ETC系统及车载单元剖析

杭小虎　谢斌

摘 要：随着我国公路建设的快速发展和汽车保有量的迅速增加，传统的收费系统难以满足发展需求，电子收费系统ETC是解决问题的有效手段.而车载单元OBU是ETC系统中的重要设备，本文就电子收费系统ETC以及车载单元OBU做出简要描述，旨在表明ETC的发展前景和对于OBU的不断优化进行探讨。

关键词：ETC；车载单元；路侧单元

Abstract：With the rapid increase of China's rapid development of highway construction and car ownership， the traditional billing system can not meet the development needs， ETC electronic toll collection system is an effective means to solve the problem. The ETC system-board unit OBU is an important device， the paper makes a brief description of the electronic toll collection system on the ETC and automotive unit OBU， designed to show the development prospects and the continuous optimization of ETC OBU were discussed.

Key words：ETC；OBU；RSU

随着我国国民经济的发展，道路运行车辆逐年增加，高速公路网络逐渐形成。但是，目前高速公路收费站大部分采用人工收费方式，因为其收费时间长和效率低下，致使收费站因车辆排队而成为车辆快速通行的瓶颈。与此同时，停车缴费造成了车辆频繁制动引起的油耗、机械磨损、噪音和大量有害尾气等问题。在这种情况下，利用先进的电子手段，使车辆不需要停车就可以缴付通行费的电子收费（Electronic Toll Collection，简称ETC，俗称不停车收费）系统就成为社会发展的迫切需要。

1 ETC系统功能

ETC系统前端主要设备是车载单元（On-Board Unit，简称OBU，俗称标签）和路侧单元 （Road-Side Unit，简称RSU，俗称天线）。ETC的系统结构图1所示。安装在汽车上的车载单元OBU（即存储与车辆有关的大量信息的电子标签，如车辆型号、车辆号码、车主的有关资料等）与安装在收费车道旁的读写收发器，即路侧单元RSU，以微波的方式进行快速的数据交换。当车辆通过收费站时，地面上的环路感应器感知到车辆，此时路侧单元发出询问信号，车载单元做出响应，并可进行双向通信和数据交换；收费站管理系统在获取车辆识别信息后，与数据库中相应的信息进行比较判断，如果OBU合法，计算机收费系统会从该车的预付款项账户中扣除此次应交的过路费，自动栏杆抬起。如果OBU不合法，自动栏杆放下，并提示汽车转入人工收费通道。对违章闯关汽车，进行摄像，记录车牌号，事后由交警处理。

ETC系统运行的整个过程无需停车，无需人工操作，耗时短、精确度高，不仅有助于提高公路的交通能力、车辆运行效率，还有助于降低油耗和车辆损耗，减少尾气排放，从而达到节约能源和保护环境的目的。因此电子不停车收费是智能交通系统中一个重要的研究领域和应用环节，并且已经被证明是发达国家应用较成功、带动产业较好的系统。目前我们国家诸多省份已经开始投入使用，随着ETC的普及，它必将成为我国智能交通行业发展的主流。

2 OBU系统剖析

如前所述，ETC系统主要由车载单元OBU和路侧单元RSU两部分组成，OBU是用来与RSU通信的微波设备[1]。OBU与RSU之间稳定可靠、安全高效地协调工作对于ETC系统至关重要。OBU是ETC系统中的重要部分，目前为止国内已经建成的ETC示范系统中的OBU的核心芯片主要是采用进口的通用芯片，这样OBU硬件系统不仅存在成本高、集成度低和功耗大等问题，更重要的是涉及到“电子钱包”的安全性问题。随着我国ETC系统的普及，OBU的需求量也飞速增加，故采用自主研发高性价比的OBU尤为重要。因此我们重点对OBU进行剖析探讨。

OBU系统主要由收发天线、射频系统、DSRC OBU专用芯片（交通专用短程通信Dedicated Short Range Communication，簡称DSRC）、MCU控制单元（微控单元Micro Control Unit，简称MCU）、双界面IC卡读卡单元、、LCD显示、电源控制单元以及外部扩展模块组成。如图2所示。

天线是无线通信系统中不可缺少的部分。天线的种类繁多，按工作性质，天线可分为发射天线和接收天线；按用途，天线可分为通信天线、雷达天线、导航天线、电视天线和广播天线等；按工作频段，天线可分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等；按其结构和分析方法，天线可大致分为线天线和面天线（口径）两大类[2]。这些微带天线和常用的微波天线相比具有体积小、质量轻，可与各种载体共行。馈电网络可与天线印制在一起，适合采用印制电路技术批量生产，便于实现圆极化、双极化、双频段工作。

射频系统分为三个部分：接收电路、发射电路和唤醒电路。该部分用于连接高频和基带，负责将高频信号接收到DSRC OBU专用芯片，通过专用芯片处理然后再由发射电路发送出去，从而实现OBU与RSU的无线通信。

对于ETC系统来说，选择DSRC OBU专用芯片时，首先要考虑是否支持中国的国标频段，频点的覆盖情况。此外，还要考虑其发射功率、调制解调方式、数据传输速率、天线接收灵敏度等参数。

而设计唤醒电路的关键所在是低功耗。因为唤醒电路一直处于工作状态，所以在电路芯片的选型上首先要考虑的是芯片的功耗。唤醒电路采用的二极管检波的解调方式，解调后的信号经过运算放大器和比较器然后输出唤醒MCU。

MCU控制单元是OBU系统的核心控制单元，控制双界面IC卡单元，电源管理单元，DSRC OBU专用芯片单元、射频系统，LCD显示以及外部扩展模块，所以MCU控制单元是OBU系统的关键部分。MCU控制单元由MCU控制系统、外部扩展模块以及电源控制电路三部分组成。作为OBU系统的关键单元，因此选择一款合适的微处理器是十分重要的。本人认为主要应从处理器的速度，接口数量，片上的存储容量等方面考虑的，由于OBU是车载设备，主要依靠电池供电，所以MCU的功耗也要尽可能小。

另外OBU的电源管理也很重要，在OBU设计中，电源管理模块负责各芯片的供电以及电源控制，因此电源模块与OBU系统的每个模块都息息相关。在节省电源的同时又不影响设备的性能，保证各个模块正常工作。因此高性价比的电源控制模块是OBU设计的主要难点之一。目前OBU的供电方式一般有两种，一种是使用汽车的DC电源接口供电，另一种是利用不可重复充电的锂电池供电。前者能够提供充足的电源，但是不同的汽车的DC电源没有统一的标准，为车主带来了诸多不便。后者的供电方法脱离了汽车电源的依赖，但也存在众多问题。表现在以下方面：（1）电池利用率不高；（2）帶负载能力差；（3）静态电流过大等缺点，这些缺点给消费者带来了不便。因此，电源管理模块的设计对解决OBU系统功耗具有重大意义，延长设备使用寿命，以最大限度的降低OBU功耗。最终使得更换电池使用寿命长达二三年。该模块将OBU控制在睡眠状态和唤醒状态，即只有通过收费站时才唤醒，其他时间都处在睡眠状态。

3 结束语

发展电子收费ETC不仅仅可以解决交通拥堵问题，还可以大大缓解环境污染问题。对于我国目前不断增加的车流及雾霾天气，大力推广ETC突显重要。根据“国务院关于进一步推进长江三角洲地区改革开放和经济社会发展的指导意见”（国发〔2008〕30号）文件中指出的“促进高速公路电子收费系统、交通信息联网、危急抢险信息联网建设”。江苏及邻近省市都加快ETC项目的建设，2009年3月1日，我省高速公路不停车收费系统已经开始试运行。到2015年，全省80%的高速公路收费站都将设有不停车收费专用通道[3]。本文仅对ETC的构架进行了简单的介绍，并且着重介绍了OBU应用系统硬件的组成以及优化思路。随着ETC系统的开发、建设和应用，它将为我们提供更加便捷的信息交流手段，并且创造出一个巨大的高新技术产业和市场。

[参考文献]

[1]Saijie Lu，Tiejun He，Zhaohui Gao.Design of Electronic Toll Collection System based on Global Positioning System Technique [C].2009 ISECS International Colloquium on Computing，Communication，Control，and Management：350-353.

[2]黄智伟，编著.单片无线设计与收发电路设计[M].西安电子科技大学出版社.2009.

[3]杨真春.高速公路收费若干问题研究[D].长安大学.2007.