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　　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。同時，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，變為擁堵點．此問題在城市內的收費站表現尤為突出。

　　電子收費(electronic toll collection，ETC)是解決上述問題的有效手段，在世界發達國家得到廣泛應用。我國于2007年制定了ETC相關標準。ETC系統采用了RFID(radio frequency identification)、計算機技術、網絡通信、圖像處理等先進技術，甚至可實現車輛無需停車即可自動收費的功能。ETC系統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之間如何穩定可靠、安全高效地協調工作是ETC系統需要研究的主要課題。 

　　1 系統構架設計 

　　ETC系統構架如圖1所示。可將其分為前端子系統和后臺子系統．前端子系統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入和離開檢測，以觸發、控制拍照和閃光；攝像頭屬于拍照系統的設備，拍攝車輛牌照進行識別，用于留存查驗和追繳逃費。前端子系統的RSU、攝像頭、地感線圈等將數據上傳給車道控制機，經車道控制機處理后的數據再通過網絡送到后臺子系統。后臺子系統包括數據中心、資金結算系統和OBU發行中心等。 

　　車載單元OBU 和路邊單元RSU是前端子系統的關鍵設備。當車輛駛入RSU覆蓋的通信區域后，車輛上的OBU 被喚醒，并做出回應。繼而雙方根據協議規程，完成雙向數據通信。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)，并將獲得的數據經車道控制機通過網絡送到后臺系統處理，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。本文重點是OBU 的硬件設計。 

　　2 OBU硬件系統設計 

　　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/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；射頻發射/接收模塊實現信號的發射與接收以及信號的調制與解調；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的通信區域被誤喚醒；加密模塊實現數據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100 km/h的速度通過收費點RSU 通信區域時，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內核處理器STM32F205 系列芯片作為 MCU。STM32F205主要具有以下特點：

　　1)快速處理能力。STM32F205是32位微處理器，采用ARM Cortex—M3內核，工作頻率為120 MHz，且帶有ART加速器。Flash從128 K至1024 K，片內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，在待機模式時，其電源供電電流約為2.5A，在正常工作模式時，其耗電為26 mA。

　　3)豐富的功能集成。STM32F205內部包括17個定時器、3個12位A／D轉換器(交錯模式下可達到6MSPS)、2個12位D/A轉換器、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，此外還設有16個DMA通道，一個CRC計算單元等。STM32F205的基本電路見圖3。 

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

　　實際工作過程中，車輛通行進入RSU的通信區域后，接收到包括喚醒信號在內的一系列空中數據。首先，OBU將天線接收到的喚醒信號經過ASK檢波解調、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據；每一步數據處理結束后執行相關指令將數據返回，通過OBU的天線向RSU發射出去。在這個過程中，微控制器STM32F205將檢波解調后得到的基帶信號送到FMO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，然后將待發送的數據送往發射芯片ML5830，經ML5830調制后的高頻信號，再由微帶貼片天線陣發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、調制解調方式、傳輸速率等技術指標．經全面分析比較，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。ML5830集成了上變頻混波器、緩沖器/預驅動放大器及能產生+4dBm典型輸出功率的ASK調制器。ML5830的FSK模式可提供1～2 Mb/s的數字化可選數據速率。更為重要的是，ML5830還整合了全集成分數N合成器、壓控振動器(VCO)及數字化切換至更高功率、更高數據速率FSK調制模式，從而確保靈活地滿足ETC市場當前及未來的需求。

　　圖4是ETC系統中基于ML5830的微波發射電路，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是發射數據輸入端。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，VTUNE是VCO 的調諧電壓輸入的鎖相環環路濾波器，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送入的數字信號經篩選后，被送到ML5830內集成的ASK調制器進行調制，經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進行數據交換。

　　圖5是ETC系統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。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，則具有反向電路功能。放大后的數據被送往嵌入式系統STM32F205構成的MCU進行處理。另有14kHz濾波電路對解調信號進行篩選，送RF喚醒模塊產生喚醒信號，激活電源管理模塊，進而喚醒OBU設備開始收費交易過程。 

　　3 結束語 

　　OBU和RSU穩定可靠的工作是ETC系統的重要保障。本文根據ETC系統的需求，選用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F205芯片和主要用于ETC系統的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工作穩定可靠，交易短(整個交易時間約200 ms)、功耗低，完全能滿足電子不停車收費系統的需求。