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【摘要】基于汽车无钥匙进入与无钥匙启动系统（Passive Entry & Passive Start，下称PEPS）的自主研发过程，对汽车PEPS系统进行了研究与分析，介绍了该系统的工作原理、认证流程及主要组成部件，并提出了一种PEPS系统的设计方案。介绍了PEPS基站对智能钥匙的身份认证技术及智能钥匙精确定位技术的实现方法，并对PEPS系统中各组件的基本功能及设计原理作了介绍。
【关键词】PEPS系统；低频唤醒；高频认证；区域探测；智能钥匙精确定位
1.引言
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 & Passive Start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。下文将从系统功能、工作原理及系统方案的设计与实现等方面，介绍分析这一集安全性与舒适性于一身的PEPS系统。
2.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。
3.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。图1所示为上述认证过程的工作流程图。
4.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。各组件在车身上的安装位置如图2所示，下面对各组件的基本功能及设计原理作一简单的介绍。
4.1 PEPS ECU
PEPS ECU是Electronic Control Unit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。
4.2 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。
4.3 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。
4.4 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。
4.5 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。
4.6 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。
4.7 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。 4.8 后备箱按键
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。
5.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，如图3所示。
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（Received Signal Strength Indication）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。
6.结束语
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
[1]周翔.汽车安全与防盗——无钥匙系统的设计[J].汽车电子设计，2009（10）：42-45.
[2]廖翊.汽车无钥匙进入和启动系统PEPS[J].爱意汽车，2009（4）：8-10.
[3]庄青.PEPS系统应用及原理[Z].上海：世科嘉车辆技术研发有限公司，2011.
[4]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，2011.
[5]USELLI G.Passive Entry Driver Authorization and Door Handle Systems[Z].German：Huf Hülsbeck & Fürst，2012.
[6]QU Xiao-xi.HCEDC PEPS System solution for China market[Z].Shanghai：Huf China Electronics Development Center，2011.
[7]BENSKY D.Short-range Wireless Communication： Fundamentals of RF System Design and Application[M].USA：Newnes，2003.
作者简介：
张晓杰（1986—），男，硕士研究生，主要研究方向：汽车PEPS系统自主研发。
蒋铃鸽（1959—），女，教授，主要研究方向：新一代无线通信系统、通信信号处理。
【关键词】PEPS系统；低频唤醒；高频认证；区域探测；智能钥匙精确定位
1.引言
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 & Passive Start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。下文将从系统功能、工作原理及系统方案的设计与实现等方面，介绍分析这一集安全性与舒适性于一身的PEPS系统。
2.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。
3.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。图1所示为上述认证过程的工作流程图。
4.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。各组件在车身上的安装位置如图2所示，下面对各组件的基本功能及设计原理作一简单的介绍。
4.1 PEPS ECU
PEPS ECU是Electronic Control Unit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。
4.2 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。
4.3 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。
4.4 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。
4.5 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。
4.6 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。
4.7 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。 4.8 后备箱按键
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。
5.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，如图3所示。
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（Received Signal Strength Indication）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。
6.结束语
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
[1]周翔.汽车安全与防盗——无钥匙系统的设计[J].汽车电子设计，2009（10）：42-45.
[2]廖翊.汽车无钥匙进入和启动系统PEPS[J].爱意汽车，2009（4）：8-10.
[3]庄青.PEPS系统应用及原理[Z].上海：世科嘉车辆技术研发有限公司，2011.
[4]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，2011.
[5]USELLI G.Passive Entry Driver Authorization and Door Handle Systems[Z].German：Huf Hülsbeck & Fürst，2012.
[6]QU Xiao-xi.HCEDC PEPS System solution for China market[Z].Shanghai：Huf China Electronics Development Center，2011.
[7]BENSKY D.Short-range Wireless Communication： Fundamentals of RF System Design and Application[M].USA：Newnes，2003.
作者简介：
张晓杰（1986—），男，硕士研究生，主要研究方向：汽车PEPS系统自主研发。
蒋铃鸽（1959—），女，教授，主要研究方向：新一代无线通信系统、通信信号处理。