電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的功能原理簡(jiǎn)介

圖2 ESCL控制模塊圖1 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的功能原理簡(jiǎn)介陳曉霞， 秦浩， 路影， 陳文強(qiáng)， 潘之杰， 趙福全（浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司， 浙江 杭州311228）摘要： 隨著無(wú)鑰匙進(jìn)入及一鍵啟動(dòng)系統(tǒng) （PEPS） 在汽車(chē)上的應(yīng)用 ， 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖就與PEPS相結(jié)合成為汽車(chē)防盜系統(tǒng)的一部分， 它可以防止汽車(chē)在行駛過(guò)程中意外上鎖， 有效地提高了汽車(chē)的行駛安全。 本文主要介紹電子轉(zhuǎn) 向管柱鎖的基本構(gòu)造、 功能原理及內(nèi)部通信過(guò)程。關(guān)鍵詞： 無(wú)鑰匙進(jìn)入與啟動(dòng)系統(tǒng)； 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖； 功能； 原理中圖分類(lèi)號(hào)： U463.854文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 文章編號(hào)： 1003-8639（2012）04-0012-03Function and Principle of Electronic Steering Column LockCHEN Xiao-xia, QIN Hao, LU Ying, CHEN Wen-qiang， PAN Zhi-jie， ZHAO Fu-quan（Geely Automobile Institute, Hangzhou 311228, China）Abstract： With the application of RKE and PEPS on vehicles， the electronic steering column lock is combined with PEPS to make a part of the auto guard system， which can prevent unexpected unlocking in driving and improve driving safety. The author introduces the basic structure， function principle and the inside communication process of ESCL.Key words： PEPS (Passive Entry and Passive Start)； ESCL (Electronic Steering Column Lock)； function； principle隨著汽車(chē)的普及和發(fā)展， 人們對(duì)汽車(chē)的性能要求越來(lái)越高， 同時(shí)對(duì)汽車(chē)的安全性問(wèn)題也越來(lái)越關(guān) 注。 為滿足人們對(duì)汽車(chē)安全性能的要求， 越來(lái)越多 的先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用到汽車(chē)安全裝置上。 其中， 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖簡(jiǎn)稱(chēng)(Electronic steering column lock，ESCL) 與無(wú)鑰匙進(jìn)入與 啟 動(dòng) 系 統(tǒng) （ Passive Entryand Passive Start， 簡(jiǎn) 稱(chēng)PEPS） 共同成為安全性能 方面的重要部分1 ， 已在國(guó)內(nèi)外的高檔車(chē)型上取得 了廣泛應(yīng)用。 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖也是防盜系統(tǒng)的一部 分， 它主要是通過(guò)鎖舌系統(tǒng)來(lái)給轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行上鎖 和解鎖， 以起到保護(hù)汽車(chē)安全的作用， 它的安全目 標(biāo)是防止汽車(chē)在行駛中意外上鎖。無(wú)鑰匙進(jìn)入與啟動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)用戶(hù)攜帶的智 能鑰匙提高了用戶(hù)的舒適性和安全性， 隨著無(wú)鑰匙 進(jìn)入與啟動(dòng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用， 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖為汽 車(chē)安全的提高奠定了基礎(chǔ)， 因其是電子式的， 無(wú)需 像機(jī)械鎖那樣需要轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)對(duì)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行開(kāi) 鎖和解鎖， 在電子轉(zhuǎn)向管柱鎖監(jiān)測(cè)到上鎖和解鎖所 需 的 條 件都滿足后就能執(zhí)行相應(yīng)的上鎖和解鎖動(dòng) 作， 為用戶(hù)提供了很大的便捷。處理器 （主處理器和從處理器） 、 2 個(gè)霍爾傳感器、繼 電 器 等 。 控制模塊還包含了看門(mén)狗和時(shí)基控制 器。 整個(gè)控制模塊控制了電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的工作狀態(tài)2。ESCL的控制模塊如圖2所示。1 ESCL的基本架構(gòu)組成電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的結(jié)構(gòu)主要包括以下部分： 鎖 舌、 傳動(dòng)軸、 傳動(dòng)齒輪、 電機(jī)以及控制單元模塊。 它的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。1） 鎖舌的位置主要決定了電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的 上鎖與解鎖狀態(tài)。 而其控制模塊主要包含了2 個(gè)微修改稿收稿日期： 2012-01-10作者簡(jiǎn)介： 陳曉霞 （1984-）， 女， 設(shè)計(jì)工程師， 從事車(chē)身電子設(shè)計(jì)工作， 研究方向?yàn)檐?chē)身電子控制。圖4 ESCL的解鎖流程圖3 ESCL與PEPS的通信模塊 OperationMaintenance 使用維修電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的控制模塊有三 大 特 色 功2）能： 雙防盜 非法侵入時(shí)車(chē)輛失去轉(zhuǎn)向、 起動(dòng)功能； 雙核 采用兩塊處理器， 避免因控制器 本 身 故 障 而 產(chǎn) 生 的 問(wèn) 題 ； 雙 監(jiān) 控 利 用 CAN網(wǎng)絡(luò)和硬線（Controller Area Network）（Hard wire）對(duì)輸入信號(hào)采取兩路檢測(cè)確認(rèn)。 具有高可靠的安全性和高智能化。主處理器主要起到功能應(yīng)用及數(shù) 據(jù) 網(wǎng) 管 的3）作用， 而從處理器主要起到數(shù)據(jù)安全檢測(cè)的作用。所連接的鎖舌的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 這一性能主要取決于PEPS間的通信和選擇的防盜協(xié)議。這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)主處理器中已包含了 安 全 特 性 ，包 含 CAN 總 線 接口， 可執(zhí)行診斷及其他功能。 通過(guò)控制橋式電機(jī)電路的低端驅(qū)動(dòng)進(jìn)行解鎖操作， 而通過(guò)控制橋式電機(jī) 電路的高端及低端同時(shí)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行上鎖操作。之前， 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖需要通過(guò)特定的CAN報(bào)文來(lái)得到相關(guān)信號(hào)， 在解鎖操作之前需要確保與車(chē)輛的 駕駛認(rèn)證系統(tǒng)間的認(rèn)證有效。此認(rèn)證過(guò)程如下： 用戶(hù)按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后， PEPS 發(fā)送一個(gè)PEPS_CAPE_04的信號(hào)給ESCL， ESCL接收 到 從PEPS 發(fā)過(guò)來(lái)的觸發(fā)信號(hào)以后 ， 接 著 發(fā) 送 一 個(gè) ESCL_Auth_01 信 號(hào) （ 包 含 了 4 字 節(jié) 的 隨 機(jī) 碼 ） 給主處理器的安全特性有 ：ROM （Read OnlyMemory， 只讀存儲(chǔ)器） 檢測(cè) （ROM內(nèi)容的16位的循環(huán) 冗 余 校 驗(yàn) ） ； RAM （ Random Access Memory， 隨機(jī)存儲(chǔ)器） 數(shù)據(jù)備份 （安全相關(guān)數(shù)據(jù)的多樣化存 儲(chǔ)/周 期 性 的 RAM 檢 測(cè) ） ； EEPROM （ Electrically Erasable Programmable Read， 電 可 擦 除 存 儲(chǔ) 器 ） 循環(huán)冗余校驗(yàn)； CPU自檢； AD轉(zhuǎn)換器測(cè)試； 所 有在主處理器和從處理器的連接的退耦來(lái)避免回復(fù)系 統(tǒng)； 控制橋式電機(jī)高端上鎖的校驗(yàn)； 系統(tǒng)控制模 塊重啟功能測(cè)試； 對(duì)從處理器重啟功能測(cè)試。PEPS。之后，ESCL和PEPS同步采用AES (AdvancedEncryption Standard， 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)) 算法， 各自計(jì)算 出 4 字 節(jié) 的 加 密 數(shù) 據(jù) 包 。 然 后 PEPS 再 發(fā) 送PEPS_CAPE_04包含加密數(shù)據(jù)到ESCL， 收到PEPS發(fā)送的加密數(shù)據(jù)后，ESCL將此加密數(shù)據(jù)與自身生成的加 密 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 比 較 。 如果兩個(gè)加密數(shù)據(jù)相等 ， 則ESCL將執(zhí)行解鎖動(dòng)作并將認(rèn)證錯(cuò)誤位清零， 將加密 數(shù)據(jù)與鎖舌位置響應(yīng)信號(hào) 一 起 發(fā) 送 給 PEPS。 此 時(shí) PEPS就將接收到的加密數(shù)據(jù)與自身的加密數(shù)據(jù)再進(jìn) 行 比 較 ， 如 果 相 等 ， 就使能解鎖功能 ， 即 解 鎖 成從處理器也叫安全處理器 ， 它 包 含 安 全 特4）性， 可驗(yàn)證CAN報(bào)文所包含的安全條件， 其中控制橋式的電機(jī)電路高端驅(qū)動(dòng)進(jìn)行上鎖操作。 從處理器的安全特性有：自身電壓供給； 自身具有時(shí)基控 制 ；ROM 檢 測(cè) （ROM 內(nèi)容的循環(huán)冗余校驗(yàn) ） ；功 ； 如 果 不 相 等 ，那 么ESCL 將認(rèn)證這個(gè)錯(cuò)誤位置 位，提醒PEPS解鎖嘗試失敗，并重啟認(rèn)證過(guò)程。 電RAM檢測(cè) （安全存儲(chǔ)包括標(biāo)識(shí)符）；控制橋式電機(jī)低端上鎖的校驗(yàn)。CPU自檢；子轉(zhuǎn)向管柱鎖的解鎖流程如圖4所示。主處理器可直接通過(guò)SPI 總 線 將 相 關(guān) 的CAN 報(bào)文傳輸?shù)綇奶幚砥髦小?主處理器可單獨(dú)完成轉(zhuǎn)向管 柱的解鎖操作， 而上鎖操作則需要主處理器和從處 理器同時(shí)來(lái)完成。2 ESCL的功能特性介紹電子轉(zhuǎn)向管柱鎖是防盜系統(tǒng)的一部分， 它可以提 供以下功能： 防止未經(jīng)過(guò)車(chē)輛認(rèn)證許可的動(dòng)作給轉(zhuǎn) 向管柱上鎖； 通過(guò)車(chē)輛認(rèn)證許可后給轉(zhuǎn)向管柱解鎖。在汽車(chē)使用PEPS系統(tǒng)時(shí)，與之匹配的就是電子轉(zhuǎn)當(dāng)然， 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的解鎖功能也需要滿足一定的條件才能使能， 而滿足電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的解鎖功 能的條件為： 首先需要一個(gè)來(lái)自防盜控制器的認(rèn)證請(qǐng) 求 （也作為觸發(fā)條件）； 其次是來(lái)自PEPS的合法的認(rèn) 證。 在同時(shí)滿足這兩個(gè)條件后如果監(jiān)測(cè)到一個(gè)有效的 解鎖請(qǐng)求， 就驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)調(diào)整鎖舌到解鎖狀態(tài)。2.2 ESCL的上鎖功能電子轉(zhuǎn)向管柱鎖進(jìn)行上鎖操作的預(yù)判條件是由向 管 柱 鎖來(lái)設(shè)置汽車(chē)的防盜系統(tǒng) ， 他 們 之 間 通 過(guò)CAN 總線來(lái)通信3 。 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖通過(guò) 傳 感 器 來(lái) 監(jiān)測(cè)鎖舌的位置對(duì)轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行上鎖和解鎖。 電子 轉(zhuǎn)向管柱鎖ESCL與PEPS的通信模塊如圖3所示。2.1 ESCL的解鎖功能電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的解鎖功能是由微處理器來(lái)控 制的， 微處理系統(tǒng)處理報(bào)文及開(kāi)始上鎖或解鎖的動(dòng) 作是由一個(gè)DC （直流） 電機(jī)控制通過(guò)傳動(dòng)齒輪裝置整 車(chē) 系 統(tǒng) 來(lái) 提 供 的 ，這些預(yù)判條件是由許多來(lái)自 汽車(chē)電器2012 年第 4 期 13 圖6 ESCL的上鎖內(nèi)部流程圖圖5 ESCL的上鎖流程使用維修 OperationMaintenance CAN 總線的信號(hào)組成的 ，包 括 輪 速 信 號(hào) 、 轉(zhuǎn) 速 信電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的上鎖內(nèi)部流程如圖6所示。號(hào)、 電源模式狀態(tài)信號(hào)和繼電器盒內(nèi)的IGN1 狀態(tài)。如果預(yù)判條件有效， 此時(shí)若有一個(gè)特定的觸發(fā)信號(hào) 會(huì)使能ESCL進(jìn)行上鎖操作， 隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)鎖舌到鎖 止位置時(shí)即實(shí)現(xiàn)了電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的上鎖功能。電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的上鎖功能需要滿足以下條件 才能實(shí)現(xiàn)。 觸發(fā)條件： 駕駛員門(mén)由關(guān)閉到打開(kāi)或者中控鎖關(guān)閉；從ABS (Anti-lock Brake System，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)) 發(fā)出的車(chē)速信號(hào)1 km/h； 發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn) 速 無(wú) 效 （ 在IGN1 OFF 后無(wú)法再接收 到 任 何 轉(zhuǎn)速）；繼電器盒內(nèi)的IGN1狀態(tài)為OFF； PEPS提供的帶能源模式為OFF； 內(nèi)部自檢沒(méi)有錯(cuò)誤。在觸發(fā)條件中的任意一個(gè)條件得到滿足， 并且以 上5個(gè)預(yù)判條件確定有效以后， ESCL會(huì)以CAN報(bào)文形式 發(fā)送上鎖狀態(tài)信息， 然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)鎖舌到上鎖位置。值得注意的是， 在判斷輪速信號(hào)是否有效時(shí) ，需 要 滿 足以下條件才能進(jìn)行判斷 ： 電 子 穩(wěn) 定 程 序（Electronic Stability Program， 簡(jiǎn) 稱(chēng)ESP） 的 規(guī) 范 要 求首先需要確認(rèn)循環(huán)冗余校驗(yàn)無(wú)錯(cuò)誤， 其目的是確 保網(wǎng)關(guān)在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中無(wú)錯(cuò)誤； 其次， 要 求報(bào)文計(jì)數(shù)器無(wú)錯(cuò)誤， 即數(shù)據(jù)幀在傳輸過(guò)程中無(wú)漏 除數(shù)據(jù)現(xiàn)象， 保證數(shù)據(jù)幀的完整傳輸； 最后， 要求至 少3個(gè)輪速信號(hào)有效 （且輪速信號(hào)的值要小于1 km/h）。 對(duì)ABS相應(yīng)的約束條件為： 點(diǎn)火開(kāi)關(guān)為OFF狀態(tài)時(shí)， 在連續(xù)30 s內(nèi)， 輪速信號(hào)為0的情況下， ABS不再發(fā) 送 輪 速 信 號(hào) ， 同 時(shí) 繼 電 器 關(guān) 閉 ， 即IGN1 OFF， 發(fā)3 ESCL的機(jī)械設(shè)計(jì)說(shuō)明電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的正常工作電壓為12 V， 它的低 壓范圍為8 V， 過(guò)壓范圍為16 V。 如果出現(xiàn)過(guò)壓或 低壓情況時(shí)， ESCL就會(huì)通過(guò)診斷來(lái)存儲(chǔ)錯(cuò)誤信息， 這里電子轉(zhuǎn)向管柱通過(guò)兩個(gè)Pin 腳 與 電 源 相 連 。 關(guān) 于對(duì)極性顛倒所進(jìn)行的保護(hù)， 這里采用二極管來(lái)實(shí) 現(xiàn)。 ESCL通過(guò)CAN總線與整車(chē)進(jìn)行通信。動(dòng) 機(jī) 管 理 系 統(tǒng)簡(jiǎn) 稱(chēng)（ Engine Management System，EMS） 不再發(fā)送轉(zhuǎn)速信號(hào)。 在滿足這些條件后， 如果出現(xiàn)遙控開(kāi)關(guān)發(fā)出中控鎖關(guān)閉命令或駕駛員車(chē)門(mén) 由關(guān)閉到打開(kāi)兩個(gè)觸發(fā)條件中的任意一個(gè)， ESCL可 執(zhí)行上鎖操作。電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的上鎖和解鎖動(dòng)作的執(zhí)行是通 過(guò)CAN總線與PEPS通信， 然后驅(qū)動(dòng)鎖舌改變位置來(lái) 決定的。 ESCL的上鎖流程如圖5所示。4 結(jié)束語(yǔ)ESCL 是 在PEPS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 發(fā) 展 起 來(lái) 的 ， 隨 著PEPS 系統(tǒng)的 廣 泛 應(yīng) 用 ， ESCL 也越來(lái)越受到汽車(chē) 界的重視， 它高安全性和高智能化的特點(diǎn)也正順應(yīng) 了廣大消費(fèi)者的需求。 本文著重介紹了ESCL的結(jié)構(gòu)原理及功能，詳細(xì)闡述了ESCL的解鎖和上鎖過(guò)程以及內(nèi)部通信過(guò)程。 電子轉(zhuǎn)向管柱鎖的廣泛應(yīng)用體現(xiàn)了汽車(chē)安全系統(tǒng)的又一重要突破和創(chuàng)新。目 前 ， 國(guó) 內(nèi) 有 很 多汽車(chē)上都應(yīng)用電子式轉(zhuǎn)向 鎖， 最為典型是豐田汽車(chē)的凱美瑞和大霸王， 并且 得到了廣大用戶(hù)的認(rèn)可。參考文獻(xiàn)：1 GB / T 7258-2004， 機(jī)動(dòng)車(chē)安全技術(shù)條件S.2 張雄偉. 單片機(jī)的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用 （ 第 三 版 ） M. 北 京 ：電子工業(yè)出版社， 2003.3 ISO 76372-2 (2004) Road Vehicles-Electrical Disturban- ces From Conduction and Coupling-Part 2: Electrical Tra- nsient Conduction Along Supply Lines OnlyS. 2004.（編輯 孫韶華） 14 汽車(chē)電器2012 年第 4 期