE會出現偶爾解碼失敗的現象，導致遙控器功能偶爾失靈。改進后的軟件參數如表2所示，經在低溫環境下進行RKE喚醒率測試，調整后的軟件參數可以解決芯片參數散差造成的RKE偶爾失靈問題。

表1 改進前解碼軟件特性值

表2 改進后解碼軟件特性值

（二）軟件邏輯錯誤分析

為了避免頻繁操作開、閉鎖導致閉鎖器內部驅動馬達損壞，BCM一般都具備中控鎖熱保護功能，例如10s內連續開、閉鎖次數＞9次，BCM會進入30s的中控鎖熱保護時間，在這段時間包括RKE功能在內的所有與中控鎖相關的操作都無法使用。

圖6 RKE基帶信號波形

圖7 中控熱保護功能流程圖

某車型用戶反饋車輛偶爾無法用RKE開、閉鎖，且故障現象沒有任何規律，根據用戶對故障的描述，對BCM硬件進行了詳細的檢查，未發現異常問題。根據該車型BCM設計文檔，對涉及中控鎖的所有軟件模塊進行分析，發現中控熱保護功能的軟件邏輯存在異常，其軟件流程如圖7所示。該功能作用是在10s內中控狀態連續變化≥9次時，中控鎖進入熱保護狀態，直到30s后故障恢復正常，在這個周期內RKE功能也無法使用。為實現此功能，軟件采用一個計數器count和9個計時器T1-T9，每次有效觸發一次中控鎖，count++，同時啟動一個計時器，當count＞9時，計時器內容依次上移。只有在BCM進入休眠狀態或熱保護結束后count和T1-T9才會清零，否則count和T1-T9會一直累加下去。這樣當中控鎖的狀態每發生一次變化時，軟件會判斷T1≤10＆count＞9，以判斷系統是否進入了熱保護狀態。按照軟件邏輯編制測試用例，發現當計時器出現溢出時，軟件會出現誤進入中控熱保護的狀態，此時如果使用RKE就會出現失靈的現象。

根據計時器溢出時間對BCM軟件邏輯進行測試，測試用例如圖8所示。根據測試結果發現，在計時器T1溢出時，如果count=9，中控鎖就會進入熱保護，此時RKE功能也就失靈了。也即是說只要count=9，且BCM始終處于喚醒狀態，那么每隔327s就會出現30s的中控熱保護。針對計時器溢出的問題，在每個計時器進行加1操作前，對當前值進行檢查，停止將要溢出的計時器。將改進后軟件測試合格后升級到用戶車輛，用戶反饋此問題徹底解決。

圖8 BCM測試用例

三、系統穩定性分析

某車型用戶反饋遙控器偶爾無法開、閉鎖，尤其在市區的大型停車場、生活區停車場或無線電信號比較復雜的場所故障更明顯。經過對RF接收芯片輸出的基帶信號進行測量分析（測量方法如圖3所示），發現即使在外部干擾信號較少的情況下，輸出的基帶信號也存在大量的雜波，當外部環境比較復雜時，更容易出現數字基帶信號被破壞的情況。如圖9、10所示，在同一環境中，不同設計方案的RF電路，其基帶信號的雜波明顯不同，故障車輛基帶信號經常破壞掉，造成MCU無法正常解碼。

圖9 RKE信號異常波形

圖10 RKE基帶信號異常雜波

該車型BCM的RF電路的接收靈敏度比較高，且采用了單獨的RF前置放大電路，如圖11所示，這樣造成MAX7637的低噪放大器LNAIN的輸入信號中的雜波比較多，在MAX7637對信號進行數字整形輸出時，往往會出現波形被破壞的現象，造成MCU解碼失敗。如果MAX7637連續輸出的多幀數據都存在此問題，就會造成RKE短暫失靈的現象。將前置放大電路去除后，并對RF接收電路進行優化后，重新進行Ant-SAW-LNA各級之間的阻抗匹配，經過傳導靈敏度測試、接收帶寬測試和抗干擾測試合格后，最終通過降低RF電路接收靈敏度的方案徹底解決此問題。

五、結束語

通過以上對BCM硬件和軟件方面的改進優化，基本上解決RKE偶發失效問題，并在一定程度上提升了RKE系統的強壯性。RKE系統的穩定性涉及到很多因素，例如同頻干擾，車輛玻璃貼膜使射頻信號衰減，用戶改裝電器產生的空間輻射干擾等，這類問題要求設計人員在產品設計初期，必須予以充分的識別，通過各種試驗方法模擬復雜的用車環境，最大程度上提升RKE系統的穩定性和抗干擾能力。

圖11 RF前置放大電路

[1]丁明軍，徐建成. 射頻卡應用中的曼徹斯特碼解碼技術[J]. 信息安全與通訊保密，2007（12）.

[2]陳良琳. 基于TDA5210的868MHz無線接收模塊設計[J]. 電子設計工程，2011（5）.

[3]賈天陽，陳勝國. 基于汽車遙控門禁（RKE）系統性能及可靠性測試的研究[J]. 汽車零部件，2012（8）.

（責任編輯姚仲仁）

Reliability Research of Automobile RKE System

CHEN Jian-qiang1，BAI Xiao-gang1，DU Zhou2

（1. Great Wall Motor Company Limited, Tianjin Branch, Tianjin 300460, China; 2. Electronic Research Center, Kostal Management Co.,Ltd, Shanghai 201814, China）

There are many influence elements about the natural capacity of automobile RKE system，such as the stability of RF hardware circuit board，the reliability of decode software，the defect of logical software，the EMC interference according to modified cars，so the automobile manufacturers must consider these elements when designing the RKE system. The automobile manufacturers should make further research after system matching，RF test and function test according to the feedback from the customers，in order to improve the reliability of automobile RKE system. Otherwise, once the system appears disorder,the EKE system’s function would lead tolose effectiveness. This thesis introduces the hardware of automobile RKE system in detail，analyses and improves some difficult wrong modes, promoting the natural capacity of automobile RKE system。

RF receiving circuit; Manchester code; reliability

U463.6

A

1008—6129（2015）01—0070—05

2014—11—30

陳建強（1980—）,河北滄州人，長城汽車股份有限公司天津分公司商品技術部，工程師。