復(fù)合通行卡的復(fù)位技術(shù)

文/覃毅藝 陳圣穎 劉詠平

1 引言

智能交通領(lǐng)域，多義性路徑識別CPC卡(復(fù)合通行卡)用來標(biāo)識和還原車輛的行駛軌跡，是一種具備5.8GHz與13.56MHz雙頻無線通信功能的車輛現(xiàn)金繳費(fèi)電子通行券，車輛在高速公路收費(fèi)站入口領(lǐng)取CPC卡，CPC卡通過RFID刷卡器激活，車輛經(jīng)過路徑標(biāo)識單元（RSU）的通訊區(qū)域時，RSU將站點(diǎn)信息自動寫入CPC卡內(nèi)，并最終作為車輛繳費(fèi)憑證在收費(fèi)站出口車道回收。CPC卡在路上使用年限較長，通常在數(shù)年以上，在一般的設(shè)計(jì)中，基于低功耗的考慮,CPC卡激活后,核心處理器芯片處于低功耗待機(jī)狀態(tài)，受外界微波信號喚醒后進(jìn)入正常程序,交易流程完成后再重新進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài),整體的運(yùn)行過程都是基于軟件的控制,一旦受某些外界因素影響，使得卡片程序處于異常狀態(tài)，將會使得卡片失效，并且無法自修復(fù)。所以需要引入一種可靠的外部復(fù)位機(jī)制，實(shí)現(xiàn)硬件自動復(fù)位功能，以保證CPC在實(shí)際使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

2 技術(shù)方案內(nèi)容

2.1 基礎(chǔ)原理分析

復(fù)位電路是一種用來使微機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路設(shè)計(jì)，是微機(jī)電路穩(wěn)定可靠工作的重要保證。它實(shí)現(xiàn)的手段有多種方式：一是在給電路通電時馬上進(jìn)行復(fù)位操作，二是在必要時手動操作物理開關(guān)，三是根據(jù)程序或者電路運(yùn)行的需要自動地進(jìn)行。

圖1：CPC應(yīng)用流程

圖2：CPC與IC卡讀卡器的交互示意圖

圖3：CPC卡自復(fù)位電路設(shè)計(jì)

CPC卡是一種全密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，具備IP7等級防護(hù)，產(chǎn)品外殼出廠時就已通過超聲焊工藝密閉，無法再正常打開。并且基于低成本的考慮，無法從結(jié)構(gòu)上施加任何物理電子開關(guān)，所以通過常規(guī)的方式無法實(shí)現(xiàn)電路復(fù)位的功能，需要結(jié)合其特殊的應(yīng)用場景，巧妙利用RFID信號整流輸出中斷信號，并通過RC延時效應(yīng)，對系統(tǒng)電路進(jìn)行復(fù)位。

2.2 CPC卡的典型應(yīng)用場景分析

CPC是一種支持雙頻通訊的電子產(chǎn)品，應(yīng)用于高速公路MTC車輛的收費(fèi)場景，分別是支持13.56MHz和5.8GHz兩種頻段的通訊，在收費(fèi)站內(nèi)，通過13.56MHZ通訊進(jìn)行卡片狀態(tài)配置和路徑信息讀取，在路段上，通過5.8GHz通訊，進(jìn)行路徑標(biāo)識。

現(xiàn)金收費(fèi)車輛在高速公路MTC車道入口時領(lǐng)取CPC卡，車道IC卡讀寫器同時將入口信息寫入CPC卡內(nèi)。當(dāng)車輛通過5.8GHz自由流多義性路徑識別標(biāo)識點(diǎn)時，標(biāo)識RSU向CPC卡內(nèi)寫入路徑信息。在車輛到達(dá)出口MTC車道時，車主歸還CPC卡，車道IC卡讀寫器讀取CPC卡內(nèi)的入口信息、路徑信息和收費(fèi)信息，收費(fèi)系統(tǒng)還原車輛行駛路徑，并計(jì)算通行費(fèi)，車主繳費(fèi)后予以放行。

CPC整體應(yīng)用流程如圖1所示。

CPC卡在收費(fèi)車道入口或出口刷卡激活/休眠的過程中，會通過IC卡讀卡器對其進(jìn)行操作，IC卡讀卡器會發(fā)射13.56MHz射頻信號，操作員將CPC卡放置在讀卡器上，CPC卡內(nèi)部電感線圈通過近場耦合電磁轉(zhuǎn)換的方式，從IC卡讀卡器的射頻信號中感應(yīng)電流獲取能量，進(jìn)而完成信息傳遞的工作。

CPC卡在讀卡器上的交互示意圖如圖2所示。

CPC卡片的線圈在13.56MHZ的頻點(diǎn)發(fā)生諧振，讀卡器的變化磁感線會引起CPC卡電感線圈的磁通發(fā)生變化，從而在電感線圈上感生電流，CPC卡獲取通訊能量，從而向讀卡器傳遞信息。

2.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)及工作原理

圖4：U與uR的時序關(guān)系圖

圖5：實(shí)際電路測試信號展示

通過以上分析，并根據(jù)CPC的使用場景，我們可以利用用戶使用CPC卡激活或者休眠的間隙,當(dāng)用戶每次使用IC卡讀卡器操作CPC卡時，在13.56M信號觸發(fā)的瞬間，通過電路處理，產(chǎn)生一個低電平的復(fù)位脈沖，使得MCU復(fù)位一次，整體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

D1模組是橋式整流器，是利用二極管的單向?qū)ㄌ匦赃M(jìn)行全波整流，首先電感線圈從讀卡器感應(yīng)到13.56MHz載波信號，橋式整流器再將13.56MHz載波信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娖?。即?dāng)用戶使用讀卡器操作CPC卡時，卡片接收到讀卡器發(fā)出的13.56M信號,該交流信號經(jīng)過D1整流橋的整流,在INT-1就會輸出一個直流電平U。根據(jù)CPC卡應(yīng)用的特性，D1的參數(shù)選型要求反向耐壓要達(dá)到10V以上，并且支持13.56MHz的頻率特性。

在直流電平觸發(fā)的瞬間，電容器C1充電，充電完成后,電容器通過電阻器R4緩慢放電,這樣電阻R4的電壓uR就形成一個脈沖電平信號。圖4是信號模擬時序圖，標(biāo)示了U與uR之間的對應(yīng)關(guān)系。通過調(diào)整電容C1容值和R4電阻值的大小,可以調(diào)整uR脈沖的最大值和脈沖寬度。

電路設(shè)計(jì)原理分析如下：

（1）電容器C1充電過程計(jì)算：

Vt=V0+（Vu-V0）*[1-exp(-t/RC)]

其中，

V0為電容上的初始電壓值；

Vu為電容充滿終止電壓值；

Vt為任意時刻t，電容上的電壓值。

如果，電壓為U的電源通過電阻R向初值為0的電容C充電

V0=0，充電極限Vu=U，

故，任意時刻t，電容上的電壓為：

Vt=U*[1-exp(-t/RC)]

（2）電阻R的電壓uR為：

uR=U-Vt=U-U*[1-exp(-t/RC)]

其中t與U的斜率，也就是與CPC卡靠近讀卡器的速度有關(guān)，假設(shè)收費(fèi)員手持CPC卡按照一定速度放置在讀卡器上，電阻R和電容C的值越大，uR的最大值越接近于U，脈沖的最大值越大。

（3）電容器C1放電過程計(jì)算：

如果，初始電壓為U的電容C通過R放電

V0=U，Vu=0，任意時刻t，電容上的電壓為：

Vt=E*exp(-t/RC)

所以，t=RCLn[E/Vt]

電阻R和電容C的值越大，電容放電時間越長,脈沖寬度越大。

以上exp()表示以e為底的指數(shù)；Ln()是e為底的對數(shù)。

在調(diào)試好電路后，會得到穩(wěn)定的uR信號值，將uR接到Q1管子（NMOS管）的柵極，根據(jù)NMOS管的導(dǎo)通特性，柵極電壓大于閾值電壓VGS時，NMOS管就會導(dǎo)通。脈沖信號uR每次產(chǎn)生時，都會控制NMOS管Q1完成一次導(dǎo)通過程,NMOS管導(dǎo)通時，把MCU的復(fù)位信號Reset拉至低電平0V,從而完成一次微處理器的復(fù)位過程。Q1的選型要求VGS低于1.8V，以保證各種條件下的復(fù)位功能都可實(shí)現(xiàn)。

為了使得NMOS管導(dǎo)通,需要脈沖的最大電平必須高于閾值電壓VGS,同時為了保證卡片在讀卡器的操作流暢性,必須適當(dāng)控制微處理器的復(fù)位時間,也就是控制脈沖的寬度,因此需要選用合適的C1和R4的值。

2.4 測試及驗(yàn)證

圖5是C1選為1uF,R4選為1MΩ的情況下，對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行實(shí)際測試的信號圖。將CPC卡放置到讀卡器上，通過示波器檢測整流輸出的信號、NMOS管的柵極信號、微處理器復(fù)位信號的電平變化過程。通過圖5所示，可以看到實(shí)際值與理論分析的情況相近，CPC卡觸發(fā)的瞬間，整流信號的上升沿會在NMOS的柵極觸發(fā)一個脈沖信號，脈沖信號控制NMOS管導(dǎo)通，把復(fù)位信號下拉至0V，VCC線的下降脈沖就是我們所希望用到的復(fù)位信號。

微處理器的復(fù)位管腳在收到低電平的下拉信號之后，會強(qiáng)制內(nèi)部掉電重啟軟件系統(tǒng)，使得CPC卡在每次進(jìn)行激活或者休眠操作的時候，都能夠?qū)?yīng)用程序進(jìn)行一次復(fù)位，從而保證了CPC卡在長期運(yùn)行使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié)論

本文給出了一種能夠巧妙結(jié)合CPC卡入口激活、出口休眠的應(yīng)用場景，從讀卡器感應(yīng)獲取的脈沖電平信號來初始化復(fù)位CPC卡，實(shí)現(xiàn)成本低，實(shí)現(xiàn)過程簡易，可靠性好，不需要增加額外的附加管理成本，該電路設(shè)計(jì)利用了用戶操作的間隙，不會影響正常業(yè)務(wù)邏輯，也不會產(chǎn)生額外的附件操作，適合產(chǎn)品大規(guī)模使用。