基于XC2000的智能进入及启动系统基站软件设计＊

刘洪飞 汪春华 白稳峰 李卫朋

（1.河北工业大学，天津 300132；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

主题词：智能进入及启动系统 基站 Stateflow 硬件在环测试 软件在环测试

1 前言

电子技术在汽车上的应用促使汽车防盗系统日益完善，安全性不断提高。遥控门禁（Remote Keyless Entry，RKE）系统需要操作钥匙才能进行解、闭锁，便利性较低，而且单向认证通信防盗安全性不高。智能进入及启动（Passive Entry&Passive Start，PEPS）系统与钥匙进行低频和高频双向认证通信，无需操作钥匙即可解、闭锁车门和起动发动机，具有较高的安全性、便利性和舒适性。

汽车电子系统的复杂性和成本日益增加，使其开发方式逐渐转变为基于模型的方式[1]。在产品开发过程中，功能和需求的变化导致源代码不断变化，因此，软件功能检测和代码自动生成技术越来越重要。Stateflow是集成于Simulink中的图形化设计与开发工具，用于控制系统中复杂控制逻辑的建模[2]，结合Simulink可对系统功能进行仿真测试，验证控制逻辑的准确性。使用Embedded Coder工具能够自动生成嵌入式C代码，对汽车PEPS系统的设计有重要意义。

配备PEPS系统的汽车数量逐年上升，德国大陆、日本电装、德尔福、博世等企业占领了PEPS系统的主要市场份额。我国也在自主开发，但由于技术因素和成本限制，产品有待进一步完善。本文提出基于XC2000的PEPS系统基站软件设计方案，参考AUTOSAR架构设计软件程序，阐述了系统建模和代码自动生成过程，并使用硬件在环测试系统验证了基站功能。

2 PEPS系统组成和功能

2.1 PEPS系统组成

PEPS系统总体结构如图1所示。PEPS系统基站复杂性日益提高，对微控制器（Microcontroller Unit，MCU）的要求较高，MCU的选型直接影响基站的可靠性和稳定性，综合考虑系统需求和成本，选用英飞凌公司的XC2000系列芯片作为基站的MCU，其为16位MCU，具有32位处理器性能，存储空间大、性能稳定、耗能少，能够满足系统需求。

图1 PEPS系统总体结构

基站与钥匙模块进行无线通信认证，通过天线测量钥匙场强，确定钥匙位置。采集外开手柄微动开关、一键起动开关、制动踏板、离合器踏板和挡位信号，在MCU内部处理后驱动状态指示灯显示电源状态，驱动ACC和IG继电器实现电源状态切换等。MCU与电动转向柱锁（Electrical Steering Colum Lock，ESCL）模块进行LIN通信完成诊断和解、闭锁控制，与车身控制器（Body Control Module，BCM）、发动机管理系统（Engine Manage⁃ment System，EMS）等电子控制单元进行CAN通信，完成车门解、闭锁和身份认证等。

2.2 PEPS系统功能

2.2.1 无钥匙进入功能

用户携带钥匙进入有效探测区域内时，触动外开手柄微动开关后，基站通过低频天线发送低频唤醒信号，钥匙验证该信号并检测当前位置的场强，如验证结果与内部存储的数据相匹配且场强高于钥匙的预设值，钥匙被唤醒，将低频场强反馈给基站，基站利用多个低频场强的强弱程度综合判断钥匙位置。

钥匙被唤醒后将ID通过高频信号发送给基站，基站验证ID合法后向钥匙发送验证码，钥匙采用特定的跳转码算法对该验证码进行数据加密，并将加密结果反馈至基站[3]。基站将加密数据与自身的计算结果进行比对，如两者匹配，则将钥匙认证信息、解、闭锁请求和钥匙位置等信息通过CAN总线发送至BCM，BCM结合解、闭锁请求、钥匙位置和锁状态等条件执行相应的解、闭锁动作和闪烁提示。

2.2.2 无钥匙启动功能

无钥匙启动流程如图2所示，分为正常模式和应急模式。正常模式：按下一键启动开关，基站验证钥匙合法且在车内，则控制ESCL解锁。解锁后，结合制动踏板、离合器踏板和挡位信号切换电源状态。若电源状态切换到CRANK，则与EMS进行认证通信。认证通过后，EMS起动发动机并将起动成功信息反馈给基站，将电源状态切换为RUN。应急模式：在钥匙电量低或者认证失败的情况下进行备用认证。钥匙内有转发器无源芯片，当转发器进入基站的读写范围内，按下一键启动开关启动车辆时，转发器通过发动机防盗锁止系统（Immobilizer，IMMO）低频天线在电磁场中的激励得到工作电源和时钟信号[4]。转发器借助获取的电能发送存储在芯片中的相关信息，与基站进行认证通信。若基站成功认证转发器，后续启动流程与正常模式相同。

图2 启动流程

2.2.3 智能提示功能

智能提示功能包括启动IMMO认证提示、智能钥匙低电量提示、智能钥匙在车内或离开提示、制动或离合踏板被踩下未找到钥匙提示、ESCL解、闭锁失败和故障提示、PE锁车时电源状态非OFF提示功能等[5]。满足相应条件后，基站通过CAN总线发送提示或报警信息，仪表进行相关提示。

3 PEPS系统基站软件设计

3.1 软件架构

参考AUTOSAR软件架构，以层次化思想为目标，将软件架构分为应用层、接口层和基础层，各层遵循“高内聚、低耦合”原则。软件总体架构如图3所示，应用层实现系统功能，根据功能要求分模块实现。基础层与硬件电路密切相关，MCU驱动实现硬件驱动功能，ECU驱动封装了微控制器以及外围设备的驱动，COM实现协议栈功能，服务包括网络管理、存储管理和故障诊断等。基础层和应用层可同时独立开发，功能集成时通过修改接口层实现两层之间的联系，使得应用层与硬件平台分离开来，避免了硬件系统更新造成的软件重复开发。

图3 软件总体架构

3.2 应用层软件设计

3.2.1 模型搭建

根据电源分配模块功能规范确定模型输入和输出信号的名称、类型，分析不同电源状态的转换条件，搭建电源分配模型如图4所示。模型包含电源状态（OFF、ACC、ON、RUN、CRANK、ACC_Emergency）和延时等待（Delay）7个互斥状态，Stateflow激活后默认进入OFF状态，进行变量初始化。满足相应条件会触发从OFF状态跳转到相应状态，同时持续调用图形函数Power_Status_deal，控制相应继电器吸合或断开和发送继电器状态。

图4 电源分配模型

正常启动时，电源状态由OFF切换至RUN的过程如下：在满足AT车型踩下制动踏板或MT车型踩下离合器踏板的条件（((VEH_AT_AMT==1)&&(HW_Brake_ST==0))||((VEH_MT==1)&&(HW_Clutch_ST==1))）时，按下一键启动开关，模型从OFF状态跳转到Delay状态。400 ms内若在车内找到合法钥匙且ESCL解锁成功，模型跳转到CRANK状态，控制ACC和IG继电器吸合，同时发送继电器吸合状态信息和起动发动机请求。从进入CRANK状态开始计时，若16 s内接收到起动成功信号（EMS_Engine_start_flag==1），模型跳转到RUN状态。

3.2.2 模型策略仿真

应用Stateflow完成模型搭建后，建立用于仿真的Simulink模型，验证功能规范中的控制策略，保证各功能模块准确实现各控制策略。Simulink仿真模型、测试用例输入和模型对应输出如图5所示，仿真结果与期望保持一致。仿真过程中，如果模型的输出与测试用例期望输出不一致，可以使用Debug调试器对仿真模型逐步调试。在模型内部设置断点，或者使用状态图动画显示模型中的活动状态和转移。在模型调试过程中，可以逐步调试状态图中的不同函数，监视输出值，实现系统仿真的可视化。

3.2.3 软件在环测试

通过编译器使模型自动生成代码，为防止代码生成过程中出现问题导致代码不能表达原始模型，需要进行软件在环（Software-In-the-Loop，SIL）测试，验证代码与模型的输出结果是否一致。SIL测试的原理是通过编译使模型生成一个S-Function封装的动态链接库模型，给定原始模型和动态链接库模型相同的输入，观察输出是否相同[6]。选择覆盖率较高的测试用例作为模型输入，尽可能覆盖多种情形，SIL测试如图6所示。

图5 模型仿真

图6 SIL测试

3.2.4 自动生成代码

完成Stateflow建模和Simulink仿真测试，定义输入、输出信号的数据类型、存储类型和结构体名称，选择ert.tlc作为系统目标文件，Embedded Coder模块即可将模型自动生成代码。用于生成代码的电源分配模型和模型自动生成代码报告如图7所示，可以看出，模型自动生成的源文件和头文件包含了主函数、模型算法逻辑、数据结构与类型和宏定义结构体等。

图7 自动生成代码

3.3 基础层软件设计

首先利用DAvE软件通过单片机选型和各模块参数设置自动生成MCU驱动初始代码，然后利用TASK⁃ING软件编写代码，最后进行编译、下载和调试工作。基站主程序流程如图8所示，复位后关闭中断功能，防止初始化过程中产生不必要的中断。系统完成初始化后，使能中断功能进行主循环。主循环用于实现轮询时间和调度任务，首先判断休眠条件：若满足休眠条件则进入低功耗模式减少电流消耗；否则进入正常模式，采集和处理输入信号，进行逻辑处理，输出信号驱动负载，并完成通信、诊断和状态存储等功能。

图8 基站主程序流程

4 PEPS系统硬件在环测试

4.1 硬件在环测试系统

硬件在环（Hardware-In-the-Loop，HIL）测试是以实时处理器运行仿真模型模拟受控对象的运行状态，通过I/O接口与电控系统连接进行的测试[7]。硬件在环测试系统如图9所示，选用德国dSPACE提供的仿真机柜，根据系统功能测试需求配置机柜板卡资源和连接线束。测试平台软件底层模型结合dSPACE软件进行二次开发，利用Simulink与Stateflow更新底层机柜硬件接口模型和总线协议模型，同时设计测试管理界面控制信号和显示数据。

图9 硬件在环测试系统

4.2 功能测试

功能测试是基站开发过程中必不可少的，以PE解、闭锁功能为例，测试过程如表1所示。

表1 PEPS解、闭锁测试用例

测试结果如图10所示，PEPS解、闭锁命令中，1代表闭锁，3代表解锁，各输出信号中，0代表无效，1代表有效，测试结果与测试用例期望结果一致。

图10 PE解闭锁测试结果

4.3 故障注入测试

上位机通过RS232串行总线控制故障注入单元（Fault Injection Unit，FIU），通过发送指令控制FIU各通道注入对应故障，故障产生后可通过诊断工具读取与清除故障码，验证基站能否正确处理和记录故障。以ACC继电器开路为例，在上位机故障注入界面中对基站注入ACC继电器开路，通过诊断工具发送当前诊断故障请求：19 02 09，诊断工具读取到的故障结果如图11所示，回复诊断码为：59 02 7b c4 16 81 2b，其中故障码c4 16 81代表ACC继电器开路故障，此时ACC相关功能不能正常运行，满足功能要求。

图11 ACC继电器开路故障注入测试结果

5 结束语

本文以系统安全性、便利性和舒适性为前提，提出了一种汽车PEPS系统基站软件设计方案。参考AUTO⁃SAR架构分层设计软件，降低了程序复杂性；通过标准接口交互解耦软件，易于定位查找问题；硬件资源改变时，无需重新设计应用层，提高了软件可移植性。利用硬件在环测试系统对基站分别进行了功能测试和故障注入测试，验证了控制策略和自诊断策略，可有效提高测试效率和系统可靠性，缩短产品开发周期。