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(yè)技術(shù)學(xué)院 機械與汽車工程系，安徽 宣城 242000）

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)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(nèi)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(tǒng)是車載網(wǎng)絡(luò)通信的典型應(yīng)用之一，它是在遙控門禁系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的汽車電子技術(shù)[1]，是無鑰匙起動系統(tǒng)的重要組成部分，整個系統(tǒng)實時性好且功能實現(xiàn)穩(wěn)定可靠，體現(xiàn)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(yīng)用。

1 無鑰匙起動控制系統(tǒng)

1.1 無鑰匙起動

無鑰匙起動，也稱為一鍵起動，在車載網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用無線射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）傳感技術(shù)[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(xié)議規(guī)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(tǒng)都有無鑰匙進入功能，也就是在車外能感應(yīng)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(tǒng)自動解禁；反之如果識別到車載遙控鑰匙離開車內(nèi)，門控系統(tǒng)自動恢復(fù)。車載電子閱讀器、門控系統(tǒng)以及起動控制系統(tǒng)一般通過車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接，所以說，實現(xiàn)無鑰匙起動控制系統(tǒng)功能關(guān)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(tǒng)組成

無鑰匙起動控制系統(tǒng)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(tǒng)功能逐步升級，效果非常可靠。如2017款奔馳C200轎車已采用奔馳第四代駕駛認可系統(tǒng)，通過散列技術(shù)生成可變代碼[5]，單向加密，有效防止車輛在未授權(quán)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(tǒng)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(tǒng)主要有八個控制模塊，即：智能儀表（A1）、發(fā)動機控制單元（N3/10）、穩(wěn)定行駛系統(tǒng)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(guān)控制單元（N73）、傳動系統(tǒng)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(dǎo)線傳輸信息，它們一方面接收信息，另一方面也發(fā)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(tǒng)信息路徑

圖1 奔馳C200轎車無鑰匙起動系統(tǒng)控制原理圖

1.3 無鑰匙起動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系

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

根據(jù) CAN通信協(xié)議，CAN網(wǎng)是一個事件觸發(fā)式總線系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采用報文傳輸[6]，節(jié)點間雙絞線連接，差分式信號傳輸，有顯性態(tài)（“0”）和隱性態(tài)（“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(wǎng)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(tài)，其它CAN網(wǎng)均為高速CAN總線，速率為500 kbit/s，無休眠態(tài)。同一CAN總線上的所有節(jié)點都有不同的地址，各個節(jié)點都可以隨時發(fā)送和接收信息，發(fā)送時采用仲裁機制，接收時采用“廣播式”，當總線上有節(jié)點發(fā)送信息時，接收節(jié)點只接收與自己驗收濾波器設(shè)置一致的信息。FlexRay網(wǎng)絡(luò)是將事件觸發(fā)和時間觸發(fā)相結(jié)合的高速總線[7]，實時性數(shù)據(jù)傳輸，通信可靠，故障容錯能力強，傳輸速率可達2×10 Mbit/s，F(xiàn)lexRay通信控制器一般有兩個通信通道，可以開發(fā)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(jié)構(gòu)。在無鑰匙起動控制系統(tǒng)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(tǒng)所有CAN和FlexRay成為通信一體，起到網(wǎng)關(guān)的作用。

2 無鑰匙起動控制系統(tǒng)功能

無鑰匙起動控制功能一般包含遙控鑰匙查詢、起動發(fā)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(tài)且車門控制單元未被觸發(fā)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(fā)，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(fā)生。（1）查詢請求，由無鑰匙起動控制單元發(fā)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(nèi)部沒有檢測到被認證的遙控鑰匙，則在連續(xù)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(huán)查詢，發(fā)動機起動后繼續(xù)循環(huán)查詢鑰匙，若在車內(nèi)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(guān)閉發(fā)動機，但發(fā)動機不能再次起動。

2.2 發(fā)動機起動功能

起動功能是無鑰匙起動控制系統(tǒng)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(fā)，無鑰匙起動控制單元直接讀取起動觸發(fā)信號，并檢查確認遙控鑰匙是否在車內(nèi)。（3）傳遞起動信號，由點火開關(guān)控制單元將起動信號依次通過底盤FlexRay總線、傳動系統(tǒng)控制單元和發(fā)動機控制器局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至發(fā)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(fā)動機將不能起動，由無鑰匙起動控制單元發(fā)出提示信息—“未檢測到鑰匙”，經(jīng)點火開關(guān)控制單元送到儀表顯示。為了保護起動電源，在連續(xù)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(guān)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(fā)腳制動信號，僅接通供電端子 15R，類似于機械式點火開關(guān)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(guān)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(guān)OFF狀態(tài)。若是在夜間，點火開關(guān)控制單元還有斷電延時功能，使汽車大燈持續(xù)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(guān)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(tài)發(fā)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(shù)據(jù)，分析停機時刻。當車速不大于3 km/h，立即發(fā)出關(guān)閉發(fā)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(fā)出關(guān)閉發(fā)動機指令，方便制動停車。

3 無鑰匙起動系統(tǒng)控制邏輯

所謂控制邏輯，就是在系統(tǒng)時序作用下，一步一步地實現(xiàn)控制功能的過程。車載無鑰匙起動系統(tǒng)控制邏輯，首先是遙控鑰匙位置查詢，之后是車輛起動系統(tǒng)控制。結(jié)合“奔馳C200轎車無鑰匙起動系統(tǒng)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(xiàn)發(fā)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(jù)圖1，在促動左前門中央鎖止系統(tǒng)“開啟”開關(guān)（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(nèi)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN B）將其發(fā)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(fā)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(qū)域）內(nèi)，遙控鑰匙就對編碼請求進行解碼，然后在其位于可接收區(qū)域發(fā)送反饋信息。如：遙控鑰匙位于車外的A區(qū)或B區(qū)，左側(cè)門把手接收天線A2/38或右側(cè)門把手接收天線A2/40發(fā)射信號；位于車內(nèi)的C區(qū)或D區(qū)，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(fā)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(zhuǎn)化為CAN幀通過車內(nèi)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN B）將其發(fā)送至點火開關(guān)控制單元（N73），在點火開關(guān)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(tǒng)控制邏輯

實現(xiàn)無鑰匙起動功能，無鑰匙起動控制系統(tǒng)要先后經(jīng)過促動、請求、響應(yīng)、判斷、提示、識別、接通等嚴格的邏輯時序，方能起動發(fā)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(fā)動機，無鑰匙起動控制單元（N69/5）首先發(fā)出頻率為125 kHz經(jīng)過調(diào)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(nèi)。

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(nèi)發(fā)出無線低頻調(diào)幅信號，車內(nèi)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(yīng)邏輯（A8/1→A2/32→A2/18→N69/5→N73）

位于車內(nèi)的遙控鑰匙（A8/1）解碼無線請求信號，并發(fā)送頻率為433.92 MHz的調(diào)頻響應(yīng)信號（又稱二次編碼，內(nèi)含“身份編碼”+“用戶編碼”），后車窗天線（A2/32）接收調(diào)頻響應(yīng)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(yīng)，取出二次編碼，驗證鑰匙的“身份編碼”（owner ID）后通過車內(nèi)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN B）將剩余的“用戶編碼”信號發(fā)送至電子點火開關(guān)控制單元（N73），由點火開關(guān)控制單元查驗鑰匙的“用戶編碼”（user ID），如果分析結(jié)果是肯定的，點火開關(guān)控制單元就會認可該遙控鑰匙。

3.2.4 起動狀態(tài)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(guān)控制單元（N73）直接讀取此請求并通過車內(nèi)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN B）將“起動/停止按鈕已按下”狀態(tài)發(fā)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(fā)送一次編碼信號（低頻，調(diào)幅，125 kHz），遙控鑰匙響應(yīng)一次編碼信號，并發(fā)出二次編碼（高頻，調(diào)幅，433.92 MHz）回應(yīng)。無鑰匙起動控制單元通過車內(nèi)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN B）將此二次編碼發(fā)送至電子點火開關(guān)控制單元，點火開關(guān)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(nèi)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN B）將來自遙控鑰匙的二次編碼發(fā)送至點火開關(guān)控制單元（N73），若點火開關(guān)控制單元檢驗此代碼無效，則向智能儀表（A1）發(fā)送出錯請求，儀表顯示“未檢測到鑰匙”信息。如有連續(xù)按下無鑰匙起動/停止按鈕多次（五次以上）后仍未在車內(nèi)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(tǒng)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN C1），傳動系統(tǒng)控制單元（N127）和底盤FlexRay，將變速器換擋桿位置信號發(fā)送至點火開關(guān)控制單元（N73），由點火開關(guān)控制單元確認擋桿的位置。

3.2.7 制動狀態(tài)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(wěn)定行駛系統(tǒng)控制單元（N30/4）通過底盤 FlexRay將制動燈開關(guān)的狀態(tài)和踏板角度傳感器的信號發(fā)送至點火開關(guān)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(guān)，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(guān)供電端子15R；若按下二次，接通點火開關(guān)端子15，若按下三次，則端子15R和15均斷開，此時點火開關(guān)控制單元（N73）通過CAN B總線將斷電信息發(fā)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(guān)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(tài)信息通過底盤FlexRay、傳動系統(tǒng)控制單元（N127）和發(fā)動機控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN C）發(fā)送至發(fā)動機控制單元（N3/10），由發(fā)動機控制單元執(zhí)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(guān)閉發(fā)動機信號時，首先要獲取車輛的速度，即根據(jù)速度信號來確定關(guān)閉發(fā)動機的時刻，向智能儀表（A1）發(fā)送請求信號，智能儀表通過用戶接口控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN HMI）、點火開關(guān)控制單元（N73）和車內(nèi)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN B）將車速發(fā)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(fā)動機運轉(zhuǎn)時按下無鑰匙起動的起動/停止按鈕（S2/3），點火開關(guān)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(nèi)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN B）將“起動/停止按鈕已按下”狀態(tài)發(fā)送至無鑰匙起動控制單元（N69/5），無鑰匙起動控制單元根據(jù)此時車速并通過車內(nèi)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN B）、點火開關(guān)控制單元和底盤 FlexRay、傳動系統(tǒng)控制單元（N127）和發(fā)動機控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN C）將“關(guān)閉發(fā)動機”請求發(fā)送至發(fā)動機控制單元（N3/10），發(fā)動機控制單元立即“斷油斷火”，完成停機功能。

4 總結(jié)

無鑰匙起動控制功能的實現(xiàn)是 RFID通信、CAN通信和FlexRay通信等協(xié)議在車載網(wǎng)絡(luò)控制中的綜合應(yīng)用，雖然較為復(fù)雜，但是信號傳輸有嚴格的時序規(guī)律。促動、請求、響應(yīng)、判斷等時序前后相繼，連續(xù)不斷，也只有在車載各個控制模塊下能夠?qū)崿F(xiàn)。遙控鑰匙控制單元、無鑰匙起動控制單元、點火開關(guān)控制單元以及發(fā)動機控制單元等多個模塊是無鑰匙起動控制功能實現(xiàn)的重要載體，它們不僅實現(xiàn)了不同協(xié)議信號之間的通信，而且將無線通信技術(shù)植根于車載通信系統(tǒng)之中，達成了復(fù)合通信能力，增強了無鑰匙起動控制“鑰匙-車”同體化設(shè)計效果。隨著 RFID與車載網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)深入融合，汽車高度智能化、安全化、“人-車-路”一體化必將實現(xiàn)。