ETC系統(tǒng)中路邊單元的設(shè)計(jì)

李新友 孫 仲 許 菲 王 昱

（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院1） 武漢 430070） （武漢市城市路橋收費(fèi)管理中心2） 武漢 430050）

電子不停車收費(fèi) （electronic toll collection，ETC）系統(tǒng)是一種基于5.8GHz專用短程通信（dedicated short range communications，DSRC）技術(shù)，通過(guò)射頻識(shí)別獲取車載單元記載的車輛信息來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛識(shí)別，并配合后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)完成相應(yīng)的繳費(fèi)、記錄等操作，實(shí)現(xiàn)車輛不停車收費(fèi)的智能交通系統(tǒng)（inteligence transport system，ITS）.

專用短程通信（DSRC）是智能交通系統(tǒng)運(yùn)作的協(xié)議基礎(chǔ)，2007年中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了GB／T20851－2007《電子收費(fèi)專用短程通信》［1］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 DSRC物理層上下行鏈路參數(shù)

表1列出了GB／T 20851－2007－1電子收費(fèi)專用短程通信協(xié)議物理層中所規(guī)定的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo).其中下行鏈路由路邊單元（road side unit，RSU）完成，上行鏈路由車載單元（on board unit，OBU）實(shí)現(xiàn)［2］.本文討論的就是路邊單元RSU的設(shè)計(jì).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

RSU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1，可分為射頻部分和基帶部分.射頻部分包括射頻接收模塊、射頻發(fā)射模塊、收發(fā)微帶天線陣列；基帶部分包括MCU微處理器、安全認(rèn)證模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊等部分.

圖1 RSU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

MCU微處理器是RSU的控制核心，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊有序的完成DSRC協(xié)議所要求的交易流程.

網(wǎng)絡(luò)接模塊口負(fù)責(zé)將RSU成功交易所獲得OBU的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口上傳，同時(shí)接受后臺(tái)管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制.

安全認(rèn)證模塊負(fù)責(zé)RSU對(duì)OBU進(jìn)行認(rèn)證，負(fù)責(zé)對(duì)空中接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密解密，提高交易信息的安全性.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有故障時(shí)臨時(shí)存儲(chǔ)交易信息，同時(shí)存放網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的交易黑白名單.

射頻發(fā)射模塊負(fù)責(zé)將RSU中單片機(jī)產(chǎn)生的基帶數(shù)據(jù)調(diào)制到5.8GHz.射頻接收模塊負(fù)責(zé)接收OBU發(fā)出的5.8GHz射頻信號(hào)并從中解調(diào)出基帶信號(hào)［3］.射頻發(fā)射與射頻接收電路通過(guò)T／R射頻開(kāi)關(guān)分時(shí)復(fù)用微帶天線.

2 系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 RSU微帶天線陣列設(shè)計(jì)

RSU系統(tǒng)中選用微帶天線來(lái)收發(fā)射頻信號(hào).微帶天線是一種片狀金屬結(jié)構(gòu)天線，外觀一般為附于帶有接地平面的電介質(zhì)薄板上的矩形單個(gè)金屬貼片或陣列，微帶天線由一個(gè)或多個(gè)這樣的貼片組成，可以利用成熟的PCB線路板工藝制作，成本低，適合于RSU的小型化［4］.

設(shè)計(jì)微帶天線首先要選定介質(zhì)板.介質(zhì)板是一片具有均勻介電常數(shù)一定厚度的電介質(zhì)薄板，一面附有金屬銅箔作為地平面，另一面印刷有微帶天線.本設(shè)計(jì)中選用厚度為1.0mm材質(zhì)為聚四氟乙烯PTFE的PCB作為介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.55.

圖2是RSU微帶天線的基本天線單元，設(shè)計(jì)為一帶切角的方形銅箔，饋電點(diǎn)從圖中A點(diǎn)處接入即可實(shí)現(xiàn)右旋圓極化.中心頻率和介電常數(shù)決定天線的尺寸［5］，本RSU的天線設(shè)計(jì)為通過(guò)T／R射頻開(kāi)關(guān)收發(fā)共用，故天線的諧振頻率取為接收與發(fā)射4個(gè)信道公共的中心頻率5.82GHz，帶寬取為5.785～5.845GHz.借助理論計(jì)算與HFSS軟件仿真，確定基本天線單元的尺寸為圖中a＝15.5mm，b＝2mm.圖中A點(diǎn)處的開(kāi)路線用于微調(diào)天線陣在中心頻率處的阻抗與駐波值.

圖2 微帶天線基本單元

由于RSU需要發(fā)射較大的功率，以及較高的接受靈敏度，因此RSU微帶天線的需要設(shè)計(jì)較高的增益.為了滿足此要求RSU天線在設(shè)計(jì)上選擇了微帶陣列形式.

圖3給出了8單元微帶陣列天線的幾何排列和饋電網(wǎng)絡(luò).整個(gè)天線陣是由2個(gè)2×2陣列并聯(lián)而成，射頻信號(hào)從圖中A點(diǎn)背饋接入，要求A點(diǎn)處的輸入阻抗為50Ω，則左右2個(gè)2×2天線陣列的輸入阻抗各為100Ω.每個(gè)2×2陣列是由4個(gè)相同形狀的基本單元旋轉(zhuǎn)對(duì)稱排列而成，每個(gè)基本單元與相鄰單元之間相位相差90，各單元的相位值標(biāo)示見(jiàn)圖3中，相鄰單元間距為25.8 mm，約為半波長(zhǎng).

圖3 8單元微帶天線陣列

通過(guò)HFSS軟件仿真結(jié)果可以確定該8單元微帶天線陣在5.785～5.845GHz頻率范圍內(nèi)增益約為15dBi，駐波比＜1.3.

2.2 射頻接收電路設(shè)計(jì)

為了降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，射頻接收電路采用單次混頻超外差式接收電路結(jié)構(gòu)［6］.接收電路電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括低噪聲放大器、混頻器、中頻濾波器與中頻AGC放大器、本地振蕩器、檢波器、低頻放大與整形六大部分.

圖4 RSU射頻接收電路框圖

天線接收的信號(hào)首先經(jīng)2級(jí)低噪聲放大器（LNA）進(jìn)行放大，2級(jí)LNA間增加射頻介質(zhì)帶通濾波器抑制帶外噪聲信號(hào)；放大后的射頻信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為固定的中頻；中頻信號(hào)再經(jīng)中頻聲表濾波器濾波、中頻AGC放大、檢波還原出基帶信號(hào)；基帶信號(hào)還需放大與整形才能達(dá)到單片機(jī)所能辨認(rèn)的數(shù)字信號(hào)電平幅度.

2.2.1 本地振蕩器設(shè)計(jì) 無(wú)線通信系統(tǒng)中本地振蕩器通常的實(shí)現(xiàn)方法是一片PLL鎖相環(huán)頻率合成器芯片（如ADF4107等）配合一款壓控振蕩器芯片實(shí)現(xiàn)［7］.本設(shè)計(jì)基于簡(jiǎn)化的原則選用了美國(guó)HITTITE公司的集成頻綜器件HMC5833LP6CE.該器件的優(yōu)勢(shì)在于其內(nèi)置了PLL與VCO，外圍電路簡(jiǎn)單.圖5給出了基于HMC5833的本地振蕩器電路.通過(guò)芯片外接五線式（CEN，SCK，SDI，SEN，SDO）數(shù)字接口可以控制芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行預(yù)置和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輸出頻率范圍從5.70～5.85GHz，步進(jìn)為1MHz的頻率調(diào)整，參考源取為10MHz.HMC5833輸出功率約＋2 dBm.

圖5 本地振蕩電路

2.2.2 低噪聲放大器設(shè)計(jì) LNA位于射頻接收機(jī)的前端，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的接收性能起著至關(guān)重要的作用.現(xiàn)今許多射頻接收機(jī)中低噪聲放大器LNA的設(shè)計(jì)是基于分立的解決方案，其原因是使用晶體管的分立解決方案會(huì)使放大器的噪聲系數(shù)NF與MMIC（單片微波集成電路）LNA相比較低.但分立的解決方案缺點(diǎn)明顯，如集成度不高、占用空間大、阻抗匹配麻煩、調(diào)試?yán)щy、設(shè)計(jì)門檻高.而MMIC LNA電路，外圍元件數(shù)量少、開(kāi)發(fā)周期短，并且由于大多數(shù)MMIC LNA具有內(nèi)部偏壓和反饋電路，這些器件上的阻抗匹配更加簡(jiǎn)便，噪聲性能也能較好控制.因此，經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)中采用的是基于MMIC LNA的電路設(shè)計(jì)方案.在設(shè)計(jì)中對(duì)許多LNA芯片的參數(shù)進(jìn)行比較，最后確定選用美國(guó)AVAGO公司的 MGA－665P8芯片作為射頻小信號(hào)放大器.

MGA－665P8低噪聲放大器是專為0.5～6 GHz頻率范圍內(nèi)的無(wú)線應(yīng)用所設(shè)計(jì)，輸入輸出匹配到50Ω，電源偏置電路簡(jiǎn)單.在3.3V工作電壓5.8GHz頻率時(shí)，噪聲系數(shù)NF小于1.5dB，增益達(dá)到15dB.圖6給出了MGA－665P8組成的低噪聲放大電路圖.

2.2.3 中頻AGC放大電路設(shè)計(jì) 在RSU接收單元中AGC的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)系統(tǒng)的性能有很大影響，本設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)ADI公司的AD8367 AGC芯片實(shí)現(xiàn)［8］，可實(shí)現(xiàn)－5～－75dBm動(dòng)態(tài)，AGC控制范圍可達(dá)70dB.圖7給出了AD8367的中頻AGC放大電路圖.

圖6 低噪聲放大電路

圖7 中頻AGC放大電路

2.2.4 對(duì)數(shù)檢波電路設(shè)計(jì) RSU接收的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)OBU發(fā)射的經(jīng)過(guò)FM0編碼的512kbit／s位速率的數(shù)據(jù)，信號(hào)脈寬為1～2μs，其全零碼為1 024kHz.

故檢波電路選用了ADI公司快速對(duì)數(shù)放大檢波器AD8307，該芯片延遲時(shí)間＜15ns，足以應(yīng)付1 024kHz的全零碼接收.對(duì)數(shù)檢波電路如圖8所示.

圖8 對(duì)數(shù)檢波電路

2.3 射頻發(fā)射電路設(shè)計(jì)

RSUD的射頻發(fā)射電路采取利用基帶信號(hào)直接調(diào)制載波的結(jié)構(gòu).發(fā)射模塊電路結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要包括載波振蕩器、ASK調(diào)制器、數(shù)控衰減器、功率發(fā)大器四大部分.

圖9 RSU射頻發(fā)射電路框圖

載波振蕩器用于產(chǎn)生5.83和5.84GHz兩個(gè)信道的下行載波頻率，采用和接收模塊中本地振蕩器相同的實(shí)現(xiàn)方案，用HMC5833實(shí)現(xiàn).

ETC系統(tǒng)專用短程通信規(guī)定上下行鏈路采用ASK調(diào)制方式主要原因是：首先ASK短距離通信中抗衰落能力強(qiáng)，其次ASK調(diào)制方式的解調(diào)電路簡(jiǎn)單，只需包絡(luò)微波檢波二極管，有利于降低成本.在ETC專用短程通信系統(tǒng)中，ASK調(diào)制器的載波振蕩振幅在Amax和Amin2種狀態(tài)切換，如圖10所示，調(diào)制度ma定義為：

我國(guó)國(guó)標(biāo)要求調(diào)制度ma處于0.5～0.9之間.

圖10 ASK調(diào)制度

ETC系統(tǒng)中ASK調(diào)制器通常的設(shè)計(jì)方法是采用模擬衰減器，利用基帶信號(hào)的1和0控制模擬衰減器的不同衰減幅度實(shí)現(xiàn).該方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制度連續(xù)可調(diào)，缺點(diǎn)是調(diào)制度可調(diào)范圍不大且電路略顯復(fù)雜.

本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)射頻開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)了一款固定調(diào)制度產(chǎn)生電路，電路結(jié)構(gòu)如圖11所示.當(dāng)基帶數(shù)據(jù)TX＿DATA為1時(shí)，單刀雙擲射頻開(kāi)關(guān)RF SW1和RF SW2同時(shí)接到上端，載波信號(hào)無(wú)衰減送至后級(jí)；當(dāng)TX＿DATA為0時(shí)，單刀雙擲開(kāi)關(guān)RF SW1和RF SW2同時(shí)接到下端，載波信號(hào)通過(guò)三個(gè)電阻構(gòu)成的π型衰減器送至后級(jí)；選用不同的電阻即可控制衰減器的衰減量，從而達(dá)到控制ASK調(diào)制器的調(diào)制度的目的.由于電路中π型衰減器的電阻值一旦確定，其衰減量就是確定的，電路的調(diào)制度就被確定下來(lái)，所以本方案是一個(gè)固定調(diào)制度ASK產(chǎn)生電路.通過(guò)合理選取π型衰減器的電阻值即可使調(diào)制度ma在5%～95%之間可調(diào)，達(dá)到國(guó)標(biāo)要求.

RSU發(fā)射數(shù)據(jù)的位速率是256kb／s，經(jīng)過(guò)FM0編碼后信號(hào)脈寬為2～4μs，其全零碼為512 kHz.ASK調(diào)制器中射頻開(kāi)關(guān)選擇為HMC536LP2E，其開(kāi)關(guān)速度＜100ns，能夠滿足RSU發(fā)射256kb／s全零FM0碼的需要.

圖11 固定調(diào)制度ASK調(diào)制電路

用于共享微帶天線的T／R射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)也選為HMC536LP2E，其輸入功率可達(dá)33dBm，滿足RSU收發(fā)射頻信號(hào)的需要.

RSU發(fā)射模塊中設(shè)計(jì)數(shù)控衰減電路的作用是調(diào)節(jié) RSU 的發(fā)射功率［9－10］，滿足 ETC車道通信距離和通信區(qū)域的要求.設(shè)計(jì)中選用6位數(shù)字衰減器HMC425實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，輸出0.5～31.5 dBm，步進(jìn)0.5dB可調(diào).

2.4 基帶電路設(shè)計(jì)

基帶電路設(shè)計(jì)包括RSU中單片機(jī)的選型、安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)接口部分的實(shí)現(xiàn).

設(shè)計(jì)中選用ST公司的ARM7系列單片機(jī)STR712，該單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)是自帶DSRC協(xié)議要求的硬件HDLC和硬件FM0編解碼電路，可以極大減輕單片機(jī)處理RDSC協(xié)議編程的工作量.

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過(guò)給單片機(jī)擴(kuò)展了SD卡讀卡器實(shí)現(xiàn).

安全認(rèn)證模塊即PSAM卡讀寫電路.STR712自帶操作PSAM卡所需的ISO7816讀寫總線.

設(shè)計(jì)中選用韓國(guó)WIZNET公司的W5200實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口功能.該網(wǎng)絡(luò)芯片的優(yōu)勢(shì)是其具有完整的全硬件TCP／IP協(xié)議棧，及以太網(wǎng)鏈路層和物理層；W5200與單片機(jī)的連接通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)只需通過(guò)SPI串口對(duì)該網(wǎng)絡(luò)接口芯片進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置即可，W5200與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸也通過(guò)高速SPI串口實(shí)現(xiàn)，即W5200實(shí)現(xiàn)了SPI串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口的功能.W5200有多達(dá)8個(gè)socket端口，能滿足RSU交易、下載等需要.該方案的優(yōu)點(diǎn)是避免了單片機(jī)端較復(fù)雜的TCP／IP協(xié)議編程，開(kāi)發(fā)成本低.

3 結(jié)束語(yǔ)

ETC技術(shù)作為智能交通和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要分支近年來(lái)一直保持快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì).本文基于5.8GHz DSRC技術(shù)設(shè)計(jì)了ETC系統(tǒng)中的路邊單元，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、射頻與基帶部分的設(shè)計(jì)過(guò)程.重點(diǎn)描述了RSU中射頻部分8單元天線陣列、微波接收與微波發(fā)射電路的設(shè)計(jì).

RSU收發(fā)模塊在實(shí)際工程測(cè)試中的主要性能指標(biāo)如表2所列.測(cè)試結(jié)果表明，RSU射頻模塊各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到和超過(guò)設(shè)計(jì)要求.

表2 RSU射頻收發(fā)模塊測(cè)試結(jié)果

本RSU的硬件設(shè)計(jì)方案電路簡(jiǎn)潔，成本低，編程工作量較小，符合我國(guó)自由流ETC收費(fèi)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，具有非常好的應(yīng)用前景.

［1］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB／T 20851－2007，電子收費(fèi)專用短程通信［S］.北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2007.

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