引言 

　　近年來的公路建設(shè)進(jìn)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。同時(shí)，我國汽車保有量也迅速增加，僅2010年就增加了1800多萬輛。而我國目前大多數(shù)收費(fèi)站仍然以人工收費(fèi)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(fèi)時(shí)車輛需要完全停車，因而在收費(fèi)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(fèi)站就成為瓶頸，變?yōu)閾矶曼c(diǎn)．此問題在城市內(nèi)的收費(fèi)站表現(xiàn)尤為突出。

　　電子收費(fèi)(electronic toll collection，ETC)是解決上述問題的有效手段，在世界發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用。我國于2007年制定了ETC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。ETC系統(tǒng)采用了RFID(radio frequency identification)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像處理等先進(jìn)技術(shù)，甚至可實(shí)現(xiàn)車輛無需停車即可自動收費(fèi)的功能。ETC系統(tǒng)前端重要設(shè)備是車載單元OBU(on board unit，俗稱標(biāo)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(gòu)架設(shè)計(jì) 

　　ETC系統(tǒng)構(gòu)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(jìn)行電子收費(fèi)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(shè)備，拍攝車輛牌照進(jìn)行識別，用于留存查驗(yàn)和追繳逃費(fèi)。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(jī)，經(jīng)車道控制機(jī)處理后的數(shù)據(jù)再通過網(wǎng)絡(luò)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(jié)算系統(tǒng)和OBU發(fā)行中心等。 

　　車載單元OBU 和路邊單元RSU是前端子系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。當(dāng)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(yīng)。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(jī)通過網(wǎng)絡(luò)送到后臺系統(tǒng)處理，完成繳費(fèi)。本文設(shè)計(jì)的RSU與OBU的交易符合中國ISO/TC204技術(shù)委員會制定的中國DSRC(Dedicated Short Range Communication，專用短距離通信)標(biāo)準(zhǔn)。本文重點(diǎn)是OBU 的硬件設(shè)計(jì)。 

　　2 OBU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

　　2.1 OBU硬件結(jié)構(gòu)

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

　　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(shí)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(fù)責(zé)管理OBU 的電源，保證可靠工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最低的功耗；喚醒模塊一方面要保證車輛在進(jìn)入RSU的通信區(qū)域時(shí)OBU能被及時(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密及交易過程安全認(rèn)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(guān)鍵。當(dāng)車輛以100 km/h的速度通過收費(fèi)點(diǎn)RSU 通信區(qū)域時(shí)，OBU應(yīng)完成整個交易過程。所以在選擇MCU時(shí)，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(dǎo)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(diǎn)：

　　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120 MHz，且?guī)в蠥RT加速器。Flash從128 K至1024 K，片內(nèi)RAM 從64 K至128 K。

　　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(jī)模式時(shí)，其電源供電電流約為2.5A，在正常工作模式時(shí)，其耗電為26 mA。

　　3)豐富的功能集成。STM32F205內(nèi)部包括17個定時(shí)器、3個12位A／D轉(zhuǎn)換器(交錯模式下可達(dá)到6MSPS)、2個12位D/A轉(zhuǎn)換器、3個SPI接口、4個USART和2個UART(7.5 Mb/s)接口和3個SPI端口、2路CAN，此外還設(shè)有16個DMA通道，一個CRC計(jì)算單元等。STM32F205的基本電路見圖3。 

　　微控制器STM32通過SPI口對射頻芯片ML5830進(jìn)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(jìn)一步結(jié)合FMO軟件解碼和硬件編碼完成基帶通信并實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場車道設(shè)備的控制。

　　實(shí)際工作過程中，車輛通行進(jìn)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(jié)束后執(zhí)行相關(guān)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FMO編碼電路進(jìn)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(jìn)行計(jì)費(fèi)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(yīng)考慮是否符合我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及頻點(diǎn)、調(diào)制解調(diào)方式、傳輸速率等技術(shù)指標(biāo)．經(jīng)全面分析比較，本文選擇RF Micro Devices公司最新推出的ML583O芯片。該器件符合中國電子收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)：電子收費(fèi)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(fèi)系統(tǒng)。ML5830集成了上變頻混波器、緩沖器/預(yù)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1～2 Mb/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?jǐn)?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(dāng)前及未來的需求。

　　圖4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，VC—CPLL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(guān)，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(jìn)行調(diào)制，經(jīng)可編程增益放大器進(jìn)行輸出功率放大后，天線輸出高頻信號與RSU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　圖5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(jìn)行解調(diào)。采用的CD4069UBC芯片，其CMOS結(jié)構(gòu)具有工作電壓范圍大、低功耗、抗噪能力強(qiáng)等特點(diǎn)。輸入小信號時(shí)，芯片內(nèi)部的三級管電路可以完成對小信號的放大；在輸人大信號時(shí)，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(gòu)成的MCU進(jìn)行處理。另有14kHz濾波電路對解調(diào)信號進(jìn)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(jìn)而喚醒OBU設(shè)備開始收費(fèi)交易過程。 

　　3 結(jié)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(shè)計(jì)方案，并且給出了詳細(xì)的硬件電路圖。實(shí)際的運(yùn)行及測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的OBU工作穩(wěn)定可靠，交易短(整個交易時(shí)間約200 ms)、功耗低，完全能滿足電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的需求。