ETC系統(tǒng)及車載單元剖析

杭小虎　謝斌

摘 要：隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展和汽車保有量的迅速增加，傳統(tǒng)的收費(fèi)系統(tǒng)難以滿足發(fā)展需求，電子收費(fèi)系統(tǒng)ETC是解決問題的有效手段.而車載單元OBU是ETC系統(tǒng)中的重要設(shè)備，本文就電子收費(fèi)系統(tǒng)ETC以及車載單元OBU做出簡(jiǎn)要描述，旨在表明ETC的發(fā)展前景和對(duì)于OBU的不斷優(yōu)化進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：ETC；車載單元；路側(cè)單元

Abstract：With the rapid increase of China's rapid development of highway construction and car ownership， the traditional billing system can not meet the development needs， ETC electronic toll collection system is an effective means to solve the problem. The ETC system-board unit OBU is an important device， the paper makes a brief description of the electronic toll collection system on the ETC and automotive unit OBU， designed to show the development prospects and the continuous optimization of ETC OBU were discussed.

Key words：ETC；OBU；RSU

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路運(yùn)行車輛逐年增加，高速公路網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。但是，目前高速公路收費(fèi)站大部分采用人工收費(fèi)方式，因?yàn)槠涫召M(fèi)時(shí)間長(zhǎng)和效率低下，致使收費(fèi)站因車輛排隊(duì)而成為車輛快速通行的瓶頸。與此同時(shí)，停車?yán)U費(fèi)造成了車輛頻繁制動(dòng)引起的油耗、機(jī)械磨損、噪音和大量有害尾氣等問題。在這種情況下，利用先進(jìn)的電子手段，使車輛不需要停車就可以繳付通行費(fèi)的電子收費(fèi)（Electronic Toll Collection，簡(jiǎn)稱ETC，俗稱不停車收費(fèi)）系統(tǒng)就成為社會(huì)發(fā)展的迫切需要。

1 ETC系統(tǒng)功能

ETC系統(tǒng)前端主要設(shè)備是車載單元（On-Board Unit，簡(jiǎn)稱OBU，俗稱標(biāo)簽）和路側(cè)單元 （Road-Side Unit，簡(jiǎn)稱RSU，俗稱天線）。ETC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1所示。安裝在汽車上的車載單元OBU（即存儲(chǔ)與車輛有關(guān)的大量信息的電子標(biāo)簽，如車輛型號(hào)、車輛號(hào)碼、車主的有關(guān)資料等）與安裝在收費(fèi)車道旁的讀寫收發(fā)器，即路側(cè)單元RSU，以微波的方式進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)車輛通過收費(fèi)站時(shí)，地面上的環(huán)路感應(yīng)器感知到車輛，此時(shí)路側(cè)單元發(fā)出詢問信號(hào)，車載單元做出響應(yīng)，并可進(jìn)行雙向通信和數(shù)據(jù)交換；收費(fèi)站管理系統(tǒng)在獲取車輛識(shí)別信息后，與數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的信息進(jìn)行比較判斷，如果OBU合法，計(jì)算機(jī)收費(fèi)系統(tǒng)會(huì)從該車的預(yù)付款項(xiàng)賬戶中扣除此次應(yīng)交的過路費(fèi)，自動(dòng)欄桿抬起。如果OBU不合法，自動(dòng)欄桿放下，并提示汽車轉(zhuǎn)入人工收費(fèi)通道。對(duì)違章闖關(guān)汽車，進(jìn)行攝像，記錄車牌號(hào)，事后由交警處理。

ETC系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過程無需停車，無需人工操作，耗時(shí)短、精確度高，不僅有助于提高公路的交通能力、車輛運(yùn)行效率，還有助于降低油耗和車輛損耗，減少尾氣排放，從而達(dá)到節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的目的。因此電子不停車收費(fèi)是智能交通系統(tǒng)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域和應(yīng)用環(huán)節(jié)，并且已經(jīng)被證明是發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較成功、帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)較好的系統(tǒng)。目前我們國家諸多省份已經(jīng)開始投入使用，隨著ETC的普及，它必將成為我國智能交通行業(yè)發(fā)展的主流。

2 OBU系統(tǒng)剖析

如前所述，ETC系統(tǒng)主要由車載單元OBU和路側(cè)單元RSU兩部分組成，OBU是用來與RSU通信的微波設(shè)備[1]。OBU與RSU之間穩(wěn)定可靠、安全高效地協(xié)調(diào)工作對(duì)于ETC系統(tǒng)至關(guān)重要。OBU是ETC系統(tǒng)中的重要部分，目前為止國內(nèi)已經(jīng)建成的ETC示范系統(tǒng)中的OBU的核心芯片主要是采用進(jìn)口的通用芯片，這樣OBU硬件系統(tǒng)不僅存在成本高、集成度低和功耗大等問題，更重要的是涉及到“電子錢包”的安全性問題。隨著我國ETC系統(tǒng)的普及，OBU的需求量也飛速增加，故采用自主研發(fā)高性價(jià)比的OBU尤為重要。因此我們重點(diǎn)對(duì)OBU進(jìn)行剖析探討。

OBU系統(tǒng)主要由收發(fā)天線、射頻系統(tǒng)、DSRC OBU專用芯片（交通專用短程通信Dedicated Short Range Communication，簡(jiǎn)稱DSRC）、MCU控制單元（微控單元Micro Control Unit，簡(jiǎn)稱MCU）、雙界面IC卡讀卡單元、、LCD顯示、電源控制單元以及外部擴(kuò)展模塊組成。如圖2所示。

天線是無線通信系統(tǒng)中不可缺少的部分。天線的種類繁多，按工作性質(zhì)，天線可分為發(fā)射天線和接收天線；按用途，天線可分為通信天線、雷達(dá)天線、導(dǎo)航天線、電視天線和廣播天線等；按工作頻段，天線可分為長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等；按其結(jié)構(gòu)和分析方法，天線可大致分為線天線和面天線（口徑）兩大類[2]。這些微帶天線和常用的微波天線相比具有體積小、質(zhì)量輕，可與各種載體共行。饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線印制在一起，適合采用印制電路技術(shù)批量生產(chǎn)，便于實(shí)現(xiàn)圓極化、雙極化、雙頻段工作。

射頻系統(tǒng)分為三個(gè)部分：接收電路、發(fā)射電路和喚醒電路。該部分用于連接高頻和基帶，負(fù)責(zé)將高頻信號(hào)接收到DSRC OBU專用芯片，通過專用芯片處理然后再由發(fā)射電路發(fā)送出去，從而實(shí)現(xiàn)OBU與RSU的無線通信。

對(duì)于ETC系統(tǒng)來說，選擇DSRC OBU專用芯片時(shí)，首先要考慮是否支持中國的國標(biāo)頻段，頻點(diǎn)的覆蓋情況。此外，還要考慮其發(fā)射功率、調(diào)制解調(diào)方式、數(shù)據(jù)傳輸速率、天線接收靈敏度等參數(shù)。

而設(shè)計(jì)喚醒電路的關(guān)鍵所在是低功耗。因?yàn)閱拘央娐芬恢碧幱诠ぷ鳡顟B(tài)，所以在電路芯片的選型上首先要考慮的是芯片的功耗。喚醒電路采用的二極管檢波的解調(diào)方式，解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器和比較器然后輸出喚醒MCU。

MCU控制單元是OBU系統(tǒng)的核心控制單元，控制雙界面IC卡單元，電源管理單元，DSRC OBU專用芯片單元、射頻系統(tǒng)，LCD顯示以及外部擴(kuò)展模塊，所以MCU控制單元是OBU系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。MCU控制單元由MCU控制系統(tǒng)、外部擴(kuò)展模塊以及電源控制電路三部分組成。作為OBU系統(tǒng)的關(guān)鍵單元，因此選擇一款合適的微處理器是十分重要的。本人認(rèn)為主要應(yīng)從處理器的速度，接口數(shù)量，片上的存儲(chǔ)容量等方面考慮的，由于OBU是車載設(shè)備，主要依靠電池供電，所以MCU的功耗也要盡可能小。

另外OBU的電源管理也很重要，在OBU設(shè)計(jì)中，電源管理模塊負(fù)責(zé)各芯片的供電以及電源控制，因此電源模塊與OBU系統(tǒng)的每個(gè)模塊都息息相關(guān)。在節(jié)省電源的同時(shí)又不影響設(shè)備的性能，保證各個(gè)模塊正常工作。因此高性價(jià)比的電源控制模塊是OBU設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)之一。目前OBU的供電方式一般有兩種，一種是使用汽車的DC電源接口供電，另一種是利用不可重復(fù)充電的鋰電池供電。前者能夠提供充足的電源，但是不同的汽車的DC電源沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為車主帶來了諸多不便。后者的供電方法脫離了汽車電源的依賴，但也存在眾多問題。表現(xiàn)在以下方面：（1）電池利用率不高；（2）帶負(fù)載能力差；（3）靜態(tài)電流過大等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)給消費(fèi)者帶來了不便。因此，電源管理模塊的設(shè)計(jì)對(duì)解決OBU系統(tǒng)功耗具有重大意義，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，以最大限度的降低OBU功耗。最終使得更換電池使用壽命長(zhǎng)達(dá)二三年。該模塊將OBU控制在睡眠狀態(tài)和喚醒狀態(tài)，即只有通過收費(fèi)站時(shí)才喚醒，其他時(shí)間都處在睡眠狀態(tài)。

3 結(jié)束語

發(fā)展電子收費(fèi)ETC不僅僅可以解決交通擁堵問題，還可以大大緩解環(huán)境污染問題。對(duì)于我國目前不斷增加的車流及霧霾天氣，大力推廣ETC突顯重要。根據(jù)“國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)改革開放和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的指導(dǎo)意見”（國發(fā)〔2008〕30號(hào)）文件中指出的“促進(jìn)高速公路電子收費(fèi)系統(tǒng)、交通信息聯(lián)網(wǎng)、危急搶險(xiǎn)信息聯(lián)網(wǎng)建設(shè)”。江蘇及鄰近省市都加快ETC項(xiàng)目的建設(shè)，2009年3月1日，我省高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)開始試運(yùn)行。到2015年，全省80%的高速公路收費(fèi)站都將設(shè)有不停車收費(fèi)專用通道[3]。本文僅對(duì)ETC的構(gòu)架進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并且著重介紹了OBU應(yīng)用系統(tǒng)硬件的組成以及優(yōu)化思路。隨著ETC系統(tǒng)的開發(fā)、建設(shè)和應(yīng)用，它將為我們提供更加便捷的信息交流手段，并且創(chuàng)造出一個(gè)巨大的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Saijie Lu，Tiejun He，Zhaohui Gao.Design of Electronic Toll Collection System based on Global Positioning System Technique [C].2009 ISECS International Colloquium on Computing，Communication，Control，and Management：350-353.

[2]黃智偉，編著.單片無線設(shè)計(jì)與收發(fā)電路設(shè)計(jì)[M].西安電子科技大學(xué)出版社.2009.

[3]楊真春.高速公路收費(fèi)若干問題研究[D].長(zhǎng)安大學(xué).2007.