ETC系统中车载单元的研究与设计

　　0 引言 

　　近年来的公路建设进展迅速，公路的总里程已超过380万km，高速公路的通车总里程已超过7万km。同时，我国汽车保有量也迅速增加，仅2010年就增加了1800多万辆。而我国目前大多数收费站仍然以人工收费方式为主。一方面，虽然人力、物力的投入很大，效率却不高；另一方面，交费时车辆需要完全停车，因而在收费站附近的通行速度较慢。一旦遇到交通繁忙路段或高峰期，收费站就成为瓶颈，变为拥堵点．此问题在城市内的收费站表现尤为突出。
　　电子收费(electronic toll collection，ETC)是解决上述问题的有效手段，在世界发达国家得到广泛应用。我国于2007年制定了ETC相关标准。ETC系统采用了RFID(radio frequency identification)、计算机技术、网络通信、图像处理等先进技术，甚至可实现车辆无需停车即可自动收费的功能。ETC系统前端重要设备是车载单元OBU(on board unit，俗称标签)和路边单元RSU(road side unit，俗称天线)。RSU与OBU之间如何稳定可靠、安全高效地协调工作是ETC系统需要研究的主要课题。 

　　1 系统构架设计 

　　ETC系统构架如图1所示。可将其分为前端子系统和后台子系统．前端子系统包括安装在汽车上的车载单元OBU、车道门架上的RSU。OBU与RSU之间以波通信的方式进行电子收费交易；地感线圈用于车辆的驶入和离开检测，以触发、控制拍照和闪光；摄像头属于拍照系统的设备，拍摄车辆牌照进行识别，用于留存查验和追缴逃费。前端子系统的RSU、摄像头、地感线圈等将数据上传给车道控制机，经车道控制机处理后的数据再通过网络送到后台子系统。后台子系统包括数据中心、资金结算系统和OBU发行中心等。 

　　车载单元OBU 和路边单元RSU是前端子系统的关键设备。当车辆驶入RSU覆盖的通信区域后，车辆上的OBU 被唤醒，并做出回应。继而双方根据协议规程，完成双向数据通信。在一次成功的交易过程中，RSU将获得车辆的身份信息(如OBU的ID号、车牌号、车型等)，并将获得的数据经车道控制机通过网络送到后台系统处理，完成缴费。本文设计的RSU与OBU的交易符合中国ISO/TC204技术委员会制定的中国DSRC(Dedicated Short Range Communication，专用短距离通信)标准。本文重点是OBU 的硬件设计。 

　　2 OBU硬件系统设计 

　　2.1 OBU硬件结构
　　OBU硬件整体结构如图2所示，包括MCU(microprocessor control unit)单元、唤醒模块、射频发/接收模块、电源管理模块、加密模块、接口及显示模块等。 

　　MCU单元是OBU核心部分，控制各个模块的有序工作，完成编解码和交易流程等工作；射频发射/接收模块实现信号的发射与接收以及信号的调制与解调；电源管理模块负责管理OBU 的电源，保证可靠工作的同时实现最低的功耗；唤醒模块一方面要保证车辆在进入RSU的通信区域时OBU能被及时唤醒，开始正常工作，另一方面还要避免OBU在非RSU的通信区域被误唤醒；加密模块实现数据加密及交易过程安全认证；接口及显示模块提供USB接口和LCD显示。 

　　2.2 MCU单元
　　MCU是OBU关键。当车辆以100 km/h的速度通过收费点RSU 通信区域时，OBU应完成整个交易过程。所以在选择MCU时，不仅对其功耗、内存容量以及可靠性有较高的要求，还要求其具有快速的处理速度。针对以上要求，本文选取意法半导体公司的基于ARM Cortex-M3内核处理器STM32F205 系列芯片作为 MCU。STM32F205主要具有以下特点：
　　1)快速处理能力。STM32F205是32位微处理器，采用ARM Cortex—M3内核，工作频率为120 MHz，且带有ART加速器。Flash从128 K至1024 K，片内RAM 从64 K至128 K。
　　2)更低功耗。STM32F205的功耗在32位处理器中是最低的，供电电压范围为2.0～3.6V，在待机模式时，其电源供电电流约为2.5A，在正常工作模式时，其耗电为26 mA。
　　3)丰富的功能集成。STM32F205内部包括17个定时器、3个12位A／D转换器(交错模式下可达到6MSPS)、2个12位D/A转换器、3个SPI接口、4个USART和2个UART(7.5 Mb/s)接口和3个SPI端口、2路CAN，此外还设有16个DMA通道，一个CRC计算单元等。STM32F205的基本电路见图3。 

　　微控制器STM32通过SPI口对射频芯片ML5830进行配置，并完成与射频发射电路和接收电路，唤醒电路的信息通信，以便进一步结合FMO软件解码和硬件编码完成基带通信并实现对现场车道设备的控制。
　　实际工作过程中，车辆通行进入RSU的通信区域后，接收到包括唤醒信号在内的一系列空中数据。首先，OBU将天线接收到的唤醒信号经过ASK检波解调、滤波放大处理后，唤醒电路为STM32F205提供+3.3V的工作电压，开始接收并处理大量数据；每一步数据处理结束后执行相关指令将数据返回，通过OBU的天线向RSU发射出去。在这个过程中，微控制器STM32F205将检波解调后得到的基带信号送到FMO编码电路进行编码，通过SPI接口控制射频芯片ML5830，配置该芯片的工作模式，然后将待发送的数据送往发射芯片ML5830，经ML5830调制后的高频信号，再由微带贴片天线阵发往路边单元的接受天线。整个交易必须在车辆离开有效通信区域前完成，以便在后台留下完整的交易记录供事后进行计费等处理。 

　　2.3 射频发射/接收模块
　　OBU中的射频芯片的选择应考虑是否符合我国相关标准以及频点、调制解调方式、传输速率等技术指标．经全面分析比较，本文选择RF Micro Devices公司最新推出的ML583O芯片。该器件符合中国电子收费标准：电子收费专用短程通信(DSRC)GB/T 20851.1—2007.ML5830是一款低功耗、支持幅移键控(ASK)和频移键控(FSK)的射频芯片。ML5830工作于5.8GHz频带下，专门用于电子不停车收费系统。ML5830集成了上变频混波器、缓冲器/预驱动放大器及能产生+4dBm典型输出功率的ASK调制器。ML5830的FSK模式可提供1～2 Mb/s的数字化可选数据速率。更为重要的是，ML5830还整合了全集成分数N合成器、压控振动器(VCO)及数字化切换至更高功率、更高数据速率FSK调制模式，从而确保灵活地满足ETC市场当前及未来的需求。ML583O的内部结构见图4。 

　　图5是ETC系统中基于ML5830的微波发射电路，图中天线接口TXO输出至输入阻抗为50欧姆的微带贴片天线，通过射频阻塞电感连接到VCC；DIN是发射数据输入端。VCCA是3.3V直流电源输入端口，VC—CPLL是3.3V直流电源输入，在此引脚和地之间加旁路电容去噪；VCCSYN是2.7V直流电源输入，必须连接到外部引脚VREGPLL。PLL—SW是回路滤波器控制开关，VTUNE是VCO 的调谐电压输入的锁相环环路滤波器，此引脚对噪声耦合和泄漏电流非常敏感。 

　　由OBU中的嵌入式控制系统送入的数字信号经筛选后，被送到ML5830内集成的ASK调制器进行调制，经可编程增益放大器进行输出功率放大后，天线输出高频信号与RSU进行数据交换。
　　图6是ETC系统中基于三极管和具有反向功能的芯片CD4069UBC的接收电路原理框图。RF微波贴片天线将从RSU收到的信号送ASK检波电路，进行解调。采用的CD4069UBC芯片，其CMOS结构具有工作电压范围大、低功耗、抗噪能力强等特点。输入小信号时，芯片内部的三级管电路可以完成对小信号的放大；在输人大信号时，则具有反向电路功能。放大后的数据被送往嵌入式系统STM32F205构成的MCU进行处理。另有14kHz滤波电路对解调信号进行筛选，送RF唤醒模块产生唤醒信号，激活电源管理模块，进而唤醒OBU设备开始收费交易过程。 

　　3 结束语 

　　OBU和RSU稳定可靠的工作是ETC系统的重要保障。本文根据ETC系统的需求，选用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F205芯片和主要用于ETC系统的ML5830，提出了一种全新的设计方案，并且给出了详细的硬件电路图。实际的运行及测试结果表明，所设计的OBU工作稳定可靠，交易短(整个交易时间约200 ms)、功耗低，完全能满足电子不停车收费系统的需求。