基于车载通信的无钥匙起动控制功能逻辑分析

徐志山

（宣城职业技术学院 机械与汽车工程系，安徽 宣城 242000）

随着汽车电子技术的发展，车载网络通信已成为各类乘用车的标准配置，不仅大大地减少了车内布线，而且也为汽车控制功能提供更高的可靠性。无钥匙起动控制系统是车载网络通信的典型应用之一，它是在遥控门禁系统基础上发展起来的汽车电子技术[1]，是无钥匙起动系统的重要组成部分，整个系统实时性好且功能实现稳定可靠，体现出很强的科技感[2]，其控制方式迅速高效、不易干扰，不仅提高了车辆的防盗能力，而且使用安全、舒适、便捷，在中、高档轿车上都有应用。

1 无钥匙起动控制系统

1.1 无钥匙起动

无钥匙起动，也称为一键起动，在车载网络通信技术的基础上，应用无线射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）传感技术[3]、车载遥控钥匙（“电子标签”）和无钥匙起动控制单元（“电子阅读器”）之间按照无线通信协议规则相互感知编码信息[4]，只有标签和阅读器“签约”成功，起动控制才得到许可。一般无钥匙起动控制系统都有无钥匙进入功能，也就是在车外能感应到车载遥控钥匙并识别到有打开车门的准备动作时，门控系统自动解禁；反之如果识别到车载遥控钥匙离开车内，门控系统自动恢复。车载电子阅读器、门控系统以及起动控制系统一般通过车内网络连接，所以说，实现无钥匙起动控制系统功能关键在于无线通信和有线通信之间的逻辑认证。

1.2 无钥匙起动控制系统组成

无钥匙起动控制系统在不同的车型上其组成不尽相同。近年来，奔驰系列轿车无钥匙起动控制系统功能逐步升级，效果非常可靠。如2017款奔驰C200轿车已采用奔驰第四代驾驶认可系统，通过散列技术生成可变代码[5]，单向加密，有效防止车辆在未授权下起动，其控制逻辑严谨有序。下面以2017款奔驰C200轿车为例分析无钥匙起动系统控制功能，其组成如图1所示。

如图1所示，奔驰C200轿车无钥匙起动控制系统主要有八个控制模块，即：智能仪表（A1）、发动机控制单元（N3/10）、稳定行驶系统控制单元（N30/4）、无钥匙起动控制单元（N69/5）、左前门控制单元（N69/1）、点火开关控制单元（N73）、传动系统控制单元（N127）和变速器控制单元（Y3/8n4），这些控制模块通过专用导线传输信息，它们一方面接收信息，另一方面也发送信息，各个模块的信息传输路径如表1所示。

表1 奔驰C200轿车无钥匙起动控制系统信息路径

图1 奔驰C200轿车无钥匙起动系统控制原理图

1.3 无钥匙起动控制系统网络体系

奔驰 C200轿车无钥匙起动控制系统网络体系由两部分组成，即控制器局域网（Controller Area Network, CAN）和FlexRay网，其中CAN网是主控网络，包括CAN B、CAN C、CAN C1和CAN HMI。

根据 CAN通信协议，CAN网是一个事件触发式总线系统，数据采用报文传输[6]，节点间双绞线连接，差分式信号传输，有显性态（“0”）和隐性态（“1”）。奔驰C200为了提高总线的通信能力，降低总线的负载，将CAN网分成CAN B、CAN C、CAN C1和CAN HMI总线，其中CAN B为低速总线，传输速率为250 kbit/s，有休眠态，其它CAN网均为高速CAN总线，速率为500 kbit/s，无休眠态。同一CAN总线上的所有节点都有不同的地址，各个节点都可以随时发送和接收信息，发送时采用仲裁机制，接收时采用“广播式”，当总线上有节点发送信息时，接收节点只接收与自己验收滤波器设置一致的信息。FlexRay网络是将事件触发和时间触发相结合的高速总线[7]，实时性数据传输，通信可靠，故障容错能力强，传输速率可达2×10 Mbit/s，FlexRay通信控制器一般有两个通信通道，可以开发成单信道、双信道以及单双混合信道通信，形成线型、星型或混合型通信结构。在无钥匙起动控制系统中，N73和 N127既集成CAN通信控制器，又集成FlexRay通信控制器，使整个系统所有CAN和FlexRay成为通信一体，起到网关的作用。

2 无钥匙起动控制系统功能

无钥匙起动控制功能一般包含遥控钥匙查询、起动发动机、错误信息显示、电路切换以及停机功能。

2.1 遥控钥匙查询功能

当车辆保持静态且车门控制单元未被触发时，无钥匙起动控制单元处于休眠模式；若有车门或后备箱控制单元被触发，无钥匙起动控制单元处于唤醒模式时，便开始进入钥匙认证识别，可能有以下四种情况依次发生。（1）查询请求，由无钥匙起动控制单元发出查询被认证的遥控钥匙的请求。（2）查询认证，检查遥控钥匙与无钥匙起动控制单元密码匹配是否一致，为起动作准备。（3）查询失败，若车辆内部没有检测到被认证的遥控钥匙，则在连续按下无钥匙起动的起动/停止按钮五次后，仪表上将显示“请插入钥匙”信息。（4）循环查询，发动机起动后继续循环查询钥匙，若在车内没有检测到遥控钥匙，仪表中就会显示“未检测到钥匙”信息，在这种情况下，可关闭发动机，但发动机不能再次起动。

2.2 发动机起动功能

起动功能是无钥匙起动控制系统的核心，有严格的起动流程。（1）问询起动条件，对于自动挡汽车来说，变速器挡杆置于“P”或“N”挡位，制动踏板信号已促动。（2）起动按钮触发，无钥匙起动控制单元直接读取起动触发信号，并检查确认遥控钥匙是否在车内。（3）传递起动信号，由点火开关控制单元将起动信号依次通过底盘FlexRay总线、传动系统控制单元和发动机控制器局域网络发送至发动机控制单元，促动起动电路。

2.3 错误信息显示功能

如果遥控钥匙查询失败，发动机将不能起动，由无钥匙起动控制单元发出提示信息—“未检测到钥匙”，经点火开关控制单元送到仪表显示。为了保护起动电源，在连续多次按下无钥匙起动/停止按钮后，仪表信息变成“请插入钥匙”，以增强提示效果，并不再起动尝试。

2.4 电路切换功能

电路切换功能由点火开关控制单元来完成，如果在促动无钥匙起动的起动/停止按钮时未触发脚制动信号，仅接通供电端子 15R，类似于机械式点火开关ACC位；第二次促动起动/停止按钮，接通供电端子15，类似于机械式点火开关ON位；第三次促动起动/停止按钮，供电端子 15R和 15均断开，类似于机械式点火开关OFF状态。若是在夜间，点火开关控制单元还有断电延时功能，使汽车大灯持续点亮一会儿。

2.5 停机功能

当需要停车时，按下无钥匙起动的起动/停止按钮，点火开关控制单元一旦检测到无钥匙起动的起动/停止按钮按下，立即开始计时，并将“起动/停止按钮已按下”状态发送至无钥匙起动控制单元，无钥匙起动控制单元问询智能仪表获取车速数据，分析停机时刻。当车速不大于3 km/h，立即发出关闭发动机指令；当车速大于3 km/h，在按下无钥匙起动的起动/停止按钮3 s后发出关闭发动机指令，方便制动停车。

3 无钥匙起动系统控制逻辑

所谓控制逻辑，就是在系统时序作用下，一步一步地实现控制功能的过程。车载无钥匙起动系统控制逻辑，首先是遥控钥匙位置查询，之后是车辆起动系统控制。结合“奔驰C200轿车无钥匙起动系统控制原理图”，作如下分析。

3.1 遥控钥匙位置查询逻辑

要可靠安全地实现发动机起动功能, 首先必须准确识别遥控钥匙（A8/1）的位置。遥控钥匙位置查询逻辑时序为：S85/5s1→N69/1→N69/5→A2/38、A2/40、A2/35、A2/60→A8/1→A2/32、A2/18→N69/5→N73。

根据图1，在促动左前门中央锁止系统“开启”开关（S85/5s1）时，左前车门控制单元（N69/1）直接读取来自S85/5s1的信号，通过车内控制器局域网络（CAN B）将其发送至无钥匙起动控制单元（N69/5）。无钥匙起动控制单元（N69/5）依次通过接收天线A2/38、A2/40、A2/35、A2/60将编码请求发送到遥控钥匙，只要遥控钥匙位于可接收的无线信号范围（如图2中的A、B、C、D区域）内，遥控钥匙就对编码请求进行解码，然后在其位于可接收区域发送反馈信息。如：遥控钥匙位于车外的A区或B区，左侧门把手接收天线A2/38或右侧门把手接收天线A2/40发射信号；位于车内的C区或D区，则行李箱无钥匙起动接收天线 A2/35或中央控制台无钥匙起动接收天线A2/60发射信号。无钥匙起动控制单元通过后车窗天线（A2/32）和天线放大器（A2/18）接收遥控钥匙的反馈信息，识别遥控钥匙的位置并识别其合理性，验收合格后无钥匙起动控制单元将遥控钥匙代码转化为CAN帧通过车内控制器局域网络（CAN B）将其发送至点火开关控制单元（N73），在点火开关控制单元（N73）中进行分析，以便开启车门或车辆起动所需。

图2 遥控钥匙可接收信号的范围

3.2 起动系统控制逻辑

实现无钥匙起动功能，无钥匙起动控制系统要先后经过促动、请求、响应、判断、提示、识别、接通等严格的逻辑时序，方能起动发动机。

3.2.1 起动控制促动逻辑（N69/5→A2/60、A2/35）

为了能够顺利起动发动机，无钥匙起动控制单元（N69/5）首先发出频率为125 kHz经过调幅促动信号（称为一次编码），促动中央控制台无钥匙起动天线（A2/60）和行李箱无钥匙起动天线（A2/35），以便查询遥控钥匙是否在车内。

3.2.2 起动控制请求逻辑（A2/60、A2/35→A8/1）

中央控制台无钥匙起动天线（A2/60）或行李箱无钥匙起动天线（A2/35）在无钥匙起动控制单元的促动下向车内发出无线低频调幅信号，车内遥控钥匙（A8/1）因电磁谐振接收无钥匙起动控制单元的一次编码请求。

3.2.3 遥控钥匙响应逻辑（A8/1→A2/32→A2/18→N69/5→N73）

位于车内的遥控钥匙（A8/1）解码无线请求信号，并发送频率为433.92 MHz的调频响应信号（又称二次编码，内含“身份编码”+“用户编码”），后车窗天线（A2/32）接收调频响应信号，并送至天线放大器（A2/18），无钥匙起动控制单元（N69/5）从天线放大器接收遥控钥匙的响应，取出二次编码，验证钥匙的“身份编码”（owner ID）后通过车内控制器局域网络（CAN B）将剩余的“用户编码”信号发送至电子点火开关控制单元（N73），由点火开关控制单元查验钥匙的“用户编码”（user ID），如果分析结果是肯定的，点火开关控制单元就会认可该遥控钥匙。

3.2.4 起动状态判断逻辑（S2/3→N73→N69/5）

按下无钥匙起动的起动/停止按钮（S2/3）时，点火开关控制单元（N73）直接读取此请求并通过车内控制器局域网络（CAN B）将“起动/停止按钮已按下”状态发送至无钥匙起动控制单元（N69/5），无钥匙起动控制单元再次通过中央控制台无钥匙起动天线发送一次编码信号（低频，调幅，125 kHz），遥控钥匙响应一次编码信号，并发出二次编码（高频，调幅，433.92 MHz）回应。无钥匙起动控制单元通过车内控制器局域网络（CAN B）将此二次编码发送至电子点火开关控制单元，点火开关控制单元进一步检查遥控钥匙的二次编码，确认有效后才允许接收。

3.2.5 未能起动提示逻辑（N69/5→N73→A1）

无钥匙起动控制单元（N69/5）通过车内控制器局域网络（CAN B）将来自遥控钥匙的二次编码发送至点火开关控制单元（N73），若点火开关控制单元检验此代码无效，则向智能仪表（A1）发送出错请求，仪表显示“未检测到钥匙”信息。如有连续按下无钥匙起动/停止按钮多次（五次以上）后仍未在车内识别到认可的遥控钥匙，换成显示“请插入钥匙”信息。

3.2.6 挡杆位置识别逻辑（Y3/8n4→N127→N73）

换挡杆位于“P”挡或“N”挡，变速器控制单元（Y3/8n4）通过传动系统控制器局域网络（CAN C1），传动系统控制单元（N127）和底盘FlexRay，将变速器换挡杆位置信号发送至点火开关控制单元（N73），由点火开关控制单元确认挡杆的位置。

3.2.7 制动状态识别逻辑（S9/1、B37/1→N30/4→N73）

脚制动信号或制动踏板角度传感器信号（S9/1、B37/1）已促动，稳定行驶系统控制单元（N30/4）通过底盘 FlexRay将制动灯开关的状态和踏板角度传感器的信号发送至点火开关控制单元（N73）。

3.2.8 供电端子接通逻辑（N73→N69/5）

供电端子接通逻辑与制动信号有关，如果未促动制动信号，仅按下无钥匙起动的起动/停止按钮时，若按下一次，仅接通点火开关供电端子15R；若按下二次，接通点火开关端子15，若按下三次，则端子15R和15均断开，此时点火开关控制单元（N73）通过CAN B总线将断电信息发送给无钥匙起动控制单元（N69/5），无钥匙起动控制单元若是在夜间收到此信息，会保持接通延时供电端子15C，在30分钟后自动断开。

3.2.9 起动端子接通逻辑（N73→N127→N3/10）

点火开关控制单元（N73）接收了遥控钥匙的二次编码信号，同时识别到起动信号和制动信号有效，将接通起动机50端子的状态信息通过底盘FlexRay、传动系统控制单元（N127）和发动机控制器局域网络（CAN C）发送至发动机控制单元（N3/10），由发动机控制单元执行接通50端子。

3.2.10 车辆速度请求逻辑（A1→N73→N69/5）

无钥匙起动控制单元收到关闭发动机信号时，首先要获取车辆的速度，即根据速度信号来确定关闭发动机的时刻，向智能仪表（A1）发送请求信号，智能仪表通过用户接口控制器局域网络（CAN HMI）、点火开关控制单元（N73）和车内控制器局域网络（CAN B）将车速发送至无钥匙起动控制单元（N69/5）。

3.2.11 动力停止请求逻辑（S2/3→N73→N69/5→N73→N127→N3/10）

在发动机运转时按下无钥匙起动的起动/停止按钮（S2/3），点火开关控制单元（N73）随即计时按下无钥匙起动的起动/停止按钮的时间，然后通过车内控制器局域网络（CAN B）将“起动/停止按钮已按下”状态发送至无钥匙起动控制单元（N69/5），无钥匙起动控制单元根据此时车速并通过车内控制器局域网络（CAN B）、点火开关控制单元和底盘 FlexRay、传动系统控制单元（N127）和发动机控制器局域网络（CAN C）将“关闭发动机”请求发送至发动机控制单元（N3/10），发动机控制单元立即“断油断火”，完成停机功能。

4 总结

无钥匙起动控制功能的实现是 RFID通信、CAN通信和FlexRay通信等协议在车载网络控制中的综合应用，虽然较为复杂，但是信号传输有严格的时序规律。促动、请求、响应、判断等时序前后相继，连续不断，也只有在车载各个控制模块下能够实现。遥控钥匙控制单元、无钥匙起动控制单元、点火开关控制单元以及发动机控制单元等多个模块是无钥匙起动控制功能实现的重要载体，它们不仅实现了不同协议信号之间的通信，而且将无线通信技术植根于车载通信系统之中，达成了复合通信能力，增强了无钥匙起动控制“钥匙-车”同体化设计效果。随着 RFID与车载网络通信技术深入融合，汽车高度智能化、安全化、“人-车-路”一体化必将实现。