高速公路路徑識別卡低功耗SOC方案

李德建

(北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192)

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高速公路路徑識別卡低功耗SOC方案

李德建

(北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192)

高速公路多義性路徑識別卡，是以電子不停車收費(ETC)系統(tǒng)所采用的5.8 GHz有源射頻方案為基礎實現(xiàn)的?，F(xiàn)有ETC車載單元(OBU)物理尺寸相對寬松，容許配備較大容量電池，對功耗要求不高，通常采用多顆芯片的系統(tǒng)級解決方案。這種方案在解決人工半自動收費(MTC)通道的路徑識別問題時遇到了瓶頸。MTC對路徑卡厚度有明確的規(guī)定，這限制了電池尺寸，因此對系統(tǒng)功耗提出了很高的要求。在這種背景下，該文提出了一種針對MTC路徑識別卡的SOC方案，簡化了數(shù)據(jù)傳輸路徑，細化電源管理，有效降低了芯片功耗。方案還預留了擴展接口，便于以統(tǒng)一的架構(gòu)同時解決ETC通道的路徑識別問題。

智能交通; 路徑識別卡; 低功耗; SOC

引用格式：李德建. 高速公路路徑識別卡低功耗SOC方案[J].微型機與應用，2016,35(17)：4-6，10.

0　引言

近年來，我國高速公路經(jīng)歷了快速發(fā)展，并實現(xiàn)了全國聯(lián)網(wǎng)收費。隨著路網(wǎng)密度的增加，車輛在出口和入口之間可能存在多種行車路徑。為了精確判斷車行路徑，多義性路徑識別技術(shù)在現(xiàn)有電子不停車收費(Electronic Toll Collection, ETC)系統(tǒng)的5.8 GHz有源射頻方案基礎上逐漸發(fā)展成熟，在盡可能利用原有頻率資源及通信協(xié)議的前提下，解決路徑識別問題[1]。

路經(jīng)識別的實現(xiàn)方式就是將射頻終端集成到車載單元(On Board Unit, OBU)或復合通行卡(Compound Pass Card, CPC)中，裝有OBU的ETC用戶從ETC通道進入高速路網(wǎng)，人工半自動收費(Manual Toll Collection, MTC)用戶從MTC車道領取CPC卡進入路網(wǎng)。當車輛攜帶CPC或OBU在高速公路行駛時，接收來自路側(cè)單元(Road Side Unit, RSU)的標識信息。在高速公路出口處，通過讀出車輛行經(jīng)RSU的標識信息即可還原出車輛真實的行駛路徑，從而實現(xiàn)對高速公路車輛行駛路徑的準確識別[2]。

1　需求分析

由于對物理尺寸要求比較寬松，OBU通常使用高容量鋰電池作為主電源，電池額定容量達900～1 200 mAh，因此對功耗要求不高，通常采用多顆芯片的系統(tǒng)級的解決方案[3]。該方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示。三顆芯片的互聯(lián)通過I2C或SPI等串行總線連接。

圖1　ETC車載單元多芯片解決方案

對于5.8 GHz射頻數(shù)據(jù)的交換，由于射頻芯片不具備對通信協(xié)議的處理能力，數(shù)據(jù)包解析及響應等功能都必須由主控芯片完成。這就引入了額外的數(shù)據(jù)緩存、中斷處理、串并/并串變換等冗余操作。這不僅增加了系統(tǒng)成本，更重要的是引入了許多不必要的功耗。同時，由于這些冗余操作會使系統(tǒng)對數(shù)據(jù)包響應變慢，為了能夠滿足系統(tǒng)對實時性(車輛高速行駛)的需求，主控芯片需要更早被喚醒進入待機狀態(tài)，這又進一步加重了系統(tǒng)功耗的負擔。

另外，5.8 GHz射頻數(shù)據(jù)和IC卡標簽之間所有數(shù)據(jù)交互必須通過主控中介完成。這也會增加主控芯片上電工作的時間，特別是在主控芯片通常為多功能通用型芯片時，更多無意義的功耗在這個階段被引入。在單純ETC應用中，由于只有在高速出入口時會發(fā)生射頻芯片和IC卡標簽交換數(shù)據(jù)，這個問題并不嚴重[4]?？墒强紤]路徑識別，則芯片需要全程多次被喚醒記錄路徑信息，這個功耗損失就不可忽視了。

MTC的路徑識別卡要求卡片厚度小于5 mm，這使卡內(nèi)電池容量相對OBU大大減少，通常額定容量只有200～230 mAh。因此使用原有ETC方案移植或升級已很難滿足路徑卡使用年限大于5年的要求。而SOC由于具有高度集成的特征，同時有利于協(xié)同規(guī)劃數(shù)據(jù)通路和進行精細電源管理，能夠很好地解決這一問題。

2　架構(gòu)設計

針對前文所述問題，本文設計的芯片采用共享存儲單元的總線架構(gòu)，數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲于總線上的SRAM或EEPROM中，其他模塊均可以通過總線直接訪問存儲器。并依據(jù)功能模塊和應用場景劃分為6個可以獨立控制的電源域。其整體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2　芯片整體結(jié)構(gòu)框架

2.1電源域與功能模塊

芯片中電源域劃分及電源域中主要模塊簡述如下：

VTAG: 該電源域使用磁場感應電流供電。主要模塊為IC卡標簽和EEPROM存儲器。IC卡標簽實現(xiàn)ISO/IEC 14443 TYPE-A標準協(xié)議。除此之外，當標簽處于讀卡器磁場中可以正常工作時，需給出中斷到外部檢測模塊。

VDET: 該電源域直接使用主電池供電并處于常開狀態(tài)。主要模塊為外部中斷監(jiān)測，用以監(jiān)測來自IC卡標簽的中斷并產(chǎn)生芯片上電復位信號。

VPMU: 該電源域直接使用主電池供電。主要模塊為射頻喚醒和電源管理(PMU)。當射頻喚醒打開時，它會檢測調(diào)制于5.8 GHz載波上的14 kHz方波信號，并通知PMU啟動芯片至工作狀態(tài)。PMU的主要功能即根據(jù)配置適時開關(guān)各個功能模塊電源。

VRX: 該電源域使用內(nèi)部LDO供電。主要模塊為射頻接收模擬前端，實現(xiàn)5.8 GHz射頻信號的下變頻及解調(diào)。

VTX: 該電源域使用內(nèi)部LDO供電。主要模塊為射頻發(fā)射模擬前端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)整形，調(diào)制發(fā)射。

VDIG: 該電源域使用內(nèi)部LDO供電。所有數(shù)字邏輯都處于此電源域中，例如MCU、5.8 GHz數(shù)字基帶等。

另外，I2C與SPI為預留擴展接口，主要用于MCU周邊外設芯片以實現(xiàn)路徑識別OBU方案。這部分功能在MTC路徑卡應用中可以禁用，內(nèi)部采用關(guān)閉時鐘的方式來避免功耗損失。

2.2數(shù)據(jù)存儲

路徑信息的完整有效涉及到最終的費用結(jié)算，因此相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲需要使用非易失存儲器。根據(jù)路徑識別技術(shù)要求的規(guī)定，每個標識點的路徑信息由2 B構(gòu)成，因此對它的存儲又存在每次寫入數(shù)據(jù)量小，但重復擦寫次數(shù)多的特點。綜合考慮，本方案采用片內(nèi)EEPROM做為主存儲單元。另外，考慮到MCU的執(zhí)行效率，以及SM4國密算法和CRC校驗等對相對大量數(shù)據(jù)的處理需求，配備SRAM做為輔助存儲單元。其中EEPROM大小為32 KB。代碼段分配24 KB，用來存儲MCU啟動程序，智能卡操作系統(tǒng)(Card Operation System, COS)以及解析符合GB/T 20851標準規(guī)定的專用短程通信技術(shù)(Dedicated Short Range Communication, DSRC)通信協(xié)議[5]。數(shù)據(jù)段分配8 KB，用來存儲路徑信息文件。通過地址譯碼，確保代碼段只能由MCU訪問；數(shù)據(jù)段則可以由數(shù)字基帶模塊、MCU模塊、IC卡標簽模塊訪問，以便路徑信息通過不同的數(shù)據(jù)通路寫入或者讀出。

SRAM大小為4 KB，主要用做中間數(shù)據(jù)文件存儲及MCU緩存使用。

2.3EEPROM電源方案

EEPROM中的路徑信息在不同時刻可能會分別被5.8 GHz射頻模塊以及IC卡標簽模塊訪問到。為了避免EEPROM及附屬電路全時使用電池供電，延長電池使用壽命，對它的供電方案沒有采用單一電源，而是做了特殊處理。從圖2電源域的結(jié)構(gòu)可以看出，EEPROM置于VTAG和VDIG兩個電源域的重疊區(qū)域。當車輛在出入口與IC卡讀寫器交換數(shù)據(jù)時，IC卡標簽對EEPROM進行讀寫，此時EEPROM切換至由讀卡器磁場感應電流供電。當車輛行駛在途中交換路徑信息時，射頻基帶對EEPROM進行讀寫，此時EEPROM切換至由電池供電。

圖3　EEPROM電源切換電路

為實現(xiàn)上述目標，本方案設計了電源切換電路(Power Switch)。該電路缺省使用線圈耦合電壓給EEPROM供電。當VDIG被打開時，EEPROM切換為由VDIG供電。其原理如圖3所示。

2.4電源管理

根據(jù)多義性路徑識別技術(shù)要求，MTC路徑卡的主要應用場景如下:

(1)高速入口：路徑卡上電，檢查電量，清除路徑信息，并寫入口信息；

(2)途中：接收并記錄路徑信息；

(3)高速出口：讀入口信息及路徑標識信息，觸發(fā)路徑卡掉電。

考慮這些應用場景的需求以及芯片內(nèi)各個模塊相互之間的關(guān)系，定義了深度睡眠(DeepSleep)、睡眠(Sleep)、待機(Standby)、發(fā)送(Tx)、接收(Rx)等電源管理狀態(tài)，各個狀態(tài)下模塊開關(guān)如表1所示。

表1　電源管理狀態(tài)

* VTAG電源域在進出高速時使用線圈耦合讀卡器磁場供電

由于IC卡標簽的開關(guān)狀態(tài)取決于是否存在外部磁場，因此VTAG是獨立于上述5種電源管理狀態(tài)開關(guān)的。考慮到路徑卡使用時只有高速出入口才有讀卡器設備，芯片設計時對于VTAG在其他電源管理狀態(tài)下產(chǎn)生的中斷做了屏蔽處理。因此表1中只標出了VTAG在實際應用場景下可能出現(xiàn)的情況。

將芯片的具體行為與電源管理狀態(tài)對應起來，并分解到應用場景之中，其具體描述如下：

高速入口：芯片初始處于DeepSleep狀態(tài)，只有VDET消耗微量漏電流。當路徑卡置于IC卡讀卡器上時，VTAG通過天線線圈耦合讀卡器發(fā)射的13.56 MHz載波供電。IC卡標簽模塊上電后，響應讀卡器指令，清除舊路徑信息，并將入口信息寫入EEPROM。同時，自動產(chǎn)生預定形狀脈沖給外部中斷監(jiān)測模塊。外部中斷監(jiān)測模塊繼而產(chǎn)生上電復位信號給PMU，啟動芯片進入Standby狀態(tài)。MCU運行并配置射頻接收前端參數(shù)等信息，啟動射頻喚醒模塊，之后轉(zhuǎn)入Sleep狀態(tài)。

途中：此時芯片處于Sleep狀態(tài)，VPMU帶電，射頻喚醒模塊消耗μA級工作電流用以接收來自RSU的14 kHz射頻調(diào)制波。當監(jiān)測到符合標準要求的14 kHz調(diào)制方波時，射頻喚醒模塊通知PMU啟動射頻Rx模塊，直接進入Rx模式接收第一個數(shù)據(jù)包。Rx模塊對接收到的數(shù)據(jù)包進行有效性檢查，如果校驗錯誤，則判斷為誤喚醒，由PMU記錄后重新轉(zhuǎn)入Sleep狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)包正確，則進入Standby狀態(tài)由MCU進行通信協(xié)議解析并決定是否需要啟動Tx模塊應答。數(shù)據(jù)交換完成后，路徑信息被存儲到EEPROM，芯片重新進入Sleep狀態(tài)。

高速出口：此時芯片處于Sleep狀態(tài)。VTAG由線圈供電后，讀卡器將路徑信息讀出；同時IC卡標簽產(chǎn)生脈沖，經(jīng)外部中斷監(jiān)測模塊處理以中斷形式通知PMU。PMU啟動MCU，確認當前操作為真實出站行為，啟動掉電程序，轉(zhuǎn)入DeepSleep狀態(tài)。

電源管理模塊控制芯片在各個狀態(tài)間跳轉(zhuǎn)及跳轉(zhuǎn)條件的流程圖如圖4所示。

圖4　電源管理狀態(tài)跳轉(zhuǎn)流程圖

3　結(jié)論

本文提出了一種低功耗路徑識別卡單芯片SOC方案。該方案使用統(tǒng)一的存儲結(jié)構(gòu)，充分優(yōu)化了模塊間接口結(jié)構(gòu)，減少了中間數(shù)據(jù)的重復存儲，有效降低了芯片面積及整體功耗。另外，5.8 GHz射頻模塊和IC卡標簽模塊可以通過內(nèi)部總線交換數(shù)據(jù)，極大便利了應用擴展。該方案還根據(jù)具體應用場景，切分了多個電源域，并設計了專門的電源管理模塊進行精細化控制，最大限度降低了不必要的功耗損失，是高速公路MTC路徑識別卡的理想SOC方案。

芯片預留了擴展接口，可以擴展IC卡讀寫芯片以及其他簡單外設，因此同樣適用于帶有路徑識別的ETC車載單元設計。

[1] 楊耿, 段作義. 高速公路路徑識別技術(shù)的實現(xiàn)與發(fā)展[J]. 中國交通信息化, 2015(1):66-69.

[2] 交通運輸部公路科學研究院.收費公路聯(lián)網(wǎng)收費多義性路徑識別技術(shù)要求[M]. 北京：人民交通出版社, 2015.

[3] 何鵬, 史望聰, 陳輝. RFID技術(shù)在電子收費系統(tǒng)路徑識別的應用設計[J]. 電子設計工程, 2009, 17(8):15-17.

[4] 王華. 基于路徑識別的高速公路ETC技術(shù)研究[J]. 數(shù)字通信, 2013, 40(3):60-63.

[5] GB/T20851-2007電子收費專用短程通信[S]. 北京：中國標準出版社, 2007.

Low-power SOC architecture for expressway path identification card

Li Dejian

(Beijing Smartchip Microelectronics Company Limited, Beijing 100192, China)

The solution to ambiguous path identification card on expressway is based on the 5.8 GHz RF architecture in the Electronic Toll Collection (ETC) system. The existing ETC onboard unit (OBU) does not have a critical physical size requirement. So it allows a battery with larger capacity and cares less regarding power consumption. It generally adopts a multi-chip system level solution which encounters bottleneck in resolving the path identification issue in Manual Toll Collection (MTC). MTC has specific requirement on card thickness which limits the battery size and capacity. Hence it raises a more strict power consumption request. Under such background, a SOC architecture focusing on path identification card in MTC is introduced in this paper, which simplifies the data path and optimizes the power management mechanism, effectively reduces the power consumption. Extendable interface is reserved in this SOC to resolve path identification issue in ETC under a unified infrastructure.

intelligent transportation; path identification card; low power; SOC

TN492

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.001

2016-06-02)

李德建(1977-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：大規(guī)模集成電路設計。