張永合

摘 要：文章針對停車場月保車輛的應用需求，結合ETC系統(tǒng)，介紹了一款低成本的微波讀寫器。重點闡述了設備組成原理、硬件電路設計中的關鍵技術，以及軟件開發(fā)原理和核心流程。該產品方案簡單易行，便于在同類型產品應用開發(fā)中推廣。

關鍵詞：停車場；ETC；RSU；電路設計

隨著電子不停車收費系統(tǒng)（Electronic Toll Collection，ETC）系統(tǒng)的推廣普及，越來越多的車輛加裝了電子標簽車載單元（On Board Unit，OBU），使得ETC與停車場應用管理結合成為可能。微波讀寫器路側單元（Road Side Unit，RSU）是OBU與停車場車控機之間重要的橋接設備，一款系統(tǒng)架構簡單、使用方便、成本低的RSU無疑具有較高的工程應用價值。下面介紹一種應用于停車場的低成本RSU的設計，該設備已應用于深圳市金溢科技股份有限公司ETC智慧停車系統(tǒng)產品中，并取得了良好的使用效果。

1 總體方案

該RSU專門針對停車場的月保車輛管理應用而設計，只需讀取OBU的ID號和車牌信息數(shù)據即可實現(xiàn)月保車輛的識別與管理。RSU和OBU之間采用微波無線傳遞手段和DSRC通信技術實現(xiàn)信息通訊，RSU和車控機之間依靠有線網絡連接和專用通信協(xié)議進行信息交互[1]。

RSU通常由控制單元、射頻單元和天線單元組成，為了簡化設計，這里將控制單元與射頻單元集成后設計為主控單元。整個RSU的組成原理框如圖1所示。

主控制器選用ST公司的STM32L072，它一款基于ARM Cortex?-M0+的32位低成本MCU，工作頻率32 MHz，0.95 DMIPS/MHz；MCU通過SPI總線外接Microchip公司的以太網控制器ENC424J600，實現(xiàn)網絡數(shù)據傳輸功能；選用EEPROM芯片K24C32來存儲需要在線改寫和保存的數(shù)據；射頻通路中選用上海博通公司的BK5824芯片作為收發(fā)信機，它是一款符合5.8 GHz ETC應用標準的收發(fā)器；功放芯片采用Skyworks公司的SE5003L1；低噪聲放大器采用RFMD公司的RF5515；天線單元采用具有結構簡單、剖面低、易于加工的微帶天線。

2 硬件設計

2.1 主控電路部分

主控電路包括：電源、時鐘、復位、STM32L072芯片、 EEPROM存儲電路、網絡接口電路、GPIO控制電路和 SWD調試接口等。

為增強產品可靠性，MCU復位電路中選用MAXIM公司的MAX6369芯片做看門狗電路設計?？紤]到調試需要，用撥碼開關進行選通操作，從而使看門狗的復位信號不會影響MCU正常調試操作。

以太網絡控制器ENC424J600芯片采用串行總線SPI方式與MCU連接，其接口數(shù)據速率可達14 Mbps。通過將引腳INT/SPISEL上拉，這樣芯片上電后就進入SPI通信模式，同時該引腳作為中端信號供給MCU[2]。

2.2 射頻電路部分

基于BK5824的射頻信號收發(fā)電路是系統(tǒng)的另一核心，主要負責把5.8 GHz射頻信號解調數(shù)字化后送給主控制器，或者將主控制器發(fā)送來的數(shù)字信號調試轉換為5.8 GHz射頻信號輸出。該收發(fā)器芯片具有﹣56 dBm的喚醒靈敏度，﹣83 dBm的接收靈敏度，輸出功率高達7 dBm，并具備快速自動增益控制功能，可容納高達80 dB動態(tài)范圍射頻信號輸入。與MCU的連接選用串行總線SPI通信和GPIO控制方式，同時預留誤碼率測試接口，電路設計簡單，幾乎不需要外部組件，電路設計如圖2所示。

信號接收時，天線接收的射頻信號需要經過低噪聲放大器處理才能給后級的射頻收發(fā)器使用，這里選用具有11 dBm放大增益的低噪放RF5515進行信號放大；信號發(fā)送時，射頻收發(fā)器發(fā)出的射頻信號需要經過功率放大電路提升至一定的發(fā)射功率才能經天線發(fā)射出去，這里選用具有26 dBm放大增益的功放SE5003L1。主控制器同時控制一個射頻SPDT開關和一個射頻T/R開關實現(xiàn)收發(fā)狀態(tài)的有序切換，從而使整個射頻通路的接收和發(fā)射分時復用[3]。

2.3 天線單元

微帶天線上的導體陣元采用矩形陣元設計。天線增益要求不同，天線陣元數(shù)目也不同；天線水平方向和垂直方向的波瓣寬度要求不同，天線陣元的排布也不同。對于N×M陣列天線，其中N代表水平方向，M代表垂直方向，各方向上隨陣元數(shù)量變化趨勢為：陣元數(shù)量增加，該方向上主瓣波束寬度變窄，增益提高，但會造成旁瓣數(shù)量變多，與主瓣夾角變小，有導致場強突變的風險。

這里選用3×4陣列微帶天線，采用Rogers板材制板，實測天線增益接近10 dBi，天線水平方向3 dB波束寬度在30°左右，垂直方向3 dB波束寬度在25°左右。

3 軟件設計

軟件設計具體實現(xiàn)功能包括：（1）底層驅動程序功能，包括各硬件電路的初始化、硬件資源的操作、調度與管理；（2）邏輯處理程序功能，包括主控協(xié)議程序、中斷服務程序[4]。

3.1 底層驅動

底層驅動實現(xiàn)設備驅動管理、多任務調度、文件系統(tǒng)、網口升級應用程序及通信接口協(xié)議封裝等功能。多任務調度采用時間片輪轉和優(yōu)先級管理的處理機制。文件系統(tǒng)采用FatFS文件系統(tǒng)，只需開發(fā)底層儲存操作接口即可。MCU處理器存儲器空間分配為：

RAM區(qū)空間：0x2000 0000～0x2000 4FFF；

BOOT區(qū)空間：0x0800 0000～0x0801 7FFF；

APP區(qū)空間：0x0801 8000～0x0802 FFFF；

EEPROM區(qū)空間：0x0808 0000～0x0808 17FF。

其中將192 Kbytes的Flash存儲空間等分成兩部分，BOOT區(qū)用于引導應用程序，APP區(qū)用于放置應用程序。

網絡通信接口采用uIP協(xié)議棧進行開發(fā)，并封裝成TCP服務器用戶應用程序模塊。網口下載應用程序模塊采用Xmodem協(xié)議開發(fā)。

3.2 通信流程

RSU的通訊流程主要涉及RSU與車控機通信、RSU與OBU通信，三者間的通訊流程如下：

（1）車控機檢查到有車輛信號，給RSU發(fā)送開天線指令。

（2）RSU收到指令后應答，并循環(huán)發(fā)送BST命令。

（3）OBU進入通信區(qū)收到BST，發(fā)送VST應答信號給RSU。

（4）RSU檢測到VST信號后通知車控機。

（5）車控機收到VST應答后，通知RSU進行讀取OBU數(shù)據操作。

（6）RSU讀取OBU的數(shù)據，返回給車控機。

（7）車控機接收信息后應答RSU。

（8）RSU收到應答信息后進入待機狀態(tài)。

（9）本次通信結束，下次通信從步驟（1）開始。

4 結語

本文介紹了一種基于ETC智能停車應用的微波讀寫器產品的設計方法，該方法的優(yōu)點在于電路實現(xiàn)簡單，軟件開發(fā)方便，具有較強的實用價值。產品使用情況表明，該設計能夠可靠穩(wěn)定工作，可提升停車場月保車輛的管理效率。對于其他相關設計應用，該產品設計具有一定的參考價值。

[參考文獻]

[1]GB/T 20851-2007 電子收費 專用短程通信[S].北京：中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局/中國國家標準化管理委員會，2007.

[2]GB/T 35070-2018 停車場電子收費[S].北京：國家市場監(jiān)督管理總局/中國國家標準化管理委員會，2018.

[3]停車場RSU-車道通訊協(xié)議[Z].深圳：深圳市金溢科技股份有限公司，2014.

[4]STUTZMAN W，THIELE G，STUTZMAN，等.天線理論與設計[M].2版.北京：人民郵電出版社出版，2006.