电子转向管柱锁的功能原理简介

图2 ESCL控制模块图1 电子转向管柱锁的内部结构图电子转向管柱锁的功能原理简介陈晓霞， 秦浩， 路影， 陈文强， 潘之杰， 赵福全（浙江吉利汽车研究院有限公司， 浙江 杭州311228）摘要： 随着无钥匙进入及一键启动系统 （PEPS） 在汽车上的应用 ， 电子转向管柱锁就与PEPS相结合成为汽车防盗系统的一部分， 它可以防止汽车在行驶过程中意外上锁， 有效地提高了汽车的行驶安全。 本文主要介绍电子转 向管柱锁的基本构造、 功能原理及内部通信过程。关键词： 无钥匙进入与启动系统； 电子转向管柱锁； 功能； 原理中图分类号： U463.854文献标识码： B 文章编号： 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随着汽车的普及和发展， 人们对汽车的性能要求越来越高， 同时对汽车的安全性问题也越来越关 注。 为满足人们对汽车安全性能的要求， 越来越多 的先进技术被应用到汽车安全装置上。 其中， 电子转向管柱锁简称(Electronic steering column lock，ESCL) 与无钥匙进入与 启 动 系 统 （ Passive Entryand Passive Start， 简 称PEPS） 共同成为安全性能 方面的重要部分1 ， 已在国内外的高档车型上取得 了广泛应用。 电子转向管柱锁也是防盗系统的一部 分， 它主要是通过锁舌系统来给转向管柱进行上锁 和解锁， 以起到保护汽车安全的作用， 它的安全目 标是防止汽车在行驶中意外上锁。无钥匙进入与启动系统通过一个用户携带的智 能钥匙提高了用户的舒适性和安全性， 随着无钥匙 进入与启动系统的广泛应用， 电子转向管柱锁为汽 车安全的提高奠定了基础， 因其是电子式的， 无需 像机械锁那样需要转动开关对汽车的发动机进行开 锁和解锁， 在电子转向管柱锁监测到上锁和解锁所 需 的 条 件都满足后就能执行相应的上锁和解锁动 作， 为用户提供了很大的便捷。处理器 （主处理器和从处理器） 、 2 个霍尔传感器、继 电 器 等 。 控制模块还包含了看门狗和时基控制 器。 整个控制模块控制了电子转向管柱锁的工作状态2。ESCL的控制模块如图2所示。1 ESCL的基本架构组成电子转向管柱锁的结构主要包括以下部分： 锁 舌、 传动轴、 传动齿轮、 电机以及控制单元模块。 它的基本内部结构如图1所示。1） 锁舌的位置主要决定了电子转向管柱锁的 上锁与解锁状态。 而其控制模块主要包含了2 个微修改稿收稿日期： 2012-01-10作者简介： 陈晓霞 （1984-）， 女， 设计工程师， 从事车身电子设计工作， 研究方向为车身电子控制。图4 ESCL的解锁流程图3 ESCL与PEPS的通信模块 OperationMaintenance 使用维修电子转向管柱锁的控制模块有三 大 特 色 功2）能： 双防盗 非法侵入时车辆失去转向、 起动功能； 双核 采用两块处理器， 避免因控制器 本 身 故 障 而 产 生 的 问 题 ； 双 监 控 利 用 CAN网络和硬线（Controller Area Network）（Hard wire）对输入信号采取两路检测确认。 具有高可靠的安全性和高智能化。主处理器主要起到功能应用及数 据 网 管 的3）作用， 而从处理器主要起到数据安全检测的作用。所连接的锁舌的运动来实现的。 这一性能主要取决于PEPS间的通信和选择的防盗协议。这个过程实现主处理器中已包含了 安 全 特 性 ，包 含 CAN 总 线 接口， 可执行诊断及其他功能。 通过控制桥式电机电路的低端驱动进行解锁操作， 而通过控制桥式电机 电路的高端及低端同时驱动进行上锁操作。之前， 电子转向管柱锁需要通过特定的CAN报文来得到相关信号， 在解锁操作之前需要确保与车辆的 驾驶认证系统间的认证有效。此认证过程如下： 用户按下启动开关后， PEPS 发送一个PEPS_CAPE_04的信号给ESCL， ESCL接收 到 从PEPS 发过来的触发信号以后 ， 接 着 发 送 一 个 ESCL_Auth_01 信 号 （ 包 含 了 4 字 节 的 随 机 码 ） 给主处理器的安全特性有 ：ROM （Read OnlyMemory， 只读存储器） 检测 （ROM内容的16位的循环 冗 余 校 验 ） ； RAM （ Random Access Memory， 随机存储器） 数据备份 （安全相关数据的多样化存 储/周 期 性 的 RAM 检 测 ） ； EEPROM （ Electrically Erasable Programmable Read， 电 可 擦 除 存 储 器 ） 循环冗余校验； CPU自检； AD转换器测试； 所 有在主处理器和从处理器的连接的退耦来避免回复系 统； 控制桥式电机高端上锁的校验； 系统控制模 块重启功能测试； 对从处理器重启功能测试。PEPS。之后，ESCL和PEPS同步采用AES (AdvancedEncryption Standard， 高级加密标准) 算法， 各自计算 出 4 字 节 的 加 密 数 据 包 。 然 后 PEPS 再 发 送PEPS_CAPE_04包含加密数据到ESCL， 收到PEPS发送的加密数据后，ESCL将此加密数据与自身生成的加 密 数 据 进 行 比 较 。 如果两个加密数据相等 ， 则ESCL将执行解锁动作并将认证错误位清零， 将加密 数据与锁舌位置响应信号 一 起 发 送 给 PEPS。 此 时 PEPS就将接收到的加密数据与自身的加密数据再进 行 比 较 ， 如 果 相 等 ， 就使能解锁功能 ， 即 解 锁 成从处理器也叫安全处理器 ， 它 包 含 安 全 特4）性， 可验证CAN报文所包含的安全条件， 其中控制桥式的电机电路高端驱动进行上锁操作。 从处理器的安全特性有：自身电压供给； 自身具有时基控 制 ；ROM 检 测 （ROM 内容的循环冗余校验 ） ；功 ； 如 果 不 相 等 ，那 么ESCL 将认证这个错误位置 位，提醒PEPS解锁尝试失败，并重启认证过程。 电RAM检测 （安全存储包括标识符）；控制桥式电机低端上锁的校验。CPU自检；子转向管柱锁的解锁流程如图4所示。主处理器可直接通过SPI 总 线 将 相 关 的CAN 报文传输到从处理器中。 主处理器可单独完成转向管 柱的解锁操作， 而上锁操作则需要主处理器和从处 理器同时来完成。2 ESCL的功能特性介绍电子转向管柱锁是防盗系统的一部分， 它可以提 供以下功能： 防止未经过车辆认证许可的动作给转 向管柱上锁； 通过车辆认证许可后给转向管柱解锁。在汽车使用PEPS系统时，与之匹配的就是电子转当然， 电子转向管柱锁的解锁功能也需要满足一定的条件才能使能， 而满足电子转向管柱锁的解锁功 能的条件为： 首先需要一个来自防盗控制器的认证请 求 （也作为触发条件）； 其次是来自PEPS的合法的认 证。 在同时满足这两个条件后如果监测到一个有效的 解锁请求， 就驱动电机来调整锁舌到解锁状态。2.2 ESCL的上锁功能电子转向管柱锁进行上锁操作的预判条件是由向 管 柱 锁来设置汽车的防盗系统 ， 他 们 之 间 通 过CAN 总线来通信3 。 电子转向管柱锁通过 传 感 器 来 监测锁舌的位置对转向管柱进行上锁和解锁。 电子 转向管柱锁ESCL与PEPS的通信模块如图3所示。2.1 ESCL的解锁功能电子转向管柱锁的解锁功能是由微处理器来控 制的， 微处理系统处理报文及开始上锁或解锁的动 作是由一个DC （直流） 电机控制通过传动齿轮装置整 车 系 统 来 提 供 的 ，这些预判条件是由许多来自 汽车电器2012 年第 4 期 13 图6 ESCL的上锁内部流程图图5 ESCL的上锁流程使用维修 OperationMaintenance CAN 总线的信号组成的 ，包 括 轮 速 信 号 、 转 速 信电子转向管柱锁的上锁内部流程如图6所示。号、 电源模式状态信号和继电器盒内的IGN1 状态。如果预判条件有效， 此时若有一个特定的触发信号 会使能ESCL进行上锁操作， 随着电机驱动锁舌到锁 止位置时即实现了电子转向管柱锁的上锁功能。电子转向管柱锁的上锁功能需要满足以下条件 才能实现。 触发条件： 驾驶员门由关闭到打开或者中控锁关闭；从ABS (Anti-lock Brake System，防抱死制动系统) 发出的车速信号1 km/h； 发动机 转 速 无 效 （ 在IGN1 OFF 后无法再接收 到 任 何 转速）；继电器盒内的IGN1状态为OFF； PEPS提供的带能源模式为OFF； 内部自检没有错误。在触发条件中的任意一个条件得到满足， 并且以 上5个预判条件确定有效以后， ESCL会以CAN报文形式 发送上锁状态信息， 然后电机驱动锁舌到上锁位置。值得注意的是， 在判断轮速信号是否有效时 ，需 要 满 足以下条件才能进行判断 ： 电 子 稳 定 程 序（Electronic Stability Program， 简 称ESP） 的 规 范 要 求首先需要确认循环冗余校验无错误， 其目的是确 保网关在进行数据转发的过程中无错误； 其次， 要 求报文计数器无错误， 即数据帧在传输过程中无漏 除数据现象， 保证数据帧的完整传输； 最后， 要求至 少3个轮速信号有效 （且轮速信号的值要小于1 km/h）。 对ABS相应的约束条件为： 点火开关为OFF状态时， 在连续30 s内， 轮速信号为0的情况下， ABS不再发 送 轮 速 信 号 ， 同 时 继 电 器 关 闭 ， 即IGN1 OFF， 发3 ESCL的机械设计说明电子转向管柱锁的正常工作电压为12 V， 它的低 压范围为8 V， 过压范围为16 V。 如果出现过压或 低压情况时， ESCL就会通过诊断来存储错误信息， 这里电子转向管柱通过两个Pin 脚 与 电 源 相 连 。 关 于对极性颠倒所进行的保护， 这里采用二极管来实 现。 ESCL通过CAN总线与整车进行通信。动 机 管 理 系 统简 称（ Engine Management System，EMS） 不再发送转速信号。 在满足这些条件后， 如果出现遥控开关发出中控锁关闭命令或驾驶员车门 由关闭到打开两个触发条件中的任意一个， ESCL可 执行上锁操作。电子转向管柱锁的上锁和解锁动作的执行是通 过CAN总线与PEPS通信， 然后驱动锁舌改变位置来 决定的。 ESCL的上锁流程如图5所示。4 结束语ESCL 是 在PEPS 系统的基础上 发 展 起 来 的 ， 随 着PEPS 系统的 广 泛 应 用 ， ESCL 也越来越受到汽车 界的重视， 它高安全性和高智能化的特点也正顺应 了广大消费者的需求。 本文着重介绍了ESCL的结构原理及功能，详细阐述了ESCL的解锁和上锁过程以及内部通信过程。 电子转向管柱锁的广泛应用体现了汽车安全系统的又一重要突破和创新。目 前 ， 国 内 有 很 多汽车上都应用电子式转向 锁， 最为典型是丰田汽车的凯美瑞和大霸王， 并且 得到了广大用户的认可。参考文献：1 GB / T 7258-2004， 机动车安全技术条件S.2 张雄伟. 单片机的原理与开发应用 （ 第 三 版 ） M. 北 京 ：电子工业出版社， 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.（编辑 孙韶华） 14 汽车电器2012 年第 4 期