汽车遥控门禁系统的可靠性研究

陈建强，白晓刚，杜 周



汽车遥控门禁系统的可靠性研究

陈建强1，白晓刚1，杜 周2

（1.长城汽车股份有限公司天津分公司商品技术部，天津 300460；2.科世达（上海）管理有限公司电子研发中心上海 201814）

影响车辆RKE性能的因素非常多，因此汽车制造商在设计RKE功能时必须考虑以上因素。在完成系统匹配、射频测试和功能测试的基础上，要针对市场车辆反馈的各种问题进行深入的研究，以提升系统最终的可靠性。否则系统一旦出现异常，必然导致RKE功能出现各种失效模式。本文针对典型的RKE系统软硬件方面进行了详细的介绍，并针对疑难失效模式进行了详细的分析和改进，从而提升了RKE系统的稳定性。

RF接收电路；曼彻斯特编码；可靠性

随着汽车电子技术的快速发展，遥控门锁、无钥匙进入等功能已经成为车辆电器系统的标准配置，为了降低零部件采购成本，很多车厂将RKE（遥控门禁）功能集成在车身控制单元（BCM）中，但是由于BCM硬件集成度高，软件逻辑非常复杂，影响RKE功能的因素也就比较多，例如RF接收电路的可靠性，MCU解码的正确率，软件逻辑的设计Bug等，以上因素导致车辆出现RKE操作偶尔失效，抗干扰能力差等问题，严重影响用户的正常使用。本文通过对RKE典型失效模式的分析，阐述了RKE偶发性故障的分析方法，并提出了解决问题的思路。

一、典型RKE系统设计方案概述

典型的RKE方案框架如图1所示，高频接收电路中的RF_IC大多采用TDA5210、MAX7036 、ATA5724、ATA5781等芯片，采用TDA5210、MAX7036时需要MCU对RF基带信号进行软件解码，因此对MCU的软件资源要求较高，而采用ATA5724、ATA5781时采用芯片内解码方案，与MCU之间采用SPI通过方式，占用MCU软件资源少。

图1 典型的RKE方案框架

图2 滚动码加密模型

目前RKE发射器方案多采用滚动码的加密方式来提高系统的安全性，常用的加密模型如图2所示。每一帧数据的数据由中断（Break）、同步头（Preamble）、报头（Header）、起始位（Start Bit）、跳码（Hop Code）、序列号（ID）、低电压指示位和CRC码组成，一般采用曼彻斯特编码的方式进行编码，通过ASK或FSK的调制方式，通过433.92MHz的高频载波发射出去。本文采用Microchip PIC12F635芯片作为RKE系统的发射芯片，为了确保信号传递的可靠性，RKE 载波频率偏移应≤ ±70KHz，每包数据包含为2-4帧信息。

典型的RF接收电路硬件框架如图3所示，本文以MAX7036芯片作为RF_IC，当车辆闭锁后，为降低整车静态电流，BCM在一定的时间内进入低功耗状态，此时RF_IC周期性开启接收RF信号，经过RF_IC解析出的基带信号交给MCU进行解码（可以通过示波器观察基带信号），即MCU要周期性地读取基带信号的脉宽，按照编码规则进行解码，一旦解码成功，且数据中的ID与BCM E2PRPOM中存储的ID相同，MCU立即唤醒系统（可以通过CAN总线监控MCU解码是否成功），并按照RKE信号的按键功能执行解、闭锁指令。

图3 RF接收电路硬件框架

当MAX7036处于Stop mode模式时，启用内部240K振荡器，而在low power mode时启动内部的8M振荡器，如图4所示，RF接收电路的开启周期为30ms，在窗口开启的7ms内判断收到的基带信号的电平脉宽是否符合标准，如果符合标准就启动解码，此时软件开始等待同步头，一旦MCU解码成功，确认RKE信号是合法数据后，MCU立即启动外部16M的振荡器，系统进入唤醒状态，并控制驱动电路执行相应的指令。由于RKE每帧信号的长度约为45ms，采用标准的7-30ms休眠唤醒周期来监听RF信号，其优点是该周期覆盖了RKE的45ms数据帧长度。在任何情况下，都可以将第一帧数据作为唤醒源，在第二帧就能分析出数据的有效性，从而提高BCM的响应速度。

图4 RKE低功耗模式

图5 曼彻斯特解码

由于RKE信号采用曼彻斯特解码，当信号的基带信号频率为1.677kbps时，一个bit数据电平变化的最短脉宽为300μs，将高电平脉宽定义为H，低电平脉宽定义为L，则H=L=300μs，1个bit数据的周期T=H+L=600μs。软件解码是采用识别信号上升沿的方式，解码软件应用的3个特性值为T、1.5T和2T，即高电平的变化周期为600μs、900μs或1200μs，如图5所示。软件根据周期内高低电平的变化，并结合前一个周期最后端的电平状态，来判断本周期内的数据状态是1或0。

二、RKE系统典型失效模式分析

RKE偶发失效模式中，软件bug及RF电路的不稳定性往往是造成问题的主要原因，这类问题用户抱怨很大，但由于故障现象比较随机，往往不容易捕捉和分析。

（一）软件阈值设置偏差分析

某车型用户反馈低温时RKE故障率较高，对该车型的BCM进行系统分析后，发现BCM MCU在low power mode状态下采用内部的8M振荡器完成解码任务，而8M振荡器在不同的环境温度下精度误差较大，其规格书给出的误差范围为±10%，实测该芯片在低温下会接近下限值7.2MHz。发射器的基带信号的时序存在较大的散差，常温下抽取部分样品进行测试发现偏差约在6.6-12.8%之间（如图6所示，T实测为670μs，要求为600μs），而解码软件设置的特性值误差如表1所示。由于振荡器、发射器基带信号和软件参数设置的不合理性，造成RKE会出现偶尔解码失败的现象，导致遥控器功能偶尔失灵。改进后的软件参数如表2所示，经在低温环境下进行RKE唤醒率测试，调整后的软件参数可以解决芯片参数散差造成的RKE偶尔失灵问题。

表1 改进前解码软件特性值

表2 改进后解码软件特性值

（二）软件逻辑错误分析

为了避免频繁操作开、闭锁导致闭锁器内部驱动马达损坏，BCM一般都具备中控锁热保护功能，例如10s内连续开、闭锁次数＞9次，BCM会进入30s的中控锁热保护时间，在这段时间包括RKE功能在内的所有与中控锁相关的操作都无法使用。

图6 RKE基带信号波形

图7 中控热保护功能流程图

某车型用户反馈车辆偶尔无法用RKE开、闭锁，且故障现象没有任何规律，根据用户对故障的描述，对BCM硬件进行了详细的检查，未发现异常问题。根据该车型BCM设计文档，对涉及中控锁的所有软件模块进行分析，发现中控热保护功能的软件逻辑存在异常，其软件流程如图7所示。该功能作用是在10s内中控状态连续变化≥9次时，中控锁进入热保护状态，直到30s后故障恢复正常，在这个周期内RKE功能也无法使用。为实现此功能，软件采用一个计数器count和9个计时器T1-T9，每次有效触发一次中控锁，count++，同时启动一个计时器，当count＞9时，计时器内容依次上移。只有在BCM进入休眠状态或热保护结束后count和T1-T9才会清零，否则count和T1-T9会一直累加下去。这样当中控锁的状态每发生一次变化时，软件会判断T1≤10＆count＞9，以判断系统是否进入了热保护状态。按照软件逻辑编制测试用例，发现当计时器出现溢出时，软件会出现误进入中控热保护的状态，此时如果使用RKE就会出现失灵的现象。

根据计时器溢出时间对BCM软件逻辑进行测试，测试用例如图8所示。根据测试结果发现，在计时器T1溢出时，如果count=9，中控锁就会进入热保护，此时RKE功能也就失灵了。也即是说只要count=9，且BCM始终处于唤醒状态，那么每隔327s就会出现30s的中控热保护。针对计时器溢出的问题，在每个计时器进行加1操作前，对当前值进行检查，停止将要溢出的计时器。将改进后软件测试合格后升级到用户车辆，用户反馈此问题彻底解决。

图8 BCM测试用例

三、系统稳定性分析

某车型用户反馈遥控器偶尔无法开、闭锁，尤其在市区的大型停车场、生活区停车场或无线电信号比较复杂的场所故障更明显。经过对RF接收芯片输出的基带信号进行测量分析（测量方法如图3所示），发现即使在外部干扰信号较少的情况下，输出的基带信号也存在大量的杂波，当外部环境比较复杂时，更容易出现数字基带信号被破坏的情况。如图9、10所示，在同一环境中，不同设计方案的RF电路，其基带信号的杂波明显不同，故障车辆基带信号经常破坏掉，造成MCU无法正常解码。

图9 RKE信号异常波形

图10 RKE基带信号异常杂波

该车型BCM的RF电路的接收灵敏度比较高，且采用了单独的RF前置放大电路，如图11所示，这样造成MAX7637的低噪放大器LNAIN的输入信号中的杂波比较多，在MAX7637对信号进行数字整形输出时，往往会出现波形被破坏的现象，造成MCU解码失败。如果MAX7637连续输出的多帧数据都存在此问题，就会造成RKE短暂失灵的现象。将前置放大电路去除后，并对RF接收电路进行优化后，重新进行Ant-SAW-LNA各级之间的阻抗匹配，经过传导灵敏度测试、接收带宽测试和抗干扰测试合格后，最终通过降低RF电路接收灵敏度的方案彻底解决此问题。

五、结束语

通过以上对BCM硬件和软件方面的改进优化，基本上解决RKE偶发失效问题，并在一定程度上提升了RKE系统的强壮性。RKE系统的稳定性涉及到很多因素，例如同频干扰，车辆玻璃贴膜使射频信号衰减，用户改装电器产生的空间辐射干扰等，这类问题要求设计人员在产品设计初期，必须予以充分的识别，通过各种试验方法模拟复杂的用车环境，最大程度上提升RKE系统的稳定性和抗干扰能力。

图11 RF前置放大电路

[1]丁明军，徐建成. 射频卡应用中的曼彻斯特码解码技术[J]. 信息安全与通讯保密，2007（12）.

[2]陈良琳. 基于TDA5210的868MHz无线接收模块设计[J]. 电子设计工程，2011（5）.

[3]贾天阳，陈胜国. 基于汽车遥控门禁（RKE）系统性能及可靠性测试的研究[J]. 汽车零部件，2012（8）.

（责任编辑姚仲仁）

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

陈建强（1980—）,河北沧州人，长城汽车股份有限公司天津分公司商品技术部，工程师。