汽車遙控門禁系統(tǒng)的可靠性研究

陳建強，白曉剛，杜 周

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汽車遙控門禁系統(tǒng)的可靠性研究

陳建強1，白曉剛1，杜 周2

（1.長城汽車股份有限公司天津分公司商品技術(shù)部，天津 300460；2.科世達(dá)（上海）管理有限公司電子研發(fā)中心上海 201814）

影響車輛RKE性能的因素非常多，因此汽車制造商在設(shè)計RKE功能時必須考慮以上因素。在完成系統(tǒng)匹配、射頻測試和功能測試的基礎(chǔ)上，要針對市場車輛反饋的各種問題進(jìn)行深入的研究，以提升系統(tǒng)最終的可靠性。否則系統(tǒng)一旦出現(xiàn)異常，必然導(dǎo)致RKE功能出現(xiàn)各種失效模式。本文針對典型的RKE系統(tǒng)軟硬件方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并針對疑難失效模式進(jìn)行了詳細(xì)的分析和改進(jìn)，從而提升了RKE系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

RF接收電路；曼徹斯特編碼；可靠性

隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，遙控門鎖、無鑰匙進(jìn)入等功能已經(jīng)成為車輛電器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，為了降低零部件采購成本，很多車廠將RKE（遙控門禁）功能集成在車身控制單元（BCM）中，但是由于BCM硬件集成度高，軟件邏輯非常復(fù)雜，影響RKE功能的因素也就比較多，例如RF接收電路的可靠性，MCU解碼的正確率，軟件邏輯的設(shè)計Bug等，以上因素導(dǎo)致車輛出現(xiàn)RKE操作偶爾失效，抗干擾能力差等問題，嚴(yán)重影響用戶的正常使用。本文通過對RKE典型失效模式的分析，闡述了RKE偶發(fā)性故障的分析方法，并提出了解決問題的思路。

一、典型RKE系統(tǒng)設(shè)計方案概述

典型的RKE方案框架如圖1所示，高頻接收電路中的RF_IC大多采用TDA5210、MAX7036 、ATA5724、ATA5781等芯片，采用TDA5210、MAX7036時需要MCU對RF基帶信號進(jìn)行軟件解碼，因此對MCU的軟件資源要求較高，而采用ATA5724、ATA5781時采用芯片內(nèi)解碼方案，與MCU之間采用SPI通過方式，占用MCU軟件資源少。

圖1 典型的RKE方案框架

圖2 滾動碼加密模型

目前RKE發(fā)射器方案多采用滾動碼的加密方式來提高系統(tǒng)的安全性，常用的加密模型如圖2所示。每一幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)由中斷（Break）、同步頭（Preamble）、報頭（Header）、起始位（Start Bit）、跳碼（Hop Code）、序列號（ID）、低電壓指示位和CRC碼組成，一般采用曼徹斯特編碼的方式進(jìn)行編碼，通過ASK或FSK的調(diào)制方式，通過433.92MHz的高頻載波發(fā)射出去。本文采用Microchip PIC12F635芯片作為RKE系統(tǒng)的發(fā)射芯片，為了確保信號傳遞的可靠性，RKE 載波頻率偏移應(yīng)≤ ±70KHz，每包數(shù)據(jù)包含為2-4幀信息。

典型的RF接收電路硬件框架如圖3所示，本文以MAX7036芯片作為RF_IC，當(dāng)車輛閉鎖后，為降低整車靜態(tài)電流，BCM在一定的時間內(nèi)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，此時RF_IC周期性開啟接收RF信號，經(jīng)過RF_IC解析出的基帶信號交給MCU進(jìn)行解碼（可以通過示波器觀察基帶信號），即MCU要周期性地讀取基帶信號的脈寬，按照編碼規(guī)則進(jìn)行解碼，一旦解碼成功，且數(shù)據(jù)中的ID與BCM E2PRPOM中存儲的ID相同，MCU立即喚醒系統(tǒng)（可以通過CAN總線監(jiān)控MCU解碼是否成功），并按照RKE信號的按鍵功能執(zhí)行解、閉鎖指令。

圖3 RF接收電路硬件框架

當(dāng)MAX7036處于Stop mode模式時，啟用內(nèi)部240K振蕩器，而在low power mode時啟動內(nèi)部的8M振蕩器，如圖4所示，RF接收電路的開啟周期為30ms，在窗口開啟的7ms內(nèi)判斷收到的基帶信號的電平脈寬是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如果符合標(biāo)準(zhǔn)就啟動解碼，此時軟件開始等待同步頭，一旦MCU解碼成功，確認(rèn)RKE信號是合法數(shù)據(jù)后，MCU立即啟動外部16M的振蕩器，系統(tǒng)進(jìn)入喚醒狀態(tài)，并控制驅(qū)動電路執(zhí)行相應(yīng)的指令。由于RKE每幀信號的長度約為45ms，采用標(biāo)準(zhǔn)的7-30ms休眠喚醒周期來監(jiān)聽RF信號，其優(yōu)點是該周期覆蓋了RKE的45ms數(shù)據(jù)幀長度。在任何情況下，都可以將第一幀數(shù)據(jù)作為喚醒源，在第二幀就能分析出數(shù)據(jù)的有效性，從而提高BCM的響應(yīng)速度。

圖4 RKE低功耗模式

圖5 曼徹斯特解碼

由于RKE信號采用曼徹斯特解碼，當(dāng)信號的基帶信號頻率為1.677kbps時，一個bit數(shù)據(jù)電平變化的最短脈寬為300μs，將高電平脈寬定義為H，低電平脈寬定義為L，則H=L=300μs，1個bit數(shù)據(jù)的周期T=H+L=600μs。軟件解碼是采用識別信號上升沿的方式，解碼軟件應(yīng)用的3個特性值為T、1.5T和2T，即高電平的變化周期為600μs、900μs或1200μs，如圖5所示。軟件根據(jù)周期內(nèi)高低電平的變化，并結(jié)合前一個周期最后端的電平狀態(tài)，來判斷本周期內(nèi)的數(shù)據(jù)狀態(tài)是1或0。

二、RKE系統(tǒng)典型失效模式分析

RKE偶發(fā)失效模式中，軟件bug及RF電路的不穩(wěn)定性往往是造成問題的主要原因，這類問題用戶抱怨很大，但由于故障現(xiàn)象比較隨機，往往不容易捕捉和分析。

（一）軟件閾值設(shè)置偏差分析

某車型用戶反饋低溫時RKE故障率較高，對該車型的BCM進(jìn)行系統(tǒng)分析后，發(fā)現(xiàn)BCM MCU在low power mode狀態(tài)下采用內(nèi)部的8M振蕩器完成解碼任務(wù)，而8M振蕩器在不同的環(huán)境溫度下精度誤差較大，其規(guī)格書給出的誤差范圍為±10%，實測該芯片在低溫下會接近下限值7.2MHz。發(fā)射器的基帶信號的時序存在較大的散差，常溫下抽取部分樣品進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)偏差約在6.6-12.8%之間（如圖6所示，T實測為670μs，要求為600μs），而解碼軟件設(shè)置的特性值誤差如表1所示。由于振蕩器、發(fā)射器基帶信號和軟件參數(shù)設(shè)置的不合理性，造成RKE會出現(xiàn)偶爾解碼失敗的現(xiàn)象，導(dǎo)致遙控器功能偶爾失靈。改進(jìn)后的軟件參數(shù)如表2所示，經(jīng)在低溫環(huán)境下進(jìn)行RKE喚醒率測試，調(diào)整后的軟件參數(shù)可以解決芯片參數(shù)散差造成的RKE偶爾失靈問題。

表1 改進(jìn)前解碼軟件特性值

表2 改進(jìn)后解碼軟件特性值

（二）軟件邏輯錯誤分析

為了避免頻繁操作開、閉鎖導(dǎo)致閉鎖器內(nèi)部驅(qū)動馬達(dá)損壞，BCM一般都具備中控鎖熱保護(hù)功能，例如10s內(nèi)連續(xù)開、閉鎖次數(shù)＞9次，BCM會進(jìn)入30s的中控鎖熱保護(hù)時間，在這段時間包括RKE功能在內(nèi)的所有與中控鎖相關(guān)的操作都無法使用。

圖6 RKE基帶信號波形

圖7 中控?zé)岜Ｗo(hù)功能流程圖

某車型用戶反饋車輛偶爾無法用RKE開、閉鎖，且故障現(xiàn)象沒有任何規(guī)律，根據(jù)用戶對故障的描述，對BCM硬件進(jìn)行了詳細(xì)的檢查，未發(fā)現(xiàn)異常問題。根據(jù)該車型BCM設(shè)計文檔，對涉及中控鎖的所有軟件模塊進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中控?zé)岜Ｗo(hù)功能的軟件邏輯存在異常，其軟件流程如圖7所示。該功能作用是在10s內(nèi)中控狀態(tài)連續(xù)變化≥9次時，中控鎖進(jìn)入熱保護(hù)狀態(tài)，直到30s后故障恢復(fù)正常，在這個周期內(nèi)RKE功能也無法使用。為實現(xiàn)此功能，軟件采用一個計數(shù)器count和9個計時器T1-T9，每次有效觸發(fā)一次中控鎖，count++，同時啟動一個計時器，當(dāng)count＞9時，計時器內(nèi)容依次上移。只有在BCM進(jìn)入休眠狀態(tài)或熱保護(hù)結(jié)束后count和T1-T9才會清零，否則count和T1-T9會一直累加下去。這樣當(dāng)中控鎖的狀態(tài)每發(fā)生一次變化時，軟件會判斷T1≤10＆count＞9，以判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入了熱保護(hù)狀態(tài)。按照軟件邏輯編制測試用例，發(fā)現(xiàn)當(dāng)計時器出現(xiàn)溢出時，軟件會出現(xiàn)誤進(jìn)入中控?zé)岜Ｗo(hù)的狀態(tài)，此時如果使用RKE就會出現(xiàn)失靈的現(xiàn)象。

根據(jù)計時器溢出時間對BCM軟件邏輯進(jìn)行測試，測試用例如圖8所示。根據(jù)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在計時器T1溢出時，如果count=9，中控鎖就會進(jìn)入熱保護(hù)，此時RKE功能也就失靈了。也即是說只要count=9，且BCM始終處于喚醒狀態(tài)，那么每隔327s就會出現(xiàn)30s的中控?zé)岜Ｗo(hù)。針對計時器溢出的問題，在每個計時器進(jìn)行加1操作前，對當(dāng)前值進(jìn)行檢查，停止將要溢出的計時器。將改進(jìn)后軟件測試合格后升級到用戶車輛，用戶反饋此問題徹底解決。

圖8 BCM測試用例

三、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

某車型用戶反饋遙控器偶爾無法開、閉鎖，尤其在市區(qū)的大型停車場、生活區(qū)停車場或無線電信號比較復(fù)雜的場所故障更明顯。經(jīng)過對RF接收芯片輸出的基帶信號進(jìn)行測量分析（測量方法如圖3所示），發(fā)現(xiàn)即使在外部干擾信號較少的情況下，輸出的基帶信號也存在大量的雜波，當(dāng)外部環(huán)境比較復(fù)雜時，更容易出現(xiàn)數(shù)字基帶信號被破壞的情況。如圖9、10所示，在同一環(huán)境中，不同設(shè)計方案的RF電路，其基帶信號的雜波明顯不同，故障車輛基帶信號經(jīng)常破壞掉，造成MCU無法正常解碼。

圖9 RKE信號異常波形

圖10 RKE基帶信號異常雜波

該車型BCM的RF電路的接收靈敏度比較高，且采用了單獨的RF前置放大電路，如圖11所示，這樣造成MAX7637的低噪放大器LNAIN的輸入信號中的雜波比較多，在MAX7637對信號進(jìn)行數(shù)字整形輸出時，往往會出現(xiàn)波形被破壞的現(xiàn)象，造成MCU解碼失敗。如果MAX7637連續(xù)輸出的多幀數(shù)據(jù)都存在此問題，就會造成RKE短暫失靈的現(xiàn)象。將前置放大電路去除后，并對RF接收電路進(jìn)行優(yōu)化后，重新進(jìn)行Ant-SAW-LNA各級之間的阻抗匹配，經(jīng)過傳導(dǎo)靈敏度測試、接收帶寬測試和抗干擾測試合格后，最終通過降低RF電路接收靈敏度的方案徹底解決此問題。

五、結(jié)束語

通過以上對BCM硬件和軟件方面的改進(jìn)優(yōu)化，基本上解決RKE偶發(fā)失效問題，并在一定程度上提升了RKE系統(tǒng)的強壯性。RKE系統(tǒng)的穩(wěn)定性涉及到很多因素，例如同頻干擾，車輛玻璃貼膜使射頻信號衰減，用戶改裝電器產(chǎn)生的空間輻射干擾等，這類問題要求設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計初期，必須予以充分的識別，通過各種試驗方法模擬復(fù)雜的用車環(huán)境，最大程度上提升RKE系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖11 RF前置放大電路

[1]丁明軍，徐建成. 射頻卡應(yīng)用中的曼徹斯特碼解碼技術(shù)[J]. 信息安全與通訊保密，2007（12）.

[2]陳良琳. 基于TDA5210的868MHz無線接收模塊設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2011（5）.

[3]賈天陽，陳勝國. 基于汽車遙控門禁（RKE）系統(tǒng)性能及可靠性測試的研究[J]. 汽車零部件，2012（8）.

（責(zé)任編輯姚仲仁）

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

陳建強（1980—）,河北滄州人，長城汽車股份有限公司天津分公司商品技術(shù)部，工程師。