許 菲 李新友

（武漢理工大學信息工程學院 武漢 430070）

0 引 言

近年來，的公路建設進展迅速，公路的總里程已超過380萬km，高速公路的通車總里程已超過7萬km［1］.同時，我國汽車保有量也迅速增加，僅2010年就增加了1 800多萬輛［2］.而我國目前大多數(shù)收費站仍然以人工收費方式為主.一方面，雖然人力、物力的投入很大，效率卻不高；另一方面，交費時車輛需要完全停車，因而在收費站附近的通行速度較慢.一旦遇到交通繁忙路段或高峰期，收費站就成為瓶頸，變?yōu)閾矶曼c.此問題在城市內(nèi)的收費站表現(xiàn)尤為突出.

電子收費（electronic toll collection，ETC）是解決上述問題的有效手段，在世界發(fā)達國家得到廣泛應用［3－4］.我國于2007年制定了 ETC相關標準.ETC系統(tǒng)采用了RFID（radio frequency identification）［5］、計算機技術、網(wǎng)絡通信、圖像處理等先進技術，甚至可實現(xiàn)車輛無需停車即可自動收費的功能.ETC系統(tǒng)前端重要設備是車載單元OBU（on board unit，俗稱標簽）和路邊單元RSU（road side unit，俗稱天線）.RSU與OBU之間如何穩(wěn)定可靠、安全高效地協(xié)調(diào)工作是ETC系統(tǒng)需要研究的主要課題.

1 系統(tǒng)構架設計

ETC系統(tǒng)構架如圖1所示.可將其分為前端子系統(tǒng)和后臺子系統(tǒng).前端子系統(tǒng)包括安裝在汽車上的車載單元OBU、車道門架上的RSU.OBU與RSU之間以波通信的方式進行電子收費交易；地感線圈用于車輛的駛?cè)牒碗x開檢測，以觸發(fā)、控制拍照和閃光；攝像頭屬于拍照系統(tǒng)的設備，拍攝車輛牌照進行識別，用于留存查驗和追繳逃費.前端子系統(tǒng)的RSU、攝像頭、地感線圈等將數(shù)據(jù)上傳給車道控制機，經(jīng)車道控制機處理后的數(shù)據(jù)再通過網(wǎng)絡送到后臺子系統(tǒng).后臺子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)中心、資金結算系統(tǒng)和OBU發(fā)行中心等.

圖1 ETC系統(tǒng)構架圖

車載單元OBU和路邊單元RSU是前端子系統(tǒng)的關鍵設備.當車輛駛?cè)隦SU覆蓋的通信區(qū)域后，車輛上的OBU被喚醒，并做出回應.繼而雙方根據(jù)協(xié)議規(guī)程，完成雙向數(shù)據(jù)通信.在一次成功的交易過程中，RSU將獲得車輛的身份信息（如OBU的ID號、車牌號、車型等），并將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)車道控制機通過網(wǎng)絡送到后臺系統(tǒng)處理，完成繳費.本文設計的RSU與OBU的交易符合中國ISO／TC204技術委員會制定的中國DSRC（Dedicated Short Range Communication，專用短距離通信）標準［6］.本文重點是OBU的硬件設計.

2 OBU硬件系統(tǒng)設計

2.1 OBU硬件結構

OBU硬件整體結構如圖2所示，包括MCU（microprocessor control unit）單元、喚醒模塊、射頻發(fā)射／接收模塊、電源管理模塊、加密模塊、接口及顯示模塊等.

圖2 OBU整體結構圖

MCU單元是OBU核心部分，控制各個模塊的有序工作，完成編解碼和交易流程等工作；射頻發(fā)射／接收模塊實現(xiàn)信號的發(fā)射與接收以及信號的調(diào)制與解調(diào)；電源管理模塊負責管理OBU的電源，保證可靠工作的同時實現(xiàn)最低的功耗；喚醒模塊一方面要保證車輛在進入RSU的通信區(qū)域時OBU能被及時喚醒，開始正常工作，另一方面還要避免OBU在非RSU的通信區(qū)域被誤喚醒；加密模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密及交易過程安全認證；接口及顯示模塊提供USB接口和LCD顯示.

2.2 MCU單元

MCU是OBU關鍵.當車輛以100km／h的速度通過收費點RSU通信區(qū)域時，OBU應完成整個交易過程.所以在選擇MCU時，不僅對其功耗、內(nèi)存容量以及可靠性有較高的要求，還要求其具有快速的處理速度.針對以上要求，本文選取意法半導體公司的基于ARM Cortex－M3內(nèi)核處理器STM32F205系列芯片作為MCU.STM32F205主要具有以下特點［7］：

1）快速處理能力.STM32F205是32位微處理器，采用ARM Cortex－M3內(nèi)核，工作頻率為120MHz，且?guī)в蠥RT加速器.Flash從128K至1 024K，片內(nèi)RAM從64K至128K.

2）更低功耗.STM32F205的功耗在32位處理器中是最低的，供電電壓范圍為2.0～3.6V，在待機模式時，其電源供電電流約為2.5μA，在正常工作模式時，其耗電為26mA.

3）豐富的功能集成.STM32F205內(nèi)部包括17個定時器、3個12位A／D轉(zhuǎn)換器（交錯模式下可達到6MSPS）、2個12位D／A轉(zhuǎn)換器、3個I2C接口、4個 USART和2個 UART（7.5Mb／s）接口和3個SPI端口、2路CAN，此外還設有16個DMA通道，一個CRC計算單元等.

STM32F205的基本電路見圖3.

圖3 STM32F205的基本電路圖

微控制器STM32通過SPI口對射頻芯片ML5830進行配置，并完成與射頻發(fā)射電路和接收電路，喚醒電路的信息通信，以便進一步結合FM0軟件解碼和硬件編碼完成基帶通信并實現(xiàn)對現(xiàn)場車道設備的控制.

實際工作過程中，車輛通行進入RSU的通信區(qū)域后，接收到包括喚醒信號在內(nèi)的一系列空中數(shù)據(jù).首先，OBU將天線接收到的喚醒信號經(jīng)過ASK檢波解調(diào)、濾波放大處理后，喚醒電路為STM32F205提供＋3.3V的工作電壓，開始接收并處理大量數(shù)據(jù)；每一步數(shù)據(jù)處理結束后執(zhí)行相關指令將數(shù)據(jù)返回，通過OBU的天線向RSU發(fā)射出去.在這個過程中，微控制器STM32F205將檢波解調(diào)后得到的基帶信號送到FM0編碼電路進行編碼，通過SPI接口控制射頻芯片ML5830，配置該芯片的工作模式，然后將待發(fā)送的數(shù)據(jù)送往發(fā)射芯片ML5830，經(jīng)ML5830調(diào)制后的高頻信號，再由微帶貼片天線陣發(fā)往路邊單元的接受天線.整個交易必須在車輛離開有效通信區(qū)域前完成，以便在后臺留下完整的交易記錄供事后進行計費等處理.

2.3 射頻發(fā)射／接收模塊

OBU中的射頻芯片的選擇應考慮是否符合我國相關標準以及頻點、調(diào)制解調(diào)方式、傳輸速率等技術指標.經(jīng)全面分析比較，本文選擇RF MicroDevices公司最新推出的ML5830芯片.該器件符合中國電子收費標準：電子收費專用短程通信（DSRC）GB／T 20851.1－2007.ML5830是一款低功耗、支持幅移鍵控（ASK）和頻移鍵控（FSK）的射頻芯片.ML5830工作于5.8GHz頻帶下，專門用于電子不停車收費系統(tǒng)［8］.ML5830集成了上變頻混波器、緩沖器／預驅(qū)動放大器及能產(chǎn)生＋4dBm典型輸出功率的ASK調(diào)制器.ML5830的FSK模式可提供1～2Mb／s的數(shù)字化可選數(shù)據(jù)速率.更為重要的是，ML5830還整合了全集成分數(shù)N合成器、壓控振動器（VCO）及數(shù)字化切換至更高功率、更高數(shù)據(jù)速率FSK調(diào)制模式，從而確保靈活地滿足ETC市場當前及未來的需求.ML5830的內(nèi)部結構見圖4.

圖4 ML5830內(nèi)部結構圖

圖5 是ETC系統(tǒng)中基于ML5830的微波發(fā)射電路，圖中天線接口TXO輸出至輸入阻抗為50歐姆的微帶貼片天線，通過射頻阻塞電感連接到VCC；DIN是發(fā)射數(shù)據(jù)輸入端.

VCCA是3.3V直流電源輸入端口，VCCPLL是3.3V直流電源輸入，在此引腳和地之間加旁路電容去噪；VCCSYN是2.7V直流電源輸入，必須連接到外部引腳VREGPLL.PLL＿SW是回路濾波器控制開關，VTUNE是VCO的調(diào)諧電壓輸入的鎖相環(huán)環(huán)路濾波器，此引腳對噪聲耦合和泄漏電流非常敏感.

由OBU中的嵌入式控制系統(tǒng)送入的數(shù)字信號經(jīng)篩選后，被送到ML5830內(nèi)集成的ASK調(diào)制器進行調(diào)制，經(jīng)可編程增益放大器進行輸出功率放大后，天線輸出高頻信號與RSU進行數(shù)據(jù)交換.

圖6是ETC系統(tǒng)中基于三極管和具有反向功能的芯片CD4069UBC的接收電路原理框圖.

RF微波貼片天線將從RSU收到的信號送ASK檢波電路，進行解調(diào).采用的CD4069UBC芯片，其CMOS結構具有工作電壓范圍大、低功耗、抗噪能力強等特點.輸入小信號時，芯片內(nèi)部的三級管電路可以完成對小信號的放大；在輸入大信號時，則具有反向電路功能.放大后的數(shù)據(jù)被送往嵌入式系統(tǒng)STM32F205構成的MCU進行處理.另有14kHz濾波電路對解調(diào)信號進行篩選，送RF喚醒模塊產(chǎn)生喚醒信號，激活電源管理模塊，進而喚醒OBU設備開始收費交易過程.

圖5 射頻發(fā)射電路圖

圖6 射頻接收原理框圖

2.4 電源管理和喚醒模塊

本文設計的OBU采用不可重復充電的鋰電池供電，消除對汽車電源的依賴，這就要求電源管理模塊管理好OBU的供電，使其消耗的功率最小，提高電池的使用壽命，延長電池的更換時間.該模塊可將OBU設定在休眠狀態(tài)（低功耗狀態(tài)）和工作狀態(tài).通常OBU處在休眠狀態(tài)，通過收費站進入RSU的通信區(qū)域時，OBU才被喚醒，喚醒后進入工作狀態(tài)，完成交易后又轉(zhuǎn)入休眠.其電路如圖7所示.

當有車輛通過收費站進入RSU的通信區(qū)域時，OBU天線接收到的RSU發(fā)來的信號，經(jīng)檢波濾波放大后，輸出RFWAVE喚醒信號激活電源管理模塊.圖中PNP三極管Q1發(fā)射極電壓VCC是3.6V，由鋰電池提供.在輸入喚醒信號時經(jīng)Q3飽和降壓輸出VCC1為3.3V，為收費交易過程中包括STM32F205和ML5830在內(nèi)的所有必需設備提供工作電壓.此外還利用電容C2及電阻R6產(chǎn)生延時，以保證足夠的交易時間后，三極管輸出RST復位信號.

圖7 喚醒及電源管理電路圖

3 結束語

OBU和RSU穩(wěn)定可靠的工作是ETC系統(tǒng)的重要保障.本文根據(jù)ETC系統(tǒng)的需求，選用基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的STM32F205芯片和主要用于ETC系統(tǒng)的ML5830，提出了一種全新的設計方案，并且給出了詳細的硬件電路圖.實際的運行及測試結果表明，所設計的OBU工作穩(wěn)定可靠，交易短（整個交易時間約200ms）、功耗低，完全能滿足電子不停車收費系統(tǒng)的需求.

［1］交通運輸部綜合規(guī)劃司.2010年公路水路交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報［R］.北京：交通運輸部綜合規(guī)劃司，2011.

［2］工業(yè)和信息化部.2010年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行報告［R］.北京：工業(yè)和信息化部，2010.

［3］Wolfgang D.Interoperable 5.8GHz DSRC systems as basis for European wide ETC implementation［C］／／European Microwave Conference，1997（1）：139－145.

［4］Junko O，Yoshiro S，Katsuyoshi S.A study on operation of ETC （electronic toll collection）［C］／／IEEE Conference on Intelligent Transportation System 1999：581－585.

［5］Poirier C C，McCollum D.RFID strategic implementation and ROI：apractical roadmap to success［M］.New York：J.Ross Publishing，2006.

［6］中國國家標準化委員會.GB／T 20851－2007電子收費專用短程通信［S］.北京：中國國家標準化委員會，2007.

［7］STMicroelectronics Company.STM32F20xxx hardware development guide［M］.Switzerland：STMicroelectronics Company，2009.

［8］R F Micro Devices Corporation.ML5830Data Sheet［M］.California ：RF Micro Devices Corporation，2010.