毕业设计（论文）-ETC(电子收费)车载单元的研究.doc

装订线ETC(电子收费)车载单元的研究摘 要电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection，简称ETC)是智能交通系统(ITS)的主要服务内容之一，是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于公路大桥和隧道的电子自动收费系统。它主要是利用安装在路桥收费站车道上的路边单元与安装在车辆上电子标签进行相互无线通信和信息交换，以达到对车辆的自动识别，并自动从该用户的专用帐号中扣除通行费，从而实现电子收费。由于其独特的优点，ETC系统必将在未来的工ITS中发挥举足轻重的作用.为了设计出基于5.8GHz的车载单元（OBU），进而推动我国整个ETC行业的发展，我采用了由硬件到软件，由核心MCU再扩展到外设电路的设计方法，首先通过调查明确了自己所设计的OBU要达到的性能指标，然后我根据这些指标选择了基于ST71x系列的MCU作为本课题的硬件开发平台，完成的电路系统的总体架构与各个单元模块的设计，经过了软件设计与分析，证明了该系统能够与RSU进行信息交换，该结论对以后OBU的产品化有着重要的意义.关键词:智能交通系统，电子费用收集，专用短程通信协议，车载设备 AbstractETC(Electronic Toll Collection)，as one of the Services of ITS(IntelligentTransportSystem)，is a kind of electronic automatic charge system that is used by high ways，bridges and tunnels. People are trying hard To explore and spread it. It can automatically identify the vehicles and electronic toll by the wireless communication and information exchange between the roadside unit fixed on the roadway and on the bus unit fixed on the vehicle. Because of its advantages，ETC has obtained more attentions and will represent its action to the ITS in the future.In order to design a vehicle based on the 5.8 GHz units (OBU), thus promoting Chinas entire ETC the development of the industry, I used by the hardware to software, from the core MCU further extended to the peripheral circuit design, first of all through his investigation clear OBU designed to achieve the performance targets, and then I choose based on these indicators based on the ST71x series of MCU as the subject of hardware development platforms, to complete the circuit system and the overall structure of the various modules of the design, after the software design and analysis To prove that the system can exchange information with the RSU, after the conclusion of the products of the OBU is of important significance.目 录第一章 绪论11.1 背景概述11.2 ETC在实际中的应用11.3 软硬件开发平台简介31.4 本论文的主要工作和研究目标3第二章 电子不停车收费系统(ETC)概述52.1系统工作原理52.2 各功能模块的描述62.3 关键技术及技术难点8第三章 OBU硬件设计103.1电路系统总体架构103.2电路各功能模块的设计113.2.1 MCU模块的设计113.2.2 电源管理电路单元的设计113.2.3 非接触式IC卡接口模块单元的设计123.2.4 壳体开启监测电路的设计133.2.5 电池电压监测电路的设计143.2.6 人机接口电路的设计153.2.7 DSRC协议芯片的实现16第四章 MCU编程实现204.1 MCU对物理层操作204.2 MCU对数据链接层的操作224.3 MCU对应用层的操作23结论30致谢31主要参考文献32共 3 页 第 3 页第一章 绪论1.1 背景概述近年来，我国的高速公路建设蓬勃开展，通车里程不断增加，在一些经济较发达的地区，路网格局已基本形成。在“贷款修路”的前提下，必然需要在高速公路设立收费站收费还贷。随之而来的是下列问题： 人工收费方式效率低下，造成收费站交通堵塞和环境污染问题，给政府和公路部门带来巨大压力。由于人工收费流程复杂、效率低下，限制了车辆的通行速度，使收费站成为制约高速公路通行能力充分发挥的瓶颈。在主线收费站和一些车流量大的匝道站，经常出现交通拥挤甚至交通堵塞，与高速公路高速、快捷的形象极不相符。各路段的独立收费使收费站过多过密的问题越来越严重，给社会造成公路部门到处设点收费的恶劣印象；停车次数增多，汽车尾气和噪声严重，影响环境质量。这些问题使广大用户非常不满，给社会留下恶劣印象，也给政府和公路部门带来巨大压力。 人工现金收费方式存在弊端，使企业运营成本增加，给用户带来不便。人工现金收费存在的一些弊端，如现金的错收、漏收、误收（假币），带来复杂的现金管理，造成运营成本增加，降低了企业经济效益。同时，携带现金缴费也给用户带来种种不便。因此，路桥企业和用户都迫切需要安全、准确、快捷的非现金收费方式。从90年代中期起，国内部分地区开始陆续引进ETC系统以解决人工收费方式的不足ETC(Electronic Toll Collection)系统是国际上正在努力发展并推广普及的一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。其采用电子、通信、信息处理等多种技术手段使得车辆在通过高速公路的出入口时与路边的设备进行信息交换，然后由后台的计费系统负责费率的计算以及收费处理，从而实现车道收费过程全自动化。目前国内己经在广东、北京、江苏等地部分开通了ETC系统，并且通过实践证明了ETC系统是安全、可靠、稳定、准确的.1.2 ETC在实际中的应用一. ETC在国外应用情况国际上，美国，欧洲、日奉很早就针对不停车收费系统中的研发枝术、工程实施、标准规范进行了深入研究，并向国际标准化组织提交了有关不停车收费标准的草案，欧洲和日本提出的标准较为成熟，获得了较广泛的厂商支持。但各发达国家在ETC技术推进和联网收费方面都经历了较为漫长的过程。在美国，电子不停车收费方式已经成为美国回收公路投资和养护费用的高效率手段，最著名的联网运行电子不停车收费系统是E-zPass系统。1997年7月，“E-Zpass”工程的最终运行方案开始付诸实施和运行。从E-Zpass系统开通起，ETC的交易量持续增长，截止1998年12月，仅经过1年半的时间，共计23条专用ETC车道的电子不停车收费网络就承担了整个月平均交易量的43%，高峰时段甚至达到5560。网络化运行的电子不停车收费系统效益和吸引力充分体现出来。E-ZPass系统采用了专用车道，混合车道两种模式，都有收费员值班。E-Zpass专用车道规定厂时速不超过5英里的限制，并有相应的标志牌提示，以便于给收费人员和道路使用者确保一个安全的收费环境。另外美国基本上是采用开放式收费制式构成的网络。葡萄牙的Via Varde电子收费系统可以算作欧洲具有代表意义的联网电子收费系统之一，由葡萄牙最大的公路运营商BRISA公司管理。收费系统采用封闭式和开放式相结合的模式。事实已证明，ViaVarde电子收费系统是既有利于道路使用者又有利于道路运营商的有 效收费手段。根据运营报表统计数据，人工收费车道(MIC)的平均通行能力为200辆小时，电子收费车道的平均通行能力为1500辆小时，1条ETC车道的通行能力是MIC车道通行能力的7倍。该ETC车道的显著特点是没有自动栏杆，车辆能以不低干80kmh的速度通行。如果没有Via Varde系统，运营公司将不得不多修建2000多条人工收费车道以解决收费拥堵问题。在日本，推进ITS被政府和企业提高到很高程度，其中就包括电子不停车收费。由于技术上的难度和协调问题，时至1999年才开始真正实施全国性的ETC网络建设，首先建成的是东京附近的首都圈ETC工程。在总结了有关经验后，从2000年开始大坂，名古屋等多条高速公路ETC建设，共计约100多个收费站，400多条ETC车道。按计划应该干2001年初投入运行，但由于联网调试上的难度，到目前为止仍在进行之中。日本采取的是接触式CPU卡加两片式电子标签和双ETC天线的方案，车道设双向打开的高速栏杆，无人职守，具有很高的安全性和车道通行能力，有完善的密钥扩散机制和电子标签发行流通体系，但车道系统投资和电子标签成本部很高，与我国的公众消费水平有较大差距，道路运营公司难以接受。尽管国外ETC系统运行很成功，具有一定特色，但有些技术特点和运营方法能否适合中国，需要结合我国道路使用者的行为特点深入评估分析。以车道部分为例，有专用车道、混合车道两种模式，有收费员值班管理和无人值班管理两种模式、有设高速栏杆和不设栏杆两种模式，有低速通行模式和高速通行模式。从违章逃费行为的处理看，有现场处理和图像抓拍事后处理两种模式。如果ETC运营模式不能很好地提供免停车快速通行服务，不能减少收费值班员，将无法体现出明显的吸引力，推广应用的前景将无疑受到影响。二. ETC在我国应用简介1996年10月，交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司就不停车收费系统进行了中日技术交流和现场演示会，与会各省交通厅及公路管理部门的领导和专家对此项技术表示了极大兴趣。1996年底，首都高速公路发展公司与美国Amtech公司在首都机场高速路进行了不停车收费试验。到1998年，广东省佛山市通达高技术实业公司引进美国TI公司的不停车收费设备，在佛山、顺德、南海等地建立了20余条不停车收费车道并投入使用，但是该系统工作在915MHz的频段，而该频段在中国已经分配给移动通信使用，并且与中国将采用的5.8GHz标准不符。为规范和促进不停车收费在国内的应用，交通部于1998年组织交通部公路科学研究所等有关单位开展网络环境下不停车收费系统的研究，对有关接口规范和技术指标给出了指导性意见，并在1999年组织北京、广东、江苏、四川的交通厅开展示范工程建设。同时，也计划在更多的省、市开展推广工作，以充分发挥网络不停车收费系统的优势。但是总的来说，国内公路ETC工作仍处于试验和探索阶段，个别路段正在进行试点，大范围和大规模的推广ETC，特别是联网运行，条件仍不具备。其主要原因是：交通量的需求不迫切；道路使用者的需求不迫切；现有的收费设施，尤其是收费广场和收费车道不能满足或适应ETC的需要；系统造价比较高，关键设备需要引进等.基于上述理由，各地区，各路段必须根据本地的具体情况，特别是道路使用者的需求，作好规划，逐步实施，切忌人云亦云，一哄而上。笔者认为，在现有的收费广场上设置ETC专用车道，形成MIC和ETC相结合的混合式收费模式不失为是一种比较适合我国国情的做法。1.3 软硬件开发平台简介1.硬件平台本课题选择的硬件开发平台是基于ST71x系列MCU的开发板。TI公司的STR 71x系列MCU是基于ARM7TDMI核的多功能微控制器，其主要的外设包括HDLC控制器，增强的中断控制器 (Enhanced Intermpt controller，即EIC)，功耗控制功能(即可进入低功耗状态)，以及从4KB至256KB大小的片内Rash(不同型号的芯片的片内提供了不同大小的Rash)等。从这些外设功能，以及芯片本身的处理能力来看，能满足本课题的需求，因此，就采用该系列芯片作为硬件开发平台。2.软件平台本课题的软件开发平台，主要是使用ARM公司提供的 ADS1.2为集成开发环境以及编译器，整个课题的软件都采用ARM的汇编语言编写,自行完成设计和实现。1.4 本论文的主要工作和研究目标1.主要工作本课题主要的工作是OBU硬件设计和MCU软件编程的设计与实现，包括学习、分析、研究DSRC协议，熟悉硬件平台特性，设计并实现OBU的系统架构以及DSRC协议芯片的实现.这套系统架构的设计和实现，参考了以往OBU的系统架构设计思想，结合ST71x系列MCU硬件开发平台的特性和能力，以及协议栈和应用的需求等各个因素设计而成。因此，本论文的重点之一就是介绍这套系统架构的设计。在完成了系统架构的硬件设计之后，就进入本论文的另一个重点部分，即对MCU编程实现了与RSU的通信，该部分主要包括射频、CPLD逻辑处理、MCU协议处理三部分，相互之间协调工作.2.研究目标本课题的研究目标是设计并实现OBU系统，然后在此基础上实现DSRC的数据链路层协议，并配合其他模块(例如底层HDLC驱动，上层DSRC应用层实现，以及ETC业务层实现)，最终完成可在实际ETC应用中使用的OBU设备。由于本课题的目标不是仅仅研究和模拟DSRC协议，而是要实现一个实际可用的版本，这其中就需要考虑很多因素。首先是硬件平台的筛，外设电路的设计。由于OBU为电池供电的车载设备，系统设计的时候要充分考虑功耗的因素。其次，整个系统软件架构的设计还需要综合考虑性能和功耗因素，同时，硬件和软件的开发也要兼顾上层易用性和整体的可靠性。 第二章 电子不停车收费系统(ETC)概述 一个 ETC系统由多个子系统组成，包括:自动车辆识别(AVI)系统、车辆分型系统(AVC)、逃费抓拍系统(VES)、其它外设系统等。其系统结构如下图所示： 车载设备 路边设备 结算中心 图2.1自动车型分类系统(AVC)是利用装在车道内和车道周围的各种传感器装置来测定通过车辆的类型，并与车载单元(OBU)存储的车型数据进行核对，防止故意交互OBU违章使用，保障电脑系统按照正确的车型实现收费。逃费抓拍系统(VES)用来抓拍那些未安装有效车载单元并冲闯不停车收费车道的汽车车牌照图像，用于确定逃费车主并通知其应交费用。对于高速不停车收费车道，逃费抓拍系统是必需的。对于低速不停车收费车道，也常常采用高速自动栏杆迫使违章车辆停下。自动车辆识别系统(AVI)使用安装在门架上或路侧的微波天线查询车载单元中存储的识别信息，如车载单元ID号码、车型、车主等信息，以辨别车辆是否可以通过不停车收费车道。自动车辆识别系统是构成不停车收费车道的最基本系统，通常由车载单元(On-Board Unit,简称OBU)、路旁单元(Road-Side Unit简称RSU)、车载单元编程器以及其它设备等组成。2.1系统工作原理 AVI作为 ETC中最基本的系统，通过其中RSU和OBU的多次发送/接收信息交互，完成车辆的不停车自动收费。同时，AVI系统取得的数据和AVC系统取得的数据进行比较，确定是否有故意交互OBU违章使用的情况。另外，如果出现车辆强行闯关等违章情况，通过VES系统，可以抓拍那些违章的车辆，供事后处理。在整个ET C系统中我们将重点进行AV工中RSU和OBU的开发。RSU/OBU系统结构如下所示 图2-2 RSU和OBU系统结构图它的工作情况如下:在每一辆汽车上安装一个由电子标签和IC卡组成的双片OBU，设置OBU使其能与RSU通信工作。当装有OBU的汽车接近RSU天线时，天线向其发射5.SG Hz微波信号。OBU接收该微波信号，经分析处理后将信息反馈回RSU天线。经过这样的RSU和OBU多次发送/接收信息交互后，ETC完成不停车自动收费。最后，RSU通过通信接口，将本次交易相关记录送交车道主机，并进行清分操作。2.2 各功能模块的描述 一OBU MCU模块作为整个单片机系统的中心，该模块利用MCU和固化到内部存储器的程序，控制配合各个外设，完成OBU的各项功能。 电源管理模块该模块生要进行整个。BU的电源管理，使。BU能以较低的功率土作，尤其在待机状态，功耗必须尽可能低。电源管理模块必须实现:OBU在不替换电池的情况下，工作时间必须在5年以上。 IC卡接口模块电子标签和IC卡配合成为双片式OBU，该模块主要处理与IC卡的通信接口，IC卡可以是接触式IC卡或非接触式IC卡，与它相对应，IC卡接口为接触式接口或非接触式接口。模拟电路模块OBU的模拟电路模块主要起以下两方面的作用:a.提供唤醒脉冲;考虑到功耗，整个OBU(包括MCU)平时处于待机状态，当装有OBU的车辆进入RSU的通信区域时，OBU需要唤醒进入正常工作状态，该模块的一个作用就是提供唤醒MCU的脉冲。b.进行5.8G 信号的调制与解调。当OBU接收RSU发出的命令时，该模块从微波天线接收5.8G Hz微波信号，解调恢复为基带信号后，经放大、处理后送OBU DSRC协议模块处理;当。BU应答命令时，该模块从OBUD SRC协议模块中获取数字信号，调制到5.8G Hz，最后送到微波天线发射出去。 DSRC协议处理模块该协 议处理模块主要进行ON 中的协议处理，体OBU能与RSU按DSRC标准进行相互通信。一方面，OBU要发送的原始数据需组建成符合DSRC标准的帧格式;另一方面，从RSU收到的原始数据需从帧中恢复出来，并交MCU处理。 人机接口模块作为一个消费类电子产品，OBU需要在交易过程/结束时给出一定的提示信息，告诉司机成功、出错等情况。该模块主要起到上述作用。5.8G O BU微波天线模块该模块主要起到收发5.8G Hz微波信号的作用。接收时，该模块从空间获取5.8G Hz微波信号，送5,8GO BU射频模块处理;发送时，该模块从5.8G O BU射频模块中获取信号，通过天线发散到空间，反射回RSU.二RSU 高性能MCU模块作为整个RSU系统的中心，该模块利用MCU和固化到内部存储器的程序，控制配合各个外设，完成RSU的各项功能。电源管理模块在与OBU通信过程中，RSU中5.8G Hz微波通信模块需要对小信号进行处理，尤其是必须处理OBU返回的微弱信号，如何减少干扰是保证RSU能够准确、有效地工作所必须考虑的一个因素。利用较高精度的直流稳压电源对它供电，可以有效地减少由于RSU自身电源带来的干扰。该电源模块可以输入直流或交流电源，经过内部转换，产生稳定的十/一12V, +/-5V, 3.3V, 3.6V等直流电源，供相关模块使用。安全模块OBU自进入RSU的通信区域，就要与RSU进行相互通信，涉及关键的数据需要两者相互认证。典型的做法是放置一个安全处理模块(SAM)到RSU中，利用SAM进行数据的加解密认证，确定交易双方或数据的合法性。与SAM卡的通信按照IS07816标准进行。 5.8GHz RSU射频模块在RSU端，进行5.8G 信号的调制与解调。当RSU接收OBU发出的应答时，该模块从5.8G R SU微波天线模块接收微波信号，解调恢复为基带信号后，经放大、处理后送DSRC协议处理及控制模块处理:当RSU发送命令时，该模块从DSRC协议处理及控制模块中获取数字信号，调制到5.8G Hz，最后送到5.8G R SU微波天线模块发射出去。 DSRC协议处理及控制模块该协议处理模块主要进行RSU中的协议处理，使RSU能与OBU按照DSRC标准进行相互通信。一方面，RSU要发送的原始数据需组建成符合DSRC标准的帧格式;另一方面，从OBU收到的原始数据需从帧中恢复出来，并交MCU处理。 存储器模块完成交易过程或交易结束后数据的存储。 PC通信接口模块完成RSU和车道控制器或主机的多种通信接口，包括:RS232, RS485网络接口及光纤接口等。通信方式、格式及波特率由上位机软件和RSUMCU共同约定。 5.8G 微波天线模块该模块主要起到收发5.8G Hz微波信号的作用。接收时，该模块从空间获取5.8G Hz微波信号，送5.8G HzR SU射频模块处理:发送时，该模块从5.8G HzR SU射频模块中获取基带信号，通过天线发散到空间，发射到RSU.2.3 关键技术及技术难点 RSU和OBU5 .8G Hz天线的实现 RSU和送和接收，积累不多，对RSU和OBU利用5.8G Hz微波信号进行相互通信需要利用天线进行信号的发包括RSU端的天线和OBU端的天线。目前，我们公司在这方面的技术而这 个项目要能顺利完成，天线设计是一个必须克服的技术关键点。OBU的天线而言，它们必须符合DSRC物理层的相关标准。 5.8GHz调制解调器(模块)的实现 RSU 和 OBU要发送信号，必须通过该调制解调器将基带信号调制到5.8G Hz频段而要接收信号，也必须通过该调制解调器将5.8G Hz微波信号恢复为基带信号。和天线一样，我们公司在5.8G Hz调制解调器(模块)方面的技术积累也不多。该模块在实现后，相关指标同样必须符合DSRC物理层标准 DSRC协议芯片的实现 DSRC 协 议处理芯片主要完成DSRC拓扑结构中数据链路层和物理层的部分工作。在数据链路层它着重处理MAC子层的工作，而LLC子层的工作由它配合MCU中的软件(固件)完成。利用该DSRC协议芯片发送和接收的基带信号，必须符合DSRC标准数据链路层和物理层的相关指标 OBU低功耗的实现 OBU 安 装 在交通车辆上，工作年限至少为5年。如何降低OBU的功率，尤其是待机状态下的功率是该项目必须考虑的一个问题。该关键技术将立足于公司项目组自主开发。采取多项措施实现电池超长工作时间的要求。 RSU和OBU安全、快速交易的实现 装有OBU的交通车辆以较快的速度经过RSU的通讯区域，对RSU和OBU的交易流程、处理速度等提出了较高的要求。该技术难点在实现时需兼顾考虑交易完整安全性和快速交易这两方面的要求。 第三章 OBU硬件设计3.1电路系统总体架构图3.1 OBU原理框图OBU系统由两部分组成，一部分为数字及13.56M低频电路，如上图中U1所示包括:电源模块，MCU，电源管理模块，DSRC协议处理芯片，电池电压监测电路，人机接口电路，壳体开启监测电路，非接触式IC卡接口模块，7816接口/13.56MRF天线和接触式/非接触式工C卡:另一部分为5.SGRF电路，包括:调制解调及唤醒模块5.8GRF天线(如上图中U2所示)。其中，U2部分是OBU同RSU进行通讯的媒介，实现5.8G微波电路的调制解调功能，按照DSRC通讯协议的物理层标准进行设计。3.2电路各功能模块的设计3.2.1 MCU模块的设计作为整个单片机系统的中心，该模块利用MCU和固化到内部存储器的程序，控制配合各个外设，完成OBU的各项功能.所以MCU的选型关系到OBU性能，为满足我们的系统需求，MCU需具备如下性能指标:1):不具有LCD:采用3个/2个LED表示OBU运行的不同状态，具备足够的驱动能力;最小能够带动2mA负载:2):能够满足同RSU通讯上的速度需求，8MIPS;3):能够满足低功耗设计的需求，几uA;4):能够满足RAM容it的需求，不小于512BYTE(发送和接收缓冲占用256BYTE);5);程序(FLASH)空间不小于32KBYTE(目前DSRC芯片已经占用约16K);6):具备电池电压监测功能，最好采用中断方式通知MCU电池电压不足，可采用SYS电路，比较器或AD转换器实现;7):AMCU具备低速时钟电路，可以在MCU处于低功耗模式期间工作，以便达到巧天对电池的去钝化功能;8):预留串行口，己备进一步OBU应用;对于能够满足上述需求的MCU,ST公司的ST71x系列, ST71x系列产品能够满足系统需求，目前我选用STR710作为MCU.3.2.2 电源管理电路单元的设计在OBU系统中，存在大电流负载:用于驱动非接触式IC卡工作的SHC1507芯片工作期间典型电流消耗为40-60mA,DSRC芯片典型电流消耗为5mA，接触式IC卡典型工作电流为20mA，蜂鸣器典型工作电流为15-20mA。对于这些大电流负载，如果采用电池电压3.6V直接供电，由于电池内阻的存在必然会导致大电流负载工作期间电压的波动和降低，更为重要的是将导致OBU功耗的增加，因为元器件功耗同他的供电电压成正比。为此，增加LDO元件用于电源管理。一方面，可以消除大电流负载期间的电源电压波动，另一方面可以降低LDO所控制器件的工作电压，从而降低其功率消耗。通过电池在80mA放电曲线上看，电池的绝大部分能量消耗在3.2V以上。另外LDO待机和下作期间的电流也是我们卜分关心的，因此OBU所采用的LDO需具备如下性能指标:1):至少一路3.OV电压输出;2):具备standby工作模式，和控制引脚。控制引脚高电平有电压输出;3):standby期间工作电流越小越好，最好不超过2uA;4):工作期间地电流越小越好，最好小于200uA;5):具有超低压差工作能力，100mA负载下压差不得超过200mV,最好在l00mv以内:6):快速的电压上升时间，电压上升时间不得超过lms，最好在200us以内:7):良好的纹波抑止能力，减轻LDO输入输出电容需求，使LDO输入输出电容采用瓷片电容便可胜任。3.2.3 非接触式IC卡接口模块单元的设计 通过对于接触式IC卡采用软件模拟7816接口的方式实现，具体电路如图3-2所示: 图3.2 7816接口电路图3.2中，对于接触式IC卡电源电路采用P-MOS管进行控制，P-MOS管的控制极接MCU输出口，当MCU输出低电平则P-MOS管导通。并且，为防止IC卡损坏或人为破坏等因素造成的电源、地线短路，在7816电源端口处串接可恢复保险丝进行保护。7816其余管脚连接到MCU的IO口，并在靠近7816接口处放置一ESD保护器件，以防止人体产生的ESD电压对OBU上器件的损坏。对于7816的时钟，采用MCU主时钟MCLK(8MHz)两分频后获得，方法是通过MCU软件设置时钟设置寄存器，将MCU的SMCLK时钟设置成主时钟MCLK的两分频，并输出给7816接口的时钟电路。同时，为检测IC卡插入，采用7816接口中的剩余专用检测引脚，并在对于MCU的中断输入处，设置低通滤波电路以防止干扰和抖动。对于非接触式IC卡与MCU的接口电路，采用SHC1507芯片实现，如图3.3所示: 图3.3 MCU与SHC1507接口电路图3.3所示，对于MCU同SHC1507的接口，采用地址数据复用总线的方式进行同样需要软件模拟，接口时序同图3.4一致。3.2.4 壳体开启监测电路的设计 通过壳体开启检测电路实现(如图3.4所示)，一:通过按键开关实现;二:通过光敏接收器件(如光敏三极管)实现。无论采用何方案，都将产生一中断请求信号该中断请求信号连接到MCU的P2.x或Pl.x。两种方法实现电路如图3.4所示: 3.4壳体开启检测电路实现方案两种方案，各有各自的优缺点，如下表所示:表3.2 壳体开启检测电路方案比较方案优点缺点A1:安装方便2:不易损坏1:灵敏度不是很高:通过调节限流电阻R1可以改变灵敏度，但可能存在着强光下误触发;2:安全性能不如B方案好:如果在足够黑的情况下开启OBU，则光敏器件便不会动作，例如对于Q-FREEOBU，我们试验测得如果在较暗的情况下打开，光敏器件B1:安全性能较A方案好:无论白天还是黑夜开启OBU均能够良好工作1:不便于安装;2:易于损坏: 3.2.5 电池电压监测电路的设计电池电压监测电路，根据不同型号的MCU，可以通过如下两种方案实现:一:通过比较器实现:二:通过AD转换器实现。方法如图3.5所示: 图3.5 电池电压监测实现方案图3.5方案A所示，采用比较器加以实现。其中，比较器借助于MCU内部模块电路，不外加。比较器的方向输入端提供比较参考电压，该电压的提取借助于MCU输出口和2.4V齐纳二极管加以实现。当MCU输出口输出高电平则通过齐纳二极管的限流，使齐纳二极管击穿，稳定2.4V输出，以实现参考电压的提供。注意，这里要适当地选择齐纳二极管和限流电阻，一方面要选择容差小于500,击穿电路小于3mA的器件，另一方面，限流电阻的选取要恰当地实现2.4V齐纳二极管的击穿需求。对于比较器的同相输入端，通过MCU的输出口输出高电平再经过Rl,R2分压后，作为电池电压的分压。这里，要注意R1,R2的选取，一方面要选用合适的分压比，分压比不同监测的电压就不同;另一方面要用注意Rl,R2电阻的选取，因为MCU存在50欧姆左右的输出电阻，因此RI,R2的值要远大于50欧姆，以使MCU的输出电阻不构成影响。OBU进入睡眠模式前，要将该MCU输出口拉低，使之无功率消耗。图4-8方案B所示，采用AD转换器加以实现。其中，AD转换器借助于MCU内部模块电路，不外加。AD转换器的参考电源采用MCU内部的2.5V参考源，通过软件选择。通过MCU的输出口输出高电平，再经过RI,R2分压后，作为电池电压的分压。这里，要注意RI,R2的选取，一方面要选用合适的分压比，分压比不同监测的电压就不同;另一方面要用注意Rl,R2电阻的选取，因为MCU存在50欧姆左右的输出电阻，因此Rl,R2的值要远大于50欧姆，以使MCU的输出电阻不构成影响。OBU进入睡眠模式前，要将该MCU输出口拉低，使之无功率消耗。3.2.6 人机接口电路的设计人机接口电路的实现通过两种方式，LED和蜂鸣器。如图3.6所示图3.6人机接口电路图3-6A所示，蜂鸣器驱动电路驱动期间采用PNP三极管实现，以降低成本。通过MCU的输出口输出低电平实现PNP三极管的饱和导通，对蜂鸣器电路进行供电。同时，对于蜂鸣器的电源输入出增加RC滤波，以减少电源波动造成的蜂鸣器误动作。图3-6B所示，LED的驱动采用MCU的输出口输出高电平实现.注意，MCU输出/输入口总的电流消耗不能超过6mA对于STR710芯片来讲，因此适当地选择R1,R2的值，以减少LED的驱动电流。3.2.7 DSRC协议芯片的实现DSRC协议转换芯片主要完成DSRC标准中的数据链路层和部分物理层功能，其中包括编码解码，调制解调(幅载波调制解调)，帧数据封包解包，CRC,MAC校验，随机数生成，加密解密等功能。其功能性框图如下:图3.7 DSRC芯片功能框图 其中，为尽可能地提高DSRC芯片同MCU的交互能力，DSRC芯片采用并行总线，8位/16可选的方式实现，并在数据收发期间采用32字节的FIFO作为MCU同DSRC芯片交互数据的缓冲，极大地提高了MCU和DSRC芯片数据交互的及时性当然这种电路对于MCU的实时性也提出了要求。在OBU的设计中，为简化OBU系统和减轻系统对MCU的需求，本文采用8位地址数据复用总线实现DSRC芯片和MCU的通讯。具体接口电路如图3.8所示: 3.8 MCU与DSRC接口电路表3.1 DSRC芯片接口说明应用接口符号接口说明ALE地址锁存允许信号。接mcu输出口。D7-DO地址数据复用总线，低8位。接mcu双向口，位比特对其。/WR写信号，低有效。接mcu输出口。/RD读信号，低有效。接mcu输出口。/CS片选信号，低有效。接mcu输出口。/AValid地址线(A3-AO)有效信号，低有效。接高电平，使A3-AO无效。对DSRC芯片的地址线采用ALE锁存地址数据复用总线D7-DO的方式实现。EnRSURSU芯片使能信号，高有效。接高电平，使该芯片作为OBU使用。/RST复位信号，低有效。接mcu输出口WS总线宽度选择信号，高电平为16位总线。接低电平，使工作于8位总线方式。/IRQDSRC芯片中断请求信号，低有效。接mcu输入口，注意这里必须接到mcu的P1和P2对应的管脚，否则不能引起mcu进入中断。未使用信号符号接口说明D15-D8数据总线高8位。由于目前DSRC芯片处理上的问题，当采用8位总线即WS为低电平期间，D15-D8状态随RD/WR状态而成输出/输入状态，为减少D15-D8在输入期间的干扰，D15-D8分别通过电阻拉高或拉低。A3-AO地址总线。由于目前采用地址数据总线复用的方式，因此A3-AO无效，可强制拉低。 DSRC芯片与微波电路的接口，采用TXD和RXD两个输入口。其中，TXD对应于DSRC芯片的调制输出端，连接到微波反射调试输入端;RXD对应于DSRC的输入端，连接到微波电路的解调输出端。OBU系统中我们选用ST公司STR710作为OBU系统的主控器，但该MCU并不具备外部总线接口，因此对于DSRC芯片的访问需借助于软件模拟。在编写软件时，需注意满足图5.4所示的接口电路时序: 图3.9 MCU接口时序 第四章 MCU编程实现4.1 MCU对物理层操作 MCU对物理层操作的流程如图4.1所示 图4.1 MCU对物理层的操作 程序开始，MCU对内部的寄存器，相关的存储单元，相关变量进行初始化操作，关键的操作如下:DATA EQU PO; 数据输入BIT_C EQU P1.0: 位同步检测FRAM_C EQU P1.1: 帧同步检测BItS EQU P1.2: 位同步BYTEesS EQU P1.3; 字节同步SYNC EQU P1.4; 同步控制FRAM-LENGTH EQU 08HFRAMJYPE EQU 09HLIDLENGTH EQU OAHBUFF-MAC EQU OBHBUF几LLC EQU OCHBUFF_PDU EQU ODHBUFFA BIT OOHBUFFC BIT 01H位同步信号的接收MCU初始化完成后，进入接收数据状态，由于接收的串行码流主要由CPLD来进行，所以MCU只对CPLD的位同步使能进行控制，并随时检测CPLD是否捕获RSU下行的前导序列01010101，即是否与RSU下行的数据进行同步。如果未同步CPLD将持续搜索，如果同步成功，MCU将被触发，U进入即将接收数据状态，同时将同步使能关闭。在CPLD检测到帧头信息后，向MCU提供帧同步信号和字节同步信号，MCU接着开始接收数据，将数据放入BUFF-RECE工VE(n)中，并统计接收数据的长度FRAM-LENTH。直到CPLD再次检测到帧同步信号，即帧尾时，MCU认为信息接收完成，将进入下一步的操作，进行帧有效性的判断。帧有效性的判断在CPLD检测帧尾信号的同时，MCU也进行相关的帧有效性的检测，即当AM-LENTH大子DSRC协议规定的长度或者帧尾信息和字节同步信息不同时出现时，也就是FRAM-LENTH不为整数时，MCU将此次接收数据判定为无效数据.一帧数据被完整接收后，MCU将进行算法级和协议级的判断，即进行数据的CRC校验和LID及MAC的合法性判断。经过如上的判定后，MCU才将接收到的正确数据进行下一步处理。数据CRC校验MOV DPTR,BUFFRECEIVE;MOV R3,FRAMLENGTH;DEC R3；DEC R3；DEC R3；DEC R3；DEC R3；PRO_DATA_CRC:INC DPTR,:MOVX A,DPTR;MOV R2,A;LCALL CRC16;DJNZ R3,PRO_DATA_CRC;INC DPTR;MOM A,DPTR;CJNEA, RO,RESE几以TA;INC DPTR;MOVX A,DPTR;CJNE A,R1,RESETDATA;数据的类型的判断MCU在对接收到的正确数据进行有效性判断之后，将再对数据的类型进行断。首先是对LID信息的提取，之后进行MAC数据的处理，再后进行LLC数据的处理，最后进入应用层协议的处理。如图4-3所示.在进行LID信息处理时，MCU首先根据DSRC协议对LID字段的规定，判断LID的每一个字节的最后一位信息是否为.1?，如果为，1”则LID字段结束，如该信息之前的信息为LID信息，且在只有一个字节的情况下，前七位为1111111?，那么此信息为广播信息，本帧数据为BST信息;如果不是，1111111那么此帧信息为多点传输信息，另做处理;如果LID的字段为多个字节，本LID将为一个私有LID信息。本段的主要的作用提取相关的FRAM-TYPE,BUFF-LID(n)和LID-LENTH信息。4.2 MCU对数据链接层的操作MAC处理部分MCU进入到MAC字段的处理，即进入了DSRC协议中数据链路层的协议处理阶段。DSRC协议中在MAC字段中规定本帧信息是否包括LPDU信息，即应用层信息、本帧信息的传输流向、链路是否进行时窗分配、及链路时窗的分配等情况。在进行以上处理的时候，MCU根据上一步LID字段处理过程中提取出来的LID-LENTH信息，将从数据中提取出MAC字段信息放入BUFF-MAC中，而后按照DSRC协议的规定，对BUFF-MAC中的每个有效的相关位进行提取、分析。其中主要进行的操作包括:对BUFF-MAC.7即MAC中L字段进行提取，判断数据中是否存在LPDU信息:对BUFF-MAC.5即MAC中A字段进行提取，判断RSU是否为本OBU分配了上行链路窗;对BUFF-MAC.3即MAC中S字段进行提取，判断此次的时窗分配是否为第一次分配，如果是重复分配则OBU将重发上一帧信息 LLC处理部分OBU在完成对MAC字段的处理后，将按照DSRC协议规定根据MAC字段的具体情况对LLC字段的进行相关信息的提取。LLC字段主要为数据传输生成命令PDU和响应PDU，解释接收到的命令PDU和响应PDU，控制信号的内部交换，数据流的组织和数据的错误控制及错误恢复，并提交相应的状态给应用层 对LLC字段的处理，主要根据LID-LENTH信息提取相应的LLC字段放入BUFF-LLC中，但由于LLC的定义同MAC字段中的C/R字段的定义有很大的关系，因此MCU根据MAC字段中MAC.C/R字段的定义的不同进行相关的处理，如果C/R=0，则之后的处理按照LPDU是命令的方式进行处理:如果C/R=1,则之后的处理按照LPDU是响应的方式进行处理。根据LLC字段中的M字段、P/F字段，MCU分析出本帧信息是否为命令ACN或响应ACN，并向应用层提供相关的服务请求原语。4.3 MCU对应用层的操作应用处理阶段 图4.2 应用层处理部分 MCU经过数据链路层的处理之后即进入到DSRC协议规定的数据应用层的处理阶段。本阶段主要根据RSU下发的信息中所携带的T-APDU信息区分RSU下发的信息中服务