電子收費(fèi)系統(tǒng)——ETCppt課件

1、l電子收費(fèi)系統(tǒng)ETC電子收費(fèi)系統(tǒng)ETCOBU的硬件實(shí)現(xiàn)1、ETC系統(tǒng)的研究目的及意義l電子收費(fèi)是通過(guò)設(shè)置在收費(fèi)站的天線與通行車輛的車載裝置之間實(shí)現(xiàn)通信與數(shù)據(jù)交換，自動(dòng)接收發(fā)送有關(guān)支付通行費(fèi)信息的系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)，通行車輛不必在收費(fèi)站停車?yán)U費(fèi)即可通過(guò)，從而增大了收費(fèi)站的處理能力。電子收費(fèi)優(yōu)勢(shì)明顯，它將徹底改變目前半自動(dòng)收費(fèi)的窘迫現(xiàn)狀。1、ETC系統(tǒng)的研究目的及意義lETC的優(yōu)點(diǎn)是：l（1方便客戶長(zhǎng)途旅行l(wèi)（2提高收費(fèi)車道通過(guò)率l（3提高管理效率l（4費(fèi)額流失減少l（5節(jié)約能源l（6改善收費(fèi)站環(huán)境2、OBU的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀lETC目前在世界主流的工作頻段都是5.8GHz，從通行速率來(lái)說(shuō)日本最高，中

2、國(guó)其次，歐洲稍微差一些。美國(guó)使用“915MHz頻率通行速率就非常低。l1988年美國(guó)Lincon隧道首開(kāi)不停車收費(fèi)系統(tǒng)，截至2019年,美國(guó)已有11個(gè)州的21條高速公路收費(fèi)機(jī)構(gòu)聯(lián)合成立了IAG組織,并已安裝了3211條ETC車道,日交易量已超過(guò)了300萬(wàn)筆。l在日本從2019年開(kāi)始，大約有40萬(wàn)輛汽車配備了ETC終端。僅用半年時(shí)間就超過(guò)了投入使用后前17個(gè)月的總銷量，累計(jì)達(dá)到100萬(wàn)臺(tái)?！叭毡镜缆饭珗F(tuán)在內(nèi)的三家道路公團(tuán)，在2019年12月的使用率還不足1%，而2019.7.4已達(dá)到6.8%，即每15輛汽車中就有一輛使用ETC終端。到 2019年ETC的利用率達(dá)到70%。l國(guó)際上，歐洲ETC市場(chǎng)

3、總計(jì)900萬(wàn)用戶，1萬(wàn)條ETC車道；日本有2000萬(wàn)用戶。2、OBU的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀l我國(guó)從2019年6月開(kāi)始交通部組織開(kāi)展了“網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下ETC系統(tǒng)研究與應(yīng)用推廣行業(yè)聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目研究。到2019年底，我國(guó)ETC系統(tǒng)的實(shí)施取得了一定進(jìn)展，有多個(gè)示范點(diǎn)的工程己經(jīng)開(kāi)始了試運(yùn)行。目前全國(guó)已有15個(gè)省市開(kāi)通ETC系統(tǒng)，不停車收費(fèi)車道達(dá)到1300多條。除京津冀地區(qū)外，不停車聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的另一大試點(diǎn)區(qū)域是長(zhǎng)三角地區(qū)。目前，上海、江蘇、江西、安徽四省市已實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽一卡通，2019年年底浙江也將加入這一聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。3、ETC系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)lETC系統(tǒng)是利用微波技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、傳

4、感技術(shù)、圖象識(shí)別技術(shù)等高新技術(shù)的設(shè)備和軟件(包括管理)所組成的先進(jìn)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)車輛無(wú)需停車即可自動(dòng)收取道路通行費(fèi)用。3、ETC系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖1 ETC系統(tǒng)組成圖4、ETC系統(tǒng)所用的技術(shù)l在ETC系統(tǒng)中涉及到的主要技術(shù)是射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification。簡(jiǎn)稱RFID) ，由于微波透入性強(qiáng)，可以穿透濃霧，雨滴，風(fēng)沙等，安全可靠性高、高速、壽命長(zhǎng)、工作距離遠(yuǎn)，適合于車輛全天候，惡劣環(huán)境條件下工作，因此自從微波/射頻識(shí)別技術(shù)出現(xiàn)后，采用該技術(shù)的車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)已成為ETC系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)和主流。除了用于收費(fèi)以外，射頻OBU的一些型號(hào)也可以用于路車通訊 (VRC

5、)。這一技術(shù)允許裝備讀出器/顯示器的OBU向駕駛者通告有關(guān)交通信息。RFID應(yīng)用于ETC系統(tǒng)中有以下主要特點(diǎn)：4.1、RFID應(yīng)用于ETC系統(tǒng)中的主要特點(diǎn)l1、不接觸操作，允許汽車不用停車以正常速度(120160Km/h)行駛通過(guò)收費(fèi)站，加快了收費(fèi)速度，避免了車輛堵塞。l2、無(wú)磨損、防水、防潮、防塵、防污等的能力強(qiáng)，延長(zhǎng)了系統(tǒng)使用壽命，降低了系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用。l3、能防偽、防毀，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)編碼、加密進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。l4、無(wú)紙交易，統(tǒng)一收費(fèi)，避免了亂收費(fèi)和其它舞弊現(xiàn)象，為今后智能公路車輛管理系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。l5、微波透入性強(qiáng)，適合全天候工作。5、OBU的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)lOBU

6、是一種具有微波通信功能和信息存儲(chǔ)功能的移動(dòng)識(shí)別設(shè)備。研發(fā)OBU最主要的難點(diǎn)就是高性價(jià)比硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。5.1、OBU總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)圖2 OBU系統(tǒng)構(gòu)架圖5.1、OBU總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)l在OBU中，射頻系統(tǒng)(RFS)主要利用DSRC，實(shí)現(xiàn)與路側(cè)設(shè)備(RSU)之間的信息交互;基帶系統(tǒng)(BDS)首先實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)的控制，并完成對(duì)高頻卡或IC卡的讀寫(xiě)功能，以及實(shí)現(xiàn)DSRC的協(xié)議層，并作為前、反向射頻鏈路的輸入和輸出，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)ETC交易的顯示與指示;電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)OBU的超低功耗休眠，并能響應(yīng)其電源控制模塊的觸發(fā)，接受基帶系統(tǒng)的基本控制，并進(jìn)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)OBU的供電。5.2、電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

7、l在OBU的設(shè)計(jì)中，由于電源系統(tǒng)的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)很大程度上影響與決定了OBU關(guān)鍵器件的選型以及功能電路的架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)，從而決定了OBU的成本和市場(chǎng)特性，因此高性價(jià)比的電源系統(tǒng)便是OBU設(shè)計(jì)的最主要難點(diǎn)之一。5.2、電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)l現(xiàn)有的OBU供電方式一般有兩種，一是使用汽車的DC電源接口供電，另一種是利用不可重復(fù)充電的鋰電一亞硫酸氯電池供電。前一種方法能夠提供很充足的電能，但不同汽車的DC電源接口并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這給消費(fèi)者帶來(lái)很大的不便。第二種供電方法使OBU完全脫離對(duì)汽車電源的依賴性，但也存在眾多問(wèn)題：l 1、電池利用率不高l 2、帶負(fù)載能力差l 3、靜態(tài)電流過(guò)大5.2、電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)l汽車在公

8、路上行駛的整個(gè)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)收費(fèi)站的時(shí)間非常短，只需要OBU在汽車經(jīng)過(guò)收費(fèi)站時(shí)工作，而且工作時(shí)間僅幾秒鐘，其他絕大部分時(shí)間都不需要工作，因此智能電源管理模塊將控制OBU工作在兩種模式，睡眠模式(真正意義上的低功耗)和激活模式，即收費(fèi)時(shí)喚醒，交易完成后馬上進(jìn)入睡眠狀態(tài)。圖3 電源管理模塊框圖5.3、基帶系統(tǒng)的與設(shè)計(jì)l基帶系統(tǒng)由MCU最小系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)觸發(fā)和電源控制電路模塊和對(duì)外接口模塊三部分組成，其具體架構(gòu)框圖如圖4所示圖4基帶系統(tǒng)的具體架構(gòu)5.3.1、MCU最小系統(tǒng)完成如下功能l1)通過(guò)IO口與外部觸發(fā)電路相連，利用外部中斷來(lái)響應(yīng)和處理外部事件。l2)通過(guò)IO口與電源控制模塊相連，來(lái)控制電池供電的通

9、與斷，達(dá)到工作狀態(tài)與“省電休眠狀態(tài)之間的切換。l3)通過(guò) IO口連接蜂鳴器和發(fā)光二極管完成對(duì)交易結(jié)果進(jìn)行指示。l4)通過(guò)內(nèi)部FLASH分區(qū)來(lái)存儲(chǔ)車輛基本信息。l5)通過(guò)SPI接口與字符LCD顯示器相連，完成交易信息的顯示。l6)通過(guò)其UART模塊，直接采用一個(gè)MiniUSB連接器外引，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的連接和通信。l7)通過(guò)IO口模擬相應(yīng)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)智能卡的讀寫(xiě)功能，完成對(duì)接觸式智能IC卡的讀寫(xiě)。l8)通過(guò)IO口模擬相應(yīng)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻卡的讀寫(xiě)功能，完成對(duì)非接觸式智能IC卡的讀寫(xiě)。l9)通過(guò)IO口模擬相應(yīng)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)ESAM的讀功能，完成對(duì)ESAM信息的讀取。l10)DSRC協(xié)議的MAC層以及部分物理

10、層功能由MCU實(shí)現(xiàn)。l11)MCU與射頻功能電路之間通過(guò)FO和比較/計(jì)數(shù)器或ADC進(jìn)行接口，作為前、反向射頻鏈路的輸入和輸出l根據(jù)上述對(duì)電源系統(tǒng)的詳細(xì)研究和具體實(shí)現(xiàn)，則MCU最小系統(tǒng)必須滿足小體積、超低靜態(tài)功耗、低成本等市場(chǎng)和技術(shù)需求，且根據(jù)MCU最小系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，則選取TI的超低功耗的MSP430單片機(jī)作為該MCU最小系統(tǒng)的核心處理器，且該MCU價(jià)格還較便宜5.3.2、監(jiān)測(cè)觸發(fā)和電源控制電路的設(shè)計(jì)l監(jiān)測(cè)觸發(fā)和電源控制電路模塊包括防拆卸檢測(cè)、插卡檢測(cè)、射頻喚醒等觸發(fā)電路以及電源控制電路，實(shí)現(xiàn)把外部觸發(fā)事件實(shí)時(shí)反饋給MCU和接受MCU對(duì)系統(tǒng)各功能模塊的電源控制。l智能卡插卡觸發(fā)電路及防拆卸觸發(fā)

11、電路實(shí)現(xiàn)把感應(yīng)的外部信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路，然后通過(guò)MCU的IO產(chǎn)生外部中斷，進(jìn)行相應(yīng)處理，并控制電源電路，給相應(yīng)模塊供電，讓其工作。而射頻喚醒監(jiān)測(cè)觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)把射頻喚醒接收電路的輸入信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，然后通過(guò)MCU。l電源控制電路實(shí)現(xiàn)射頻喚醒等監(jiān)測(cè)觸發(fā)電路的實(shí)時(shí)響應(yīng)，接受并執(zhí)行MCU的控制命令，對(duì)相應(yīng)模塊的供電進(jìn)行操作，與MCU共同實(shí)現(xiàn)OBU工作狀態(tài)與休眠狀態(tài)的切換。5.3.3、對(duì)外接口模塊的設(shè)計(jì)l在OBU系統(tǒng)中存在多種對(duì)外接口模塊，其中包括：UART接口、lC讀寫(xiě)接口以及指示燈接口，還有防拆卸接口和LCD顯示屏以及聲光指示接口。lUART接口由MCU的UART實(shí)現(xiàn)，物理形式上使用一個(gè)MiniUS

12、B的對(duì)外接口。l智能卡讀寫(xiě)接口模塊包括IC卡匹配電路和IC卡插座，其實(shí)現(xiàn)智能IC卡與OBU之間高速、可靠的信息交互。另外智能IC卡的時(shí)鐘采用MCU的時(shí)鐘電路分頻得到。lC卡插座是雙界面智能卡的接觸式安裝座，其實(shí)現(xiàn)雙界面智能卡與智能卡匹配電路的物理的電氣接觸，并且具備插卡觸發(fā)開(kāi)關(guān)；從而對(duì)智能卡的插入和拔出，給出外部觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制相關(guān)電路的動(dòng)作。5.3.3、對(duì)外接口模塊的設(shè)計(jì)l防拆卸接口采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)結(jié)合MCU，實(shí)現(xiàn)OBU的防拆卸功能，以微動(dòng)開(kāi)關(guān)對(duì)外接口。lLCD顯示屏實(shí)現(xiàn)顯示交易信息和其它信息，以圖形LCD對(duì)外接口。l為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，降低功耗，OBU的指示燈不再采用獨(dú)立指示燈子卡的形式，

13、可采用長(zhǎng)腳直插LED直接引出，或主板PCB上采用貼片LED，然后通過(guò)導(dǎo)光柱引出殼體的方式。6、射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)l在超低功耗的靜態(tài)模式下，必須確保OBU能夠被RSU喚醒，即應(yīng)該保證在OBU靜態(tài)模式下，其能夠接受RSU的5.8GHz的射頻信號(hào)。則OBU必須存在低功耗模式下的射頻喚醒信號(hào)的接收鏈路。故OBU的射頻系統(tǒng)存在以下3條鏈路6、射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖5 射頻喚醒信號(hào)接收鏈路圖6 射頻反向接收鏈路圖7 射頻前向發(fā)射鏈路6.1、射頻喚醒信號(hào)接收鏈路的設(shè)計(jì)l喚醒信號(hào)接收鏈路主要用于接收來(lái)自RSU的喚醒信號(hào)以觸發(fā)OBU進(jìn)入工作模式。lOBU在省電模式時(shí)，只有喚醒電路處于正常工作狀態(tài)，MCU處于睡眠狀態(tài)，其它

14、部分的電路均處于掉電狀態(tài)，以此來(lái)達(dá)到省電的效果。當(dāng)OBU接收到RSU發(fā)出的喚醒信號(hào)后，喚醒電路能夠正常接收此信號(hào)并進(jìn)行放大，該信號(hào)用來(lái)喚醒MCU，隨后由MCU來(lái)控制OBU各部分電路的電源，進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。6.2、射頻反向接收鏈路的設(shè)計(jì)l數(shù)據(jù)信號(hào)的射頻接收鏈路與喚醒信號(hào)鏈路共用一個(gè)檢波二極管，不同之處在于，當(dāng)MCU喚醒后會(huì)打開(kāi)控制檢波二極管偏置電流的開(kāi)關(guān)，此時(shí)偏置電流增加到5 左右，可以提高二極管的檢波靈敏度。l由于喚醒信號(hào)的頻率為14KHz，數(shù)據(jù)信號(hào)的頻率為500KHz，并且由于三極管的特征頻率在靜態(tài)電流比較小的情況下下降很大，因此不能夠用喚醒信號(hào)的放大電路對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行放大，需要單獨(dú)采用一條放大鏈路，而該放大鏈路只有在MCU被喚醒后才會(huì)處于工作狀態(tài)A6.2、射頻反向接收鏈路的設(shè)計(jì)l數(shù)據(jù)信號(hào)放大電路采用(兩級(jí))三極管差分放大電路加比較器的結(jié)構(gòu)，因此能夠有效的抑制溫度漂移，該電路的比較器速度比喚醒電路比較器快，以滿足信號(hào)速率的要求，但是功耗也相對(duì)較大。數(shù)據(jù)接收鏈路的結(jié)構(gòu)