国标ETC中非接触IC卡部分的设计和实现

    1  背景

    ETC 的全称是Electric Toll Collection，意思就是电子收费，通常被称为称不停车收 费。与ETC 对应的是MTC（Manual Toll Collection），即人工收费。人工收费在我国的高 速公路收费占有很大的比重，也比较符合我国的当前国情。当然，我国在人工收费中已经 引入了利用仪器来辨别车型，引入IC 卡来代替原来的现金支付。在计费、打印、汇总和统 计的业务上也利用了计算机管理系统，从而在效率上已经有了一定的提高。随着我国经济 的不断发展和生活水平的提高，交通的流量持续增长，使得交通堵塞和交通事故等负面效 应日趋严重。在这个时候引入ETC 的收费方式，可以使得车辆在通过收费站的时候不用停 车或只需减速通过即可自动完成费用的收取。ETC 不仅使得在收费站的单位时间的车辆通 行量大大提高，而且使得收费站工作人员的工作负担大大降低。由于基于电子设备的自动 操作，收费错误以及漏收和逃费的现象也得以减少。ETC 的研究可以追溯到七八十年代。 在九十年代，ETC 已经成为了世界各国交通部门优先发展和应用的先进技术之一。我国在 1995 年从美国引入了一套ETC 系统硬件，并在广东佛山投入使用，此后又在多个省市的 高速公路投入使用。

    2  国标ETC 系统概述

    中国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会于2007 年3 月发布了电 子收费--专用短程通信标准，标准号为GB/T 20851-2007。包括5 个部分：物理层、数据链 路层、应用层、设备应用层、物理层主要参数测试方法。在国标中，ETC 系统可以大体分 为前端系统和后台数据库系统。前端系统包括车道计算机控制系统、RSU( RoadSide Unit 即路侧设备)、OBU (On Board Unit 即车载设备)、以及IC 读卡器。后台数据库则是具有中 心数据库的分级的数据库系统。

    3  储值IC 卡方案

    3.1 车载设备OBU 的组成

    国标中的OBU采用的是双片式设计，既实现与RSU的信令交互，又具有读卡器的硬件 功能，能够实现IC卡的读写计费功能。本文的主要研究和设计对象是OBU的IC卡操作。 OBU和RSU之间的无线通信采用的是DSRC（专用短距离通信）标准。1998年5月，我国交 通部ITS中心向交通部无线电管理委员会提出将5.8Ghz频段分配给智能运输系统技术领域的 短程通信（包括ETC收费系统）。由于国标中的OBU采用了双片式设计，所以OBU在硬件 上就包括了主CPU芯片和读卡器芯片。除此之外，还有和RSU以及ICC交互的两套射频天 线系统和电池供电电路。

    3.2 非接触IC 卡和读卡器芯片

    在 ETC 的应用中，IC 卡是交易信息的重要载体。所以在构建ETC 硬件系统特别是车载 硬件部分的时候，IC 卡的采用显得格外的重要。车辆应用环境有以下特性：如车辆在行驶 的时候会有显著的震动；车辆内会有油污和灰尘的污染。除此之外，还要考虑到IC 卡还可 以应用在汽车相关的其他服务行业，如加油收费、车辆清洗维护，所以不可避免地会有IC 卡的不断插拔的操作。所以在国标ETC 中我们选择了非接触IC 卡。在实现国标ETC 的时 候，我们采用的射频IC 卡的芯片是由复旦微电子股份有限公司制造的FM11RF08SH 芯 片。该芯片采用CMOS EEPROM 工艺，容量为 1K*8Bits EEPROM，是多用途非接触式射 频IC 卡芯片，内含加密控制和通讯逻辑电路，具有极高的保密性能。现在世界上采用的读 卡器芯片主要是飞利浦的RC5XX 系列芯片。读卡器硬件上我们选用了兼容RC5XX 的国产 芯片FM1735。该芯片工作在13.56MHz 的频率下，完全支持ISO14443 的Type A 和Type B 协议，并有灵活的微处理器接口，特别是SPI 串行的接口形式可以大大节省OBU 上CPU 的引脚资源。 

    3.3 IC 卡存储结构的方案

    FM11RF08SH 芯片EEPROM 容量为1KB，在存储结构上分为16 个独立的扇区，编号 从0 到15。每个扇区又划分为4 个块，块就是最小的读写操作单位。这种芯片之所以会有 极高的保密性能，是因为它采取了每个扇区拥有两套密钥的方法，即IC 卡的扇区读写认证 是相互独立的。此射频卡芯片的EEPROM 的存储结构如图2 所示。 

    在射频卡中，由于必须使 IC 卡的每一张都具有唯一性，通常射频卡的类型标识（Type ID）和序列号存储在第一个扇区，且被设置为只读。其次，单位区间的收费标准取决于车 辆的类型以及用户的身份，所以IC 卡要有一个空间来存储这些信息。在车辆驶入收费区间 入口处的时候，必须在IC 卡内存储入口信息，在这里称之为写标记站。在车辆驶出收费区 间的时候通过读取标记站来计算车辆的行驶里程。此外还需要一定的空间来保存IC 卡的余 额数据。依据国标ETC 的设备应用文档中数据结构规范，除了零号扇区是IC 卡的自身信息外，我们将车辆信息、标识站信息，电子钱包信息分别用一个扇区来存储。这样就有了 一个只读扇区和三个读写扇区。如果以后引入其它应用或此IC 卡在其他场合使用的时候需 要新的存储空间。可以利用新的EEPROM 扇区扩展。而且由于扇区间的密钥独立性，不同 的应用之间不会相互影响。

    4  使用环境和实用分析

    4.1：ETC 服务步骤

    ETC 收费站前端系统的建设可以参照国标ETC 设备应用文档中的规范。在文档中，为 了防止不同车道的干扰，RSU 的通信区域的宽度为3.3m，吊装在车道正中，挂装高度不得 低于5.5m。根据DSRC 的有效通信范围，交易区间的长度约为2×6=12m。用户将所持储值 IC 卡插入OBU 的读卡器设备，在车辆减速通过ETC 站的入口和出口车道的时候，记录和 付费操作都回在OBU 和RSU 的无线通信中完成，无须停车。为了使得用户在过ETC 收费 站的时候有不停车的感觉，即减速通过不能降低到太大速度，车辆的减速通过的速度为 60km/h,即每秒16.7m。与其它一些射频卡应用不同，ETC 的交易流程有很强的时间要求。 例如当射频卡用在地铁或一些门禁系统时，用户可以容忍服务的用时达到数秒之多，但是 在ETC 中，RSU 的通信范围有限，而车辆是以一定的速度行驶的，交易必须在车辆进入通 信范围到离开通信范围的这个有限的时间内完成。从上述数据我们可以得出整个收费服务 的持续时间必须控制在700ms 内，根据车流量和车距的一些统计，电子收费的时间控制在 200ms 内是比较理想的。

    在国标 ETC 中，电子收费分为入口站和出口站两个流程。其中入口站的流程比较简单，需 要完成的主要步骤是设备间的验证以及向IC 卡中写入入口标识站信息，所需要的时间也比 出口站交易时间短。以下是储值式交易出口处流程步骤概要：（1）RSU 和OBU 通信，并 唤醒休眠中的OBU 及读卡器电路（2）RSU 读取OBU 信息文件（3）RSU 读取OBU 上IC 卡的基本信息和入口标识站信息（4）通过后台计算机计算资费（5）在IC 卡中扣除金额并 抹除标识站信息。（6）OBU 存储交易记录以及休眠。

    4.2 IC 卡操作分析

    交易的时间开销必须控制在一个精确的范围内，越短越好。采用高速的栏杆机是一个 方面。除了机械设备的时间开销，在交易流程中电子设备的时间开销有三类，一个是通信 时间开销，第二是芯片计算和Flash 读写开销，第三是IC 卡的读写开销。在国标文档中可 以计算出第一类开销中，每次通信是几十到几百微妙的时间，这个流程加起来是毫秒的数 量级，例如在国标中定义OBU 的唤醒时间不超过5ms，即使发生重传的情况，这类时间开 销也不会大于10ms。第二类的时间开销与第一类差不多。而IC 卡的读写是以块为单位 的，每次对块的读写都要一定的时间，以下是一些IC 卡操作时间的典型值：识别卡状态 为3ms，包括复位应答和防冲突；读取一个块为2.5ms ；认证扇区为2ms ；写一个块并读 取写入确认为12ms。我们可以看到IC 卡的读写操作时间的数量级是最高的，所以IC 卡的 操作时间在整个流程时间开销中占了绝大部分。接下来可以计算出IC 卡的所有操作时间开 销总和。从上面描述的IC 卡存储结构可以统计出各个操作所需要的时间：（1）卡状态的 识别花费3ms。（2）读取卡信息，不需认证，需要2.5ms。（3）在国标的交易数据结构 部分规定，标志站为40 字节，需要认证并读取3 个块，需要3×2.5+2=9.5ms。（4）读取车辆类型信息需要2.5ms（5）认证并读取卡内余额需要2.5+2=4.5ms。（6）扣除金额后的写 入为12ms。（7）抹除入口标识站信息需要3×12 =36ms。加上前两类时间开销可以计算交 易时间在90ms 到110ms 之间。这样的交易时间可以保证机械栏杆按时打开，并且可以在 用户余额不足的时候，在很短的时间内通过OBU 人机界面提示驾驶员立即转移到旁边的 人工收费通道，从而避免了车辆撞坏栏杆设施。 

    在ETC 实际开发中，IC 卡部分设计和实现重要的目标是为系统判定交易成败提供反馈 信息。首先是如何确定收费成功的时间点，这个点由非接触IC 卡的读写原理决定。非接触 IC 卡的能源来至读卡器天线发出的载波信号，当IC 卡蓄能达到一定的时候开始工作。IC 卡内余额的扣除有两个步骤，读卡器将扣除的金额值发送到IC 卡内的缓存，然后IC 卡计 算余额后将结果写入EEPROM 相应区域。对于第二步的操作还有十几毫秒的时间，IC 卡 可以利用自身的能源完成写入，所以在第一步完成后，即使IC 卡被拔出，也可以认为扣费 完成。其次，通过IC 卡操作设计和分析可以得出理论的最短交易时间。在ETC 工作时， 可能会有DSRC 通信故障或存在其他干扰导致车辆进入通信范围后没有立即进入交易流 程。这时可以根据前面的时间开销和车速计算出一个临界点，当车辆在临界点时仍然没有 进入正常交易流程，交易肯定没有足够的时间完成了。所以在车辆驶过临界点的时候，车 道设备应立即提示驾驶员转入人工收费（MTC）通道。图4 显示的是一个电子交易流程 图。 

    5  小结和展望

    在最终的实现中，加上程序控制的开销以及一些其他的外界可能的干扰，整个IC 卡的 流程没有超过150ms 的时间。意味着在200ms 的时间许可范围内，该解决方案不仅可以很 好的运行，还可以为以后扩展一些服务提供一定的时间开销余地。

    本文创新点：基于最新发布的国家标准，结合ETC 这个特殊的应用来设计结构，从实 时性、时间开销以及保证正确性等角度来研究和指导最后的实现。

    展望：在这里，本文概述了电子收费的研究发展现状以及我国国标ETC 的系统框架， 重点研究了其前端系统中储值IC 卡及相应的读卡器。通过分析电子收费的应用特性以及与 其他IC 卡应用场合的对比，结合相关硬件的选用和组合，在细节上设计和实现了非接触 IC 卡部分的解决方案。当然，ETC 的关键技术还有很多，例如自动车辆识别、自动车型分 类、逃费抓拍系统、收费站管理系统、数据库系统、安全系统等技术，所以一个完整的 ETC 系统还需要方方面面的研究分析和实现。