ETC系统中车载单元的研究与设计

许 菲 李新友

（武汉理工大学信息工程学院 武汉 430070）

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［1］.同时，我国汽车保有量也迅速增加，仅2010年就增加了1 800多万辆［2］.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［3－4］.我国于2007年制定了 ETC相关标准.ETC系统采用了RFID（radio frequency identification）［5］、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.

图1 ETC系统构架图

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［6］.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、射频发射／接收模块、电源管理模块、加密模块、接口及显示模块等.

图2 OBU整体结构图

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100km／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［7］：

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120MHz，且带有ART加速器.Flash从128K至1 024K，片内RAM从64K至128K.

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2.5μA，在正常工作模式时，其耗电为26mA.

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I2C接口、4个 USART和2个 UART（7.5Mb／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.

图3 STM32F205的基本电路图

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FM0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FM0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 MicroDevices公司最新推出的ML5830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［8］.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1～2Mb／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.ML5830的内部结构见图4.

图4 ML5830内部结构图

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，VCCPLL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；在输入大信号时，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.

图5 射频发射电路图

图6 射频接收原理框图

2.4 电源管理和唤醒模块

本文设计的OBU采用不可重复充电的锂电池供电，消除对汽车电源的依赖，这就要求电源管理模块管理好OBU的供电，使其消耗的功率最小，提高电池的使用寿命，延长电池的更换时间.该模块可将OBU设定在休眠状态（低功耗状态）和工作状态.通常OBU处在休眠状态，通过收费站进入RSU的通信区域时，OBU才被唤醒，唤醒后进入工作状态，完成交易后又转入休眠.其电路如图7所示.

当有车辆通过收费站进入RSU的通信区域时，OBU天线接收到的RSU发来的信号，经检波滤波放大后，输出RFWAVE唤醒信号激活电源管理模块.图中PNP三极管Q1发射极电压VCC是3.6V，由锂电池提供.在输入唤醒信号时经Q3饱和降压输出VCC1为3.3V，为收费交易过程中包括STM32F205和ML5830在内的所有必需设备提供工作电压.此外还利用电容C2及电阻R6产生延时，以保证足够的交易时间后，三极管输出RST复位信号.

图7 唤醒及电源管理电路图

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200ms）、功耗低，完全能满足电子不停车收费系统的需求.

［1］交通运输部综合规划司.2010年公路水路交通运输行业发展统计公报［R］.北京：交通运输部综合规划司，2011.

［2］工业和信息化部.2010年汽车工业经济运行报告［R］.北京：工业和信息化部，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］中国国家标准化委员会.GB／T 20851－2007电子收费专用短程通信［S］.北京：中国国家标准化委员会，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.