汽车PEPS系统诊断测试的应用与研究

胡婧

摘要：汽车PEPS系统在车辆的无线进入应用中正迅速成为最具代表性的方案之一，所谓PEPS，是Passive Entry & PassiveStart的缩写，意为无钥匙进入与无钥匙启动系统，它采用先进的RFID无线射频技术和车辆身份编码识别系统，彻底改变了汽车安全防盗应用领域的发展 前景，并给用户带来了便利、舒适的全新驾车体验。下文将介绍分析这一集安全性与舒适性于一身的PEPS系统。

关键词：汽车；PEPS系统；诊断测试；应用

对于PEPS 系统来讲，常出现的故障有3 类：用免钥匙功能不能进行解锁或上锁；用免钥匙功能不能进行ACC 或ON 檔电源的切换；用免钥匙功能启动机不运转。

一、PEPS系统简介

对于一辆配备PEPS系统的汽车而言，驾驶者无需按动智能钥匙上的遥控按键或是将钥匙插拔锁芯，就可以完成开启车门和启动车辆引擎的操作，而前提仅是随身携带智能钥匙并按下把手上的触发按键或一键启动按键即可。在车辆的防盗安全方面，智能钥匙与PEPS基站间复杂的双向身份认证过程相比上一代的遥控钥匙进入（RKE）系统也有了本质的提升。

二、汽车PEPS系统诊断测试的应用

1.PEPS系统的工作原理与认证流程。从系统功能的角度划分，PEPS系统可分为两大部分，分为PE无钥匙进入部分与PS无钥匙启动部分，分别代表了驾驶者在进入车辆前与进入车辆后的两个阶段。但若从系统工作原理的角度出发，两者却是极其相似的。简单来说，无论是PE还是PS系统，均是通过低频天线来探测智能钥匙与车身基站（即PEPS ECU，下称ECU）间的相对位置，并通过高、低频信号（高频433.92MHz，低频125KHz）在ECU与智能钥匙间建立起有效的双向交互通讯，根据ECU对智能钥匙进行的身份验证结果，决定是否打开门锁（PE系统）或是启动车辆引擎（PS系统）。在上述智能钥匙与ECU间的双向身份验证过程中，低频信号唤醒及高频信号认证不仅是决定车辆防盗安全性能的关键，更是决定PEPS系统性能优劣的关键元素之一。所谓低频信号唤醒，以PE系统为例是指当驾驶者给予PEPS系统一个触发信号时，ECU会从睡眠状态切换至工作状态，并通过低频天线向智能钥匙发送一条钥匙唤醒报文，当钥匙通过自身的低频天线收到此报文后，将通过自身的智能芯片对报文进行验证，如验证结果与钥匙存储的数据相匹配，智能钥匙则被唤醒；而高频信号验证则是指在智能钥匙被唤醒后，会将自身的ID身份码以高频信号的形式发送给ECU，若ECU识别出此ID号与自身系统的钥匙编码相匹配时，就会通过低频信号向智能钥匙发送验证码，收到验证码的智能钥匙会通过特定的跳转码算法，对该验证码进行数据加密，并将加密结果通过高频信号发回ECU。后者会将收到的加密数据与自身的计算结果进行比对，如两者匹配，就会将相应的操作指令通过CAN总线发送给BCM，由后者完成解锁门锁或是打开后备箱的操作。虽说上述的认证过程非常繁复，但凭借智能芯片的高速运算能力，整个认证过程在实际应用中仅需耗费几十毫秒，所以对用户而言是不会产生任何迟滞的感觉的。

2.PEPS系统的方案设计。本次设计的PEPS系统共包含了如下组件：PEPS ECU、BCM、智能钥匙、电子门把手、低频天线、一键启动按键、电子立柱锁以及后备箱按键。下面对各组件的基本功能及设计原理作一简单的介绍。一是PEPS ECU，PEPS ECU是Electronic ControlUnit的缩写，意为电子控制单元，是PEPS系统的核心组件，功能是对智能钥匙进行身份识别，若钥匙合法，则通过CAN总线将相应的操作指令发送给BCM或EMS，由两者执行后续的操作；若钥匙非法，ECU则会进入睡眠模式，拒绝这把钥匙所发送的后续操作请求。二是BCM。BCM是Body Control Module的缩写，意为车身控制单元，是集成车身灯、门、窗及防盗功能的控制模块。在PEPS系统中，BCM通过CAN总线与ECU相连，根据后者提供的指令完成对车门、车窗及车灯的控制。三是智能钥匙。智能钥匙在工作时会与ECU建立起高、低频双向通讯，在通过一系列的身份认证后，就可以解锁车门或启动引擎。在整个过程中，驾驶者无需对钥匙进行任何操作而只需随身携带即可，这也是无钥匙系统的命名由来。四是电子门把手。电子门把手内置低频天线及微动（或感应）开关，天线用来探测钥匙位置，开关用来唤醒PEPS系统，令其从睡眠模式切换到工作模式。五是低频天线。低频天线能向以自身为中心，半径为1.5m的球形空间内发送125KHz的低频信号，用来探测智能钥匙与各低频天线间的相对位置，并将测得的钥匙坐标传送给ECU。后者会根据钥匙的当前坐标值，判定是否执行开启车门以及启动车辆引擎的后续操作。六是一键启动按键。通过按键动作并配合刹车（自动档）或离合器（手动档）的当前工作状态，将点火装置在ACC、ON、START及OFF四档间循环切换。一键启动按键可以免去驾驶者将钥匙插入点火锁芯，再扭转钥匙启动引擎，极大地简化了驾驶者的操作。七是电子立柱锁。电子立柱锁通过内置的小型电机驱动锁舌的伸缩动作，实现转向管柱的闭锁/解锁功能。由于控制锁舌运动的小型电机是由PEPS系统统筹控制的，所以在安全性上电子立柱锁较传统的机械立柱锁更为安全可靠。按动后备箱按键，装配在后保险杠位置上的低频天线将探测智能钥匙的当前位置，如满足解锁条件，PEPS ECU会命令BCM解锁后备箱，简化了驾驶者插拔钥匙解锁的操作。

3.PEPS系统的区域探测与钥匙定位技术的实现。PEPS系统共有三个检测判断区域，分别为灰色的车外区域，红色的车内区域以及灰白色的主驾区域，灰色的车外区域共有三个部分，分为主驾、副驾和后备箱探测区域。当驾驶者携带智能钥匙进入这些区域并给予触发信号时，ECU会与智能钥匙建立高、低频双向通讯，通过低频信号的场强检测，判断出智能钥匙的当前位置，再通过钥匙反馈的高频信号验证钥匙身份，来决定是否解锁车门或后备箱；红色的车 内探测区域则是整个PEPS系统设计的重点与难点，这是因为PEPS系统需要精确地判断出智能钥匙是否在车内，来判定车门的锁止状态是否正确并决定引擎是否可以启动，两者都是与行车安全息息相关的重中之重，所以该区域的表现会直接影响PEPS系统的性能优劣；而在大部分中、高级车型中，PEPS系统还会检测灰白色的主驾区域，冗余判断钥匙是否有效、主驾位置是否有人，以避免诸如儿童误操作等所导致的安全隐患。综上所述，我们可以发现在汽车PEPS系统中，区域检测是一个非常重要且区别于以往汽车安防的技术，其钥匙位置的检测精度就成为衡量一个PEPS系统优良与否的重要参数之一。目前，市场上主要有两种技术方案用来提升钥匙位置的检测精度，其一是通过调节低频信号的灵敏度对智能钥匙的位置进行模糊判断，其特点是精度有限但实现方便；其二是根据低频信号的强弱程度来计算智能钥匙与车内低频天线的相对距离，再通过多根低频天线的交叉覆盖，精确定位出智能钥匙的具体位置，称为RSSI技术，本次设计的PEPS系统就是采用了上述第二种方法，故在车内内置了两根低频天线用以交叉定位钥匙的精确位置。

4.PEPS系统的认证算法。PEPS系统与传统的启动系统不同之处主要体现在汽车的门把手和启动按钮两部分上。因此，PEPS系统的认证算法的作用主要表现在汽车门把手和启动按钮的触发与响应的过程中。PEPS系统的认证算法采用的是在全世界广泛使用的，加密安全性极高的AES算法。一是改进的AES算法。AES算法是源于Daemen和Rijmen设计的Rijndael密码算法。AES算法的数据分组的长度为128 bit，密钥长度有三种128 bit、196bit和256 bit。AES的加密过程可以分为34"步骤：初始密钥加法，Nr一1次轮变换和结尾轮变换。本文研究的PEPS系统的认证算法是一种改进的AES算法。该算法主要应用在PEPS系统的认证过程中，主要有加密钥和轮变换两步，省去了算法解密的过程，采用的是随机加密的方法，从而使算法更加快速和可靠。在认证过程中，如果加密算法相同，所需认证的双方加密后的数据也是相同的，在认证时AES力I]密认证的过程，变换（ByteSub），是对数据进行一种不可逆的非线性置换；行移位（ShiftRow），是以“行”为单位的线性变换，第一行不变，其它行依次进行循环移动，位移量的大小与加密块中字的个数Ⅳb有关，使其与一简单的矩阵相乘；列混合（MisColumn），运算结果相对来说比较复杂，与一较复杂矩阵相乘得到另一矩阵；加循环密钥（AddRoundKey），是将循环密钥与上层的结果进行异或运算，相乘得到，然后进行128位的加密操作。二是PEPS系统AES算法的认证过程。PEPS系统启动时，需要分别与电子转向柱锁模块（ESCL）及发动机控制模块（EMS）之间进行认证，而在CANoe仿真环境条件下，上述模块间的认证算法的编程部分都是设计在相应模块内部的。当汽车PEPS系统启动的有效钥匙在汽车认证范围内时，按启动按钮启动汽车，汽车PEPS系统首先需要对电子转向柱锁模块（ESCL）进行认证，汽车PEPS系统首先发一帧认证消息到汽车CAN总线上，电子转向柱锁模块（ESCL）接收到这帧认证消息后生成一帧随机数，并将这帧随机数发到CAN总线上，汽车PEPS系统从CAN总线上接收这帧随机数，汽车PEPS系统与电子转向柱锁模块（ESCL）都经过相应的AES；bII密算法加密之后，再对二者的加密结果进行对比，如果AES力tl密算法相同，则计算结果相同，认证成功；否则认证失败。EMS模块认证过程同样如此。

三、PEPS系统故障诊断测试

在测试过程中，当有故障或错误出现时，不管是系统故障还是车身电子模块的故障都会在报文中详细地显示出来。通过报文的ID可以查找并迅速查看相应的报文了解诊断测试情况。PEPS系统的诊断测试主要体现在门把手的PE（Passive Entry）和PS（Passive Start）及智能钥匙的RKE（Remote Keyless Entry）部分的测试。PE测试的报文实例包括Lock、Unlock的报文显示，如果通信过程中出现故障、发送请求错误、请求的条件和处理的结果不正确等都会在报文中显示，错误信息在报文中会以红色字体显示，方便测试人员及时了解故障情况。

1.用免钥匙功能不能进行解锁或上锁。分析故障的原则是依据解锁和上锁的步骤进行。开锁和上锁的步骤基本是一致的，所以分析方法也基本一致。所以导致其可能的原因有：①门把手开关及线路故障；②门把手天线及线路故障；③钥匙故障；④PEPS 及系统供电故障；⑤CAN 网络通讯故障；⑥BCM 及供电故障；⑦中控门锁电机及线路故障。一是PEPS 模块及其供电故障判断方法。在确定以上部件及线路无故障后，应对PEPS 模块本身及其电源电路进行检测，可通过诊断仪与PEPS 的通讯状态来快速判断PEPS 模块或其电源线路是否存在故障，如诊断仪与其它模块通讯均正常，仅与PEPS 模块无法通讯，则极有可能為PEPS 模块本身或其电源线路出现故障。二是CAN 网络通讯故障判断方法。CAN 线路出现故障，PEPS 模块无法将指令发送给中控执行模块BCM。也可通过诊断仪与PEPS、BCM 等模块的通讯状态来判断是否CAN 网络通讯异常。三是 BCM 模块及其供电故障判断方法。也可通过诊断仪与BCM 的通讯状态来快速判断BCM 模块或其电源线路是否存在故障，如诊断仪与其它模块通讯均正常，仅与BCM 模块无法通讯，则极有可能为BCM 模块本身或其电源线路出现故障。四是中控门锁及电路故障判断方法。可通过按压中控门锁按钮观察中控门锁电机及电路是否异常。如果按压中控门锁按钮，门锁有动作，说明可排除以上故障的可能性。如果中控门锁不动作，则需按照检查中控不共工作的思路进行检查。注意如果是不能上锁，除过要检查上述部件或系统外，需要考虑上锁时的辅助条件是否满足，比如车内检测到有钥匙无法执行上锁、某一车门未关闭无法执行上锁、点火开关未在OFF 挡无法执行上锁、此类条件未满足导致的不能上锁，均会伴随有声光提示。五是快速诊断技巧。对于以上故障，诊断时如果利用车辆上的一些功能，便可快速排除部分故障：①利用后视镜、转向灯反馈信号判断故障。比如如果按压门把手按钮，虽然门锁没有动作，但后视镜和转向灯有反馈指示，说明只有中控门锁电机及其电路存在故障的可能性。②利用双闪是否工作来判断网络是否存在故障。因双闪开关的信号直接给了音响主机模块，音响主机通过CAN 线再发送给BCM，BCM 手动请求指令后就控制双闪灯工作。所以如果双闪工作，网络整体不能通讯的故障可排除。③ 按压遥控器来判断门把手或天线故障。如果按压遥控器门锁进行了相应的动作，那么门把手开关及其天线的故障可能性大。需要注意的是，ESCL 上的5 根线路，有任何一根出现异常，都会出现防盗认证失败而不能切换到ACC 或ON档的故障现象。如果是由于ESCL 系统出现的故障，在PEPS 模块内会报相关的故障码，所以可依据有无相关的故障码进行判断是否该系统导致的故障。

2.用免钥匙功能ACC、ON 档切换正常，启动机不运转。分析能进行ACC 或ON 档电源的切换，但启动机不运转的故障，也是按照其工作过程进行。所以导致其可能的原因有：CAN 网络通讯故障；ECM 及供电故障；启动机及其线路故障和辅助条件异常。一是CAN 网络通讯故障判断方法。可通过诊断仪与PEPS、ECM 等模块的通讯状态来判断是否CAN 网络通讯异常。二是ECM 模块及其供电故障判断方法。也可通过诊断仪与ECM 的通讯状态来快速判断ECM 模块或其电源线路是否存在故障，如诊断仪与其它模块通讯均正常，仅与ECM 模块无法通讯，则极有可能为ECM 模块本身或其电源线路出现故障。三是启动机及其电路故障判断方法。可通过拔下启动机继电器将继电器触点电路跨接的方法来判断启动机触点电路和启动机自身故障的可能性。注意：如果PEPS 监测空档的信号线路异常，PEPS 只控制启动机运转一次，之后就不在运转，再次关闭点火开关，再次按点火开关进行启动，启动机又运转1 次便停止工作。四是辅助条件故障的判断方法。导致启动机不工作的还有以下因素：离合器信号电路（手动变速箱）、制动信号电路（自动变速箱）、空档开关信号电路、车速信号和DCU 电源。五是快速诊断技巧。对于以上故障，诊断时可借助一些技巧，便可快速排除部分故障：①利对于离合器信号、制动信号、空档信号，其异常仪表会有相应的提示。②车速信号、DCU 供电如果异常，通过按压点火开关超过3 秒来判断。③如果ECM 供电或CAN 通讯故障，仪表会显示“防盗认证失败”的提示。

目前，PEPS系统在国内汽车行业还处于起步阶段。相比宝马、奔驰等国外一线品牌，我国自主研发的PEPS系统还存在着一定的差距。随着中国车市的发展以及人们对车辆要求的不断提升，一套品质优良的PEPS系统势必成为左右车辆是否热卖的关键因素之一，所以在PEPS系统还未普及的今天，研发出一套自主品牌的PEPS系统正被越来越多的国内整车厂视为一个势在必行的战略方针。通过研究和分析汽车PEPS系统工作原理及工作流程，将为自主研发PEPS系统打下坚实的基础，同时也为优化汽车PEPS系统提供了可能。

参考文献：

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[3]王兴隆.汽车PEPS电磁场自动标定系统设计与实现[D].重庆：重庆大学，2016.