ETC系統(tǒng)中車(chē)載單元的研究與設(shè)計(jì)

許 菲 李新友

（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 武漢 430070）

0 引 言

近年來(lái)，的公路建設(shè)進(jìn)展迅速，公路的總里程已超過(guò)380萬(wàn)km，高速公路的通車(chē)總里程已超過(guò)7萬(wàn)km［1］.同時(shí)，我國(guó)汽車(chē)保有量也迅速增加，僅2010年就增加了1 800多萬(wàn)輛［2］.而我國(guó)目前大多數(shù)收費(fèi)站仍然以人工收費(fèi)方式為主.一方面，雖然人力、物力的投入很大，效率卻不高；另一方面，交費(fèi)時(shí)車(chē)輛需要完全停車(chē)，因而在收費(fèi)站附近的通行速度較慢.一旦遇到交通繁忙路段或高峰期，收費(fèi)站就成為瓶頸，變?yōu)閾矶曼c(diǎn).此問(wèn)題在城市內(nèi)的收費(fèi)站表現(xiàn)尤為突出.

電子收費(fèi)（electronic toll collection，ETC）是解決上述問(wèn)題的有效手段，在世界發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用［3－4］.我國(guó)于2007年制定了 ETC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).ETC系統(tǒng)采用了RFID（radio frequency identification）［5］、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像處理等先進(jìn)技術(shù)，甚至可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛無(wú)需停車(chē)即可自動(dòng)收費(fèi)的功能.ETC系統(tǒng)前端重要設(shè)備是車(chē)載單元OBU（on board unit，俗稱(chēng)標(biāo)簽）和路邊單元RSU（road side unit，俗稱(chēng)天線）.RSU與OBU之間如何穩(wěn)定可靠、安全高效地協(xié)調(diào)工作是ETC系統(tǒng)需要研究的主要課題.

1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

ETC系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示.可將其分為前端子系統(tǒng)和后臺(tái)子系統(tǒng).前端子系統(tǒng)包括安裝在汽車(chē)上的車(chē)載單元OBU、車(chē)道門(mén)架上的RSU.OBU與RSU之間以波通信的方式進(jìn)行電子收費(fèi)交易；地感線圈用于車(chē)輛的駛?cè)牒碗x開(kāi)檢測(cè)，以觸發(fā)、控制拍照和閃光；攝像頭屬于拍照系統(tǒng)的設(shè)備，拍攝車(chē)輛牌照進(jìn)行識(shí)別，用于留存查驗(yàn)和追繳逃費(fèi).前端子系統(tǒng)的RSU、攝像頭、地感線圈等將數(shù)據(jù)上傳給車(chē)道控制機(jī)，經(jīng)車(chē)道控制機(jī)處理后的數(shù)據(jù)再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送到后臺(tái)子系統(tǒng).后臺(tái)子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)中心、資金結(jié)算系統(tǒng)和OBU發(fā)行中心等.

圖1 ETC系統(tǒng)構(gòu)架圖

車(chē)載單元OBU和路邊單元RSU是前端子系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備.當(dāng)車(chē)輛駛?cè)隦SU覆蓋的通信區(qū)域后，車(chē)輛上的OBU被喚醒，并做出回應(yīng).繼而雙方根據(jù)協(xié)議規(guī)程，完成雙向數(shù)據(jù)通信.在一次成功的交易過(guò)程中，RSU將獲得車(chē)輛的身份信息（如OBU的ID號(hào)、車(chē)牌號(hào)、車(chē)型等），并將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)車(chē)道控制機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送到后臺(tái)系統(tǒng)處理，完成繳費(fèi).本文設(shè)計(jì)的RSU與OBU的交易符合中國(guó)ISO／TC204技術(shù)委員會(huì)制定的中國(guó)DSRC（Dedicated Short Range Communication，專(zhuān)用短距離通信）標(biāo)準(zhǔn)［6］.本文重點(diǎn)是OBU的硬件設(shè)計(jì).

2 OBU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 OBU硬件結(jié)構(gòu)

OBU硬件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括MCU（microprocessor control unit）單元、喚醒模塊、射頻發(fā)射／接收模塊、電源管理模塊、加密模塊、接口及顯示模塊等.

圖2 OBU整體結(jié)構(gòu)圖

MCU單元是OBU核心部分，控制各個(gè)模塊的有序工作，完成編解碼和交易流程等工作；射頻發(fā)射／接收模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射與接收以及信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)；電源管理模塊負(fù)責(zé)管理OBU的電源，保證可靠工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最低的功耗；喚醒模塊一方面要保證車(chē)輛在進(jìn)入RSU的通信區(qū)域時(shí)OBU能被及時(shí)喚醒，開(kāi)始正常工作，另一方面還要避免OBU在非RSU的通信區(qū)域被誤喚醒；加密模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密及交易過(guò)程安全認(rèn)證；接口及顯示模塊提供USB接口和LCD顯示.

2.2 MCU單元

MCU是OBU關(guān)鍵.當(dāng)車(chē)輛以100km／h的速度通過(guò)收費(fèi)點(diǎn)RSU通信區(qū)域時(shí)，OBU應(yīng)完成整個(gè)交易過(guò)程.所以在選擇MCU時(shí)，不僅對(duì)其功耗、內(nèi)存容量以及可靠性有較高的要求，還要求其具有快速的處理速度.針對(duì)以上要求，本文選取意法半導(dǎo)體公司的基于ARM Cortex－M3內(nèi)核處理器STM32F205系列芯片作為MCU.STM32F205主要具有以下特點(diǎn)［7］：

1）快速處理能力.STM32F205是32位微處理器，采用ARM Cortex－M3內(nèi)核，工作頻率為120MHz，且?guī)в蠥RT加速器.Flash從128K至1 024K，片內(nèi)RAM從64K至128K.

2）更低功耗.STM32F205的功耗在32位處理器中是最低的，供電電壓范圍為2.0～3.6V，在待機(jī)模式時(shí)，其電源供電電流約為2.5μA，在正常工作模式時(shí)，其耗電為26mA.

3）豐富的功能集成.STM32F205內(nèi)部包括17個(gè)定時(shí)器、3個(gè)12位A／D轉(zhuǎn)換器（交錯(cuò)模式下可達(dá)到6MSPS）、2個(gè)12位D／A轉(zhuǎn)換器、3個(gè)I2C接口、4個(gè) USART和2個(gè) UART（7.5Mb／s）接口和3個(gè)SPI端口、2路CAN，此外還設(shè)有16個(gè)DMA通道，一個(gè)CRC計(jì)算單元等.

STM32F205的基本電路見(jiàn)圖3.

圖3 STM32F205的基本電路圖

微控制器STM32通過(guò)SPI口對(duì)射頻芯片ML5830進(jìn)行配置，并完成與射頻發(fā)射電路和接收電路，喚醒電路的信息通信，以便進(jìn)一步結(jié)合FM0軟件解碼和硬件編碼完成基帶通信并實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)車(chē)道設(shè)備的控制.

實(shí)際工作過(guò)程中，車(chē)輛通行進(jìn)入RSU的通信區(qū)域后，接收到包括喚醒信號(hào)在內(nèi)的一系列空中數(shù)據(jù).首先，OBU將天線接收到的喚醒信號(hào)經(jīng)過(guò)ASK檢波解調(diào)、濾波放大處理后，喚醒電路為STM32F205提供＋3.3V的工作電壓，開(kāi)始接收并處理大量數(shù)據(jù)；每一步數(shù)據(jù)處理結(jié)束后執(zhí)行相關(guān)指令將數(shù)據(jù)返回，通過(guò)OBU的天線向RSU發(fā)射出去.在這個(gè)過(guò)程中，微控制器STM32F205將檢波解調(diào)后得到的基帶信號(hào)送到FM0編碼電路進(jìn)行編碼，通過(guò)SPI接口控制射頻芯片ML5830，配置該芯片的工作模式，然后將待發(fā)送的數(shù)據(jù)送往發(fā)射芯片ML5830，經(jīng)ML5830調(diào)制后的高頻信號(hào)，再由微帶貼片天線陣發(fā)往路邊單元的接受天線.整個(gè)交易必須在車(chē)輛離開(kāi)有效通信區(qū)域前完成，以便在后臺(tái)留下完整的交易記錄供事后進(jìn)行計(jì)費(fèi)等處理.

2.3 射頻發(fā)射／接收模塊

OBU中的射頻芯片的選擇應(yīng)考慮是否符合我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及頻點(diǎn)、調(diào)制解調(diào)方式、傳輸速率等技術(shù)指標(biāo).經(jīng)全面分析比較，本文選擇RF MicroDevices公司最新推出的ML5830芯片.該器件符合中國(guó)電子收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)：電子收費(fèi)專(zhuān)用短程通信（DSRC）GB／T 20851.1－2007.ML5830是一款低功耗、支持幅移鍵控（ASK）和頻移鍵控（FSK）的射頻芯片.ML5830工作于5.8GHz頻帶下，專(zhuān)門(mén)用于電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)［8］.ML5830集成了上變頻混波器、緩沖器／預(yù)驅(qū)動(dòng)放大器及能產(chǎn)生＋4dBm典型輸出功率的ASK調(diào)制器.ML5830的FSK模式可提供1～2Mb／s的數(shù)字化可選數(shù)據(jù)速率.更為重要的是，ML5830還整合了全集成分?jǐn)?shù)N合成器、壓控振動(dòng)器（VCO）及數(shù)字化切換至更高功率、更高數(shù)據(jù)速率FSK調(diào)制模式，從而確保靈活地滿足ETC市場(chǎng)當(dāng)前及未來(lái)的需求.ML5830的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.

圖4 ML5830內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖5 是ETC系統(tǒng)中基于ML5830的微波發(fā)射電路，圖中天線接口TXO輸出至輸入阻抗為50歐姆的微帶貼片天線，通過(guò)射頻阻塞電感連接到VCC；DIN是發(fā)射數(shù)據(jù)輸入端.

VCCA是3.3V直流電源輸入端口，VCCPLL是3.3V直流電源輸入，在此引腳和地之間加旁路電容去噪；VCCSYN是2.7V直流電源輸入，必須連接到外部引腳VREGPLL.PLL＿SW是回路濾波器控制開(kāi)關(guān)，VTUNE是VCO的調(diào)諧電壓輸入的鎖相環(huán)環(huán)路濾波器，此引腳對(duì)噪聲耦合和泄漏電流非常敏感.

由OBU中的嵌入式控制系統(tǒng)送入的數(shù)字信號(hào)經(jīng)篩選后，被送到ML5830內(nèi)集成的ASK調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)可編程增益放大器進(jìn)行輸出功率放大后，天線輸出高頻信號(hào)與RSU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

圖6是ETC系統(tǒng)中基于三極管和具有反向功能的芯片CD4069UBC的接收電路原理框圖.

RF微波貼片天線將從RSU收到的信號(hào)送ASK檢波電路，進(jìn)行解調(diào).采用的CD4069UBC芯片，其CMOS結(jié)構(gòu)具有工作電壓范圍大、低功耗、抗噪能力強(qiáng)等特點(diǎn).輸入小信號(hào)時(shí)，芯片內(nèi)部的三級(jí)管電路可以完成對(duì)小信號(hào)的放大；在輸入大信號(hào)時(shí)，則具有反向電路功能.放大后的數(shù)據(jù)被送往嵌入式系統(tǒng)STM32F205構(gòu)成的MCU進(jìn)行處理.另有14kHz濾波電路對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行篩選，送RF喚醒模塊產(chǎn)生喚醒信號(hào)，激活電源管理模塊，進(jìn)而喚醒OBU設(shè)備開(kāi)始收費(fèi)交易過(guò)程.

圖5 射頻發(fā)射電路圖

圖6 射頻接收原理框圖

2.4 電源管理和喚醒模塊

本文設(shè)計(jì)的OBU采用不可重復(fù)充電的鋰電池供電，消除對(duì)汽車(chē)電源的依賴(lài)，這就要求電源管理模塊管理好OBU的供電，使其消耗的功率最小，提高電池的使用壽命，延長(zhǎng)電池的更換時(shí)間.該模塊可將OBU設(shè)定在休眠狀態(tài)（低功耗狀態(tài)）和工作狀態(tài).通常OBU處在休眠狀態(tài)，通過(guò)收費(fèi)站進(jìn)入RSU的通信區(qū)域時(shí)，OBU才被喚醒，喚醒后進(jìn)入工作狀態(tài)，完成交易后又轉(zhuǎn)入休眠.其電路如圖7所示.

當(dāng)有車(chē)輛通過(guò)收費(fèi)站進(jìn)入RSU的通信區(qū)域時(shí)，OBU天線接收到的RSU發(fā)來(lái)的信號(hào)，經(jīng)檢波濾波放大后，輸出RFWAVE喚醒信號(hào)激活電源管理模塊.圖中PNP三極管Q1發(fā)射極電壓VCC是3.6V，由鋰電池提供.在輸入喚醒信號(hào)時(shí)經(jīng)Q3飽和降壓輸出VCC1為3.3V，為收費(fèi)交易過(guò)程中包括STM32F205和ML5830在內(nèi)的所有必需設(shè)備提供工作電壓.此外還利用電容C2及電阻R6產(chǎn)生延時(shí)，以保證足夠的交易時(shí)間后，三極管輸出RST復(fù)位信號(hào).

圖7 喚醒及電源管理電路圖

3 結(jié)束語(yǔ)

OBU和RSU穩(wěn)定可靠的工作是ETC系統(tǒng)的重要保障.本文根據(jù)ETC系統(tǒng)的需求，選用基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的STM32F205芯片和主要用于ETC系統(tǒng)的ML5830，提出了一種全新的設(shè)計(jì)方案，并且給出了詳細(xì)的硬件電路圖.實(shí)際的運(yùn)行及測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的OBU工作穩(wěn)定可靠，交易短（整個(gè)交易時(shí)間約200ms）、功耗低，完全能滿足電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)的需求.

［1］交通運(yùn)輸部綜合規(guī)劃司.2010年公路水路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［R］.北京：交通運(yùn)輸部綜合規(guī)劃司，2011.

［2］工業(yè)和信息化部.2010年汽車(chē)工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行報(bào)告［R］.北京：工業(yè)和信息化部，2010.

［3］Wolfgang D.Interoperable 5.8GHz DSRC systems as basis for European wide ETC implementation［C］／／European Microwave Conference，1997（1）：139－145.

［4］Junko O，Yoshiro S，Katsuyoshi S.A study on operation of ETC （electronic toll collection）［C］／／IEEE Conference on Intelligent Transportation System 1999：581－585.

［5］Poirier C C，McCollum D.RFID strategic implementation and ROI：apractical roadmap to success［M］.New York：J.Ross Publishing，2006.

［6］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB／T 20851－2007電子收費(fèi)專(zhuān)用短程通信［S］.北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，2007.

［7］STMicroelectronics Company.STM32F20xxx hardware development guide［M］.Switzerland：STMicroelectronics Company，2009.

［8］R F Micro Devices Corporation.ML5830Data Sheet［M］.California ：RF Micro Devices Corporation，2010.