（计算机科学与技术专业论文）智能车载终端dsrc协议的研究与实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明 m 洲洲1 4 i y 17 5 8 8 0 7 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：互当啦 日期：私4 虹i 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 厶 本人签名：鞋业辜 日期：丝211 三：! ! 导师签名：日期：型! ! ：至：! 竺 随着物流业的发展和私家车的增多，交通拥堵等问题随之而来， 传统的停车收费成了公路交通的瓶颈。作为智能交通系统重要组成部 分的电子不停车收费系统明显的缩短车辆通过收费站的时间，有效缓 解交通压力，因此成为解决这一问题的有效方案。国家为了统一e t c 系统标准，提高系统兼容性，实现区域不停车收费，于2 0 0 7 年5 月 制订了电子收费专用短程通信国家标准。虽然国内一部分地区已经开 通了遵循国家标准的e t c 系统，但是由于车载单元成本较高以及功 能单一，致使e t c 系统并没有得到大规模的应用。为降低成本，论 文在一般的智能车载终端实现了不停车收费功能，由于其功能多样， 将有助于e t c 系统的普及。 论文围绕智能车载终端d s r c 协议的研究与实现这一课题展开， 在针对现有e t c 系统和d s r c 协议深入研究的基础上，设计并实现 了智能车载终端d s r c 协议的数据链路层。 论文首先讨论了i t s 和e t c 系统的研究目的和意义，概括介绍 了e t c 系统的构成、原理、用到的技术和国内外发展情况。其次详 细论述了智能车载终端软硬件平台选型、开发环境的建立以及其他应 用软件的集成。接着重点研究了d s r c 协议，与欧洲标准进行了对比， 基于s d l 形式化地描述了d s r c 协议，并画出了数据链路层的状态 机。最后基于f r e e s c a l e 公司的a d s 5 1 2 1 0 1 评估板和嵌入式l i n u x 系 统实现了满足国标的d s r c 协议的数据链路层功能，经测试验证了该 方案的可行性。 关键词：不停车收费电子收费国家标准数据链路层s d l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl o g i s t i c sa n dt h ei n c r e m e n to fp r i v a t ec a r s ，t r a f f i cg e t s w o r s ea n dt o l lb yb r a k i n gb e c o m e sab o t t l e n e c k a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ( i t s ) ，e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ( e t c ) s y s t e mo b v i o u s l y s h o r t e n st h et i m eo fv e h i c l et h r o u g ht h et o l l s t a t i o n ，e f f e c t i v e l y a l l e v i a t et r a f f i c p r e s s u r e t h e r e b y ，e t ci sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt os o l v et h i sp r o b l e m t os t a n d a r d i z e t h ee t cs y s t e ma n dm a k ei t c o m p a t i b l ea n dn e t w o r k i n g ，g o v e r n m e n te s t a b l i s h e d n a t i o n a ls t a n d a r dn a m e d“e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n d e d i c a t e ds h o r tr a n g e c o m m u n i c a t i o n ”i nm a y2 0 0 7 a l t h o u g he t cs y s t e mr u n si np a r t so fc h i n a ，af e w p e o p l eu s ei tb e c a u s ei ti sd e a ra n ds i n g l ef u n c t i o n t h i sp a p e ra d d se t c f u n c t i o ni n g e n e r a lg p sd e v i c es ot h a tm o r ea n dm o r ep e o p l ew i l lu s e i t t h i sp a p e rf o c u so nr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n tv e h i c l et e r m i n a l a n dd s r cp r o t o c 0 1 b a s e do nd e e pr e s e a r c ho fe x i s t i n ge t ca n dd s r c ，t h i sp a p e r d e s i g na n di m p l e m e n td a t a l i n kl a y e ro fd s r c i ni n t e l l i g e n tv e h i c l et e r m i n a l t h i sp a p e rf i r s t l yd i s c u s s e sp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fi t sa n de t c ，g i v ea n o v e r v i e wo fc o m p o n e n t s ，p r i n c i p l e ，t e c h n i q u ea n dd e v e l o p m e n to fe t c s e c o n d l y ， s o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r m c h o o s i n g ，d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tb u i l d i n ga n d i n t e g r a t i o nw i t ho t h e rs o f t w a r ea r ei n t r o d u c e da b o u ti n t e l l i g e n tv e h i c l et e r m i n a l t h i r d l y ，t h ed s r cp r o t o c o li sd e m o n s t r a t e d ，c o m p a r e dw i t he u r o p e a nd s r cs t a n d a r d ， d e s c r i b e df o r m a l l yw i t hs d la n dt h eh n i t es t a t em a c h i n eo fi t sd a t a l i n kl a y e ri s d r e w f i n a l l y ，t h i sp a p e ri m p l e m e n tt h ed a t a l i n kl a y e rf u n c t i o no fd s r cp r o t o c o lo n t h ef r e e s c a l ea d s 5 1 2 1 0 1b o a r da n de m b e d d e dl i n u xa n dt h ed e s i g np l a ni sp r o v e d t ob ef e a s i b l eb yt e s t i n g k e yw o r d s ：e t cd s r cd a t a l i n kl a y e rs d l 北京邮i u 人学硕i j 学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 背景概述1 1 1 1智能交通系统和电子不停车收费系统1 1 1 2 e t c 系统研究目的和意义2 1 2e t c 系统国内外发展情况2 1 2 1国外发展情况2 1 2 2 国内发展情况3 1 3e t c 系统简介4 1 3 1 e t c 系统构成和原理4 1 3 2e t c 系统所用到的技术5 1 4 论文研究内容及结构6 第二章智能车载终端8 2 1 软硬件平台的选择8 2 1 1 a d s 5 12 1 0 1 硬件平台8 2 1 2d s r c 物理层芯片1 l 2 1 3 系统软件环境1 2 2 2 开发环境的建立1 6 2 2 1交叉编译调试环境1 6 2 2 3dir e c t f b 和g t k + 的移植1 9 2 。3 其他应用软件及智能车载终端体系架构1 9 2 3 1j a v a 虚拟机和音视频播放器的移植1 9 2 3 2 智能车载终端体系架构2 0 第三章d s r c 协议2 1 3 1国外d s r c 协议标准2 1 3 2 d s r c 国家标准2 2 3 2 1d s r c 国家标准概述2 2 3 2 2 物理层2 3 3 2 3 数据链路层2 5 3 2 4m a c 子层2 8 3 2 5l l c 子层2 9 3 2 6 应用层3 4 3 2 7 设备应用3 6 3 3 国标与欧标的比较3 7 3 3 1物理层比较分析3 7 3 3 2 数据链路层比较分析3 8 3 3 3 应用层比较分析3 9 3 3 4 应用规范比较分析3 9 北京邮电人学烦i ：学位论义 第四章d s r c 协议设计与实现4 1 4 1d s r c 协议s d l 描述4 1 4 1 1系统级描述4 2 4 1 2 模块级描述4 3 4 1 3 进程级描述4 6 4 2d s r c 数据链路层状态转移4 6 4 2 1m a c 子层状态转移4 6 4 2 。2l l c 子层类型1 操作状态转移4 6 4 2 3l l c 子层类型3 操作状态转移4 7 4 3d s r c 数据链路层的实现4 9 4 3 1系统概述5 0 4 3 2m a c 子层的实现5 2 4 3 3 l l c 子层的实现5 3 第五章测试与验证5 7 5 1 概述5 7 5 2 测试环境和方法5 7 5 3 测试内容5 8 5 3 1m a c 子层测试5 8 5 3 2l l c 子层测试5 9 5 4 测试结果及分析5 9 5 4 1m a c 子层测试结果及分析5 9 5 4 2l l c 子层测试结果及分析6 0 第六章总结与展望6 2 参考文献6 3 致谢6 5 作者攻读学位期间发表的学术论文目录6 6 行 虽 然政府每年都会修筑大量的各种级别的公路，但是现有的路网通行能力仍然满足 不了开益增长的交通量的需要，随之而来的是交通拥挤、交通堵塞、交通污染和 交通事故等，目前这些都引起了社会的普遍关注。然而经过长期、广泛的研究和 经验教训的证明，很多国家己决定从主要依靠修建更多的道路，扩大路网规模来 解决同益增长的交通需求，转移到利用电子、计算机、通信等现代高新技术来改 造现有道路运输系统及其管理体系，从而达到大幅度提高路网通行能力和服务质 量的目的。 1 1 1智能交通系统和电子不停车收费系统 随着经济的全球化，无论是发达国家还是发展中国家都承受着不断恶化的交 通：城市交通拥堵、交通事故频发、交通环境恶化、收费制式混乱、交通管理落 后以及能源短缺等。解决交通问题的传统办法是修建或扩建道路，但是随着人口 的增长以及城市人均居住面积日益减少，可供修建道路的空间也越来越少。同时 交通系统是一个复杂的综合性系统，单独从道路或车辆的角度来考虑都很难解决 交通问题，在这种背景下智能交通系统应运而型。 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，简称i t s ) 是未来交通系统的 发展方向，是一种将先进通信技术、电子传感技术、控制技术、图像处理技术以 及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范 围、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。它是一种 有效地发挥道路的潜在通行能力、运输能力的新兴交通系统。i t s 是个庞大的系 统，它包括电子不停车收费系统、先进交通管理系统( a d v a n c e dt r a n s p o r t m a n a g e m e n ts y s t e m ，简称a t m s ) 、先进公共交通系统( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t s y s t e m ，简称a z r s ) 等方面，其中不停车收费系统是它的重要组成部分，是解决 收费道路上拥塞和其它弊端，提高道路运行效率和吞吐量的重要手段，也是各国 研究热点，有着广阔的市场前景。以日本为例，它的i t s 发展所带来的产值就可 达三万亿日元。 电子不停车收费( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，简称e t c ) 系统由车载单元、路 侧单元以及专用短程通信协议构成，专用短程通信协议实现车载单元和路侧单元 之间的通信，已成为i t s 领域一项重要课题。e t c 系统既能保证车辆在通过路 北j ；, 3 1 1 9 i 【1 人学坝卜学位论艾 桥或隧道收费站时能快速通过，又能可靠收费，改善了目前普遍存在的收费站停 车收费造成交通堵塞的恶劣状况。目前，e t c 系统已经在美、同、欧等发达国 家和地区广泛地得到应用。发展不停车收费系统对我们这样一个经济发展迅速而 人口众多的发展中国家，也有着十分重要意义。 1 1 2e t c 系统研究目的和意义 电子不停车收费是通过设置在收费站的路侧单元与通行车辆上的车载单元 之间的无线通信和数据交换，自动接收和发送有关支付通行费信息的系统。使用 e t c 系统，通行车辆不必在收费站停车缴费即可快速通过，从而增大了收费站 的处理能力，将彻底改变目前半自动收费的窘迫现状。e t c 系统有如下优势： 1 减少交通拥堵，提高道路通行能力 采用e t c 技术将大大提高收费路口的通行能力，从而减缓收费站的瓶颈作 用。调查数据表明，高速e t c 专用车道的通行能力是目前普遍采用的停车刷卡 找零的人工车道通行能力的5 6 倍。 2 降低管理成本，提高运营效益 公路收费走向电子化，省去了收费管理的人员支出，无疑大大降低了收费管 理的成本，同时也杜绝人为费额流失，对于提高车辆的运营效益也是有百利而无 一害的。 3 交通数据采集功能 当车辆通过收费站时，e t c 系统在电子支付的过程中自动进行车辆信息及 车辆出行信息的数据采集，这些数据将一方面为公安部门提供车辆监控信息，另 一方面为城市规划、交通管理者提供准确的车辆出行数据及路口和路段交通流数 据。 4 减少交通污染，保护环境 车辆对环境造成的污染主要是在车辆加速和减速的过程中所排放的尾气，而 在传统的人工收费方式下，车辆必须在收费站经过减速、停车和加速来完成过路 费的支付。应用e t c 系统，车辆无需速度上的变化，以固定车速通过收费站就 可以实现路费的支付，降低油耗的同时还能减少交通污染，有效地保护大气环境。 5 车辆管理及防盗 根据设置在城市或地区各出入通道检查站、收费站和出入口的e t c 系统， 可以对车辆进行有效监控，加强了对车辆的管理。公安部门通过e t c 系统还能 够及时获取被盗车辆信息，加速盗车案件的侦破过程。 1 2e t c 系统国内外发展情况 1 2 1国外发展情况 2 北京邮i u 人学顺i j 学位论文 国外的e t c 技术，主要有三个技术标准，以挪威瑞典厂商q f r e e 和康比特 代表的欧洲技术，以同本丰田电装三菱代表的同本技术，还有以无线局域网技术 为基础的美国技术。在系统建设方面，欧洲的电子收费系统起步较早，1 9 8 6 年 挪威的b e r g e n 首次使用电子收费，意大利、西班牙、英国、法国等国家也先后 开始应用e t c 。美国自1 9 8 8 年在l i n c o n 隧道首先使用电子收费系统以来，目前 已有1 2 个运输管理机构在该领域进行研究，仅1 9 9 7 年4 月，在华盛顿地区一次 就开通了5 0 条电子收费车道。美国是最早对电子收费系统进行研究开发的国家。 同本十分重视e t c 技术的开发，在9 0 年代初期就有许多大公司开始研究。 1 9 9 5 年建设省正式立项，1 9 9 5 1 9 9 6 年度政府拨款7 0 亿同元支持e t c 技术的 开发，并制订了“同本电子收费系统共同研究开发计划 ，建立全国统一的技术 标准规范，不久将进入实用阶段。根据1 9 9 7 年1 月举行的第1 1 次中日公路会议 上同本建设省的介绍，预计整个i t s 将在日本形成5 0 万亿同元的市场。 葡萄牙的v i av a r d e 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b r i s a 公司管理，收费系统采用封闭 式和开放式相结合的模式。根据运营报表统计数据，人工收费车道的平均通行能 力为2 0 0 辆4 , 时，电子收费车道的平均通行能力为1 5 0 0 辆小时，1 条e t c 车 道的通行能力是人工收费车道通行能力的7 倍。该e t c 车道的显著特点是没有 自动栏杆，车辆能以不低于8 0 k m h 的速度通行1 2 j 。 除了欧、美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始i t s 的全面开发 和研究，如韩国由建设交通部牵头制定了全面的i t s 框架结构和发展计划，新加 坡已经在全国开始推行不停车电子收费。马来西亚、香港等地都己有电子收费系 统投入实际使用，取得了良好的效果。其中典型的是新加坡的智能交通系统，应 用于道路交通流量控制。例如在市区内的容易拥堵的路口、主要的通行口和进入 繁华市中心的要道，安装r s u ，并要求全境的机动车安装o b u ，连接壤的马来 西亚的车辆驶入新加坡境内，都需要租用或者购买一个o b u ，摩托车也不例外。 通过对于机动车流量过大的路段进行收费管理，这对于缓解城市交通拥挤，合理 的、全面的使用城市公路起到了良好的推进作用。 1 2 2 国内发展情况 目前我国交通部门已经把e t c 的开发和应用列为我国i t s 领域一项首先要 启动的项目。针对公路管理部门对e t c 系统的需求，交通部科技司从大局出发， 于1 9 9 8 年1 月下达了“网络环境下e t c 系统研究与推广应用 的联合攻关项目。 旨在全面系统地研究e t c 系统的技术构成、接口规范、电磁兼容性、网络结算 等技术细节，以保障全国各大区域内的系统相互兼容，从而确保公路管理公司以 及最终用户的利益，促进e t c 收费系统市场健康、快速地发展。在此课题的研 3 北京| | | i j l u 人学坝i j 学位论义 究基础上中国交通工程设施标委会和中国i s o t c 2 0 4 技术委员会将完成e t c 收 费系统d s r c 标准化。 在系统建设方面，我国的e t c 系统研究工作从1 9 9 6 年才取得了一定的进展。 1 9 9 6 年底，首都高速公路发展公司和美国a m t e c h 公司在首都机场高速公路上进 行了电子收费试验，并在北京首都机场高速公路天竺收费站于1 9 9 6 年1 0 月安装 了不停车收费系统，其设备从美国a m t e c h 公司引进。1 9 9 9 年初，广东省路通 公司采用美国t l 公司的设备在佛山、顺德、南海等地建成了4 0 条电子收费车道。 沪宁高速公路江苏段设计了2 0 余条电子收费车道。2 0 0 2 年4 月8f 1 ，天津市第 一条自动收费系统正式开通，4 月1 8 同j 下式对外运营【3 1 。但由于各地的e t c 系 统引进标准不一，很难进行大规模部署。因此，在借鉴欧洲电子收费标准的基础 上，我国于2 0 0 7 年5 月正式颁布了电子收费专用短程通信系列国家标准 ( g b t 2 0 8 5 1 2 0 0 7 ) ，各运营商可按照国家标准，在全国范围内大规模部署e t c 系统，以达到让路面交通智能化的目的。 从目前e t c 系统部署的情况看，由于e t c 车道较少、车载单元成本较高以 及其功能单一，车载单元未能得到大规模普及。而现在大部分的智能车载终端或 车载导航仪只有导航功能，缺少电子不停车收费功能。本文在研究e t c 系统的 基础上，在智能车载终端上实现了电子不停车收费功能，而功能多样化的智能车 载终端将会得到大众的青睐，有利于e t c 系统的普及。 1 3e t c 系统简介 1 3 1e t c 系统构成和原理 e t c 系统是利用微波通信技术、电子技术、计算机技术、传感技术、图象 识别技术等高新技术的设备和软件所组成的先进系统，以实现车辆无需停车即可 自动被收取道路通行费用。目前，e t c 系统由前端系统和后台数据库系统组成， 前端系统包括车道控制系统、路侧单元( r o a ds i d eu n i t ，简称r s u ) 、车载单元 ( o nb o a r du n i t ，简称o b u ) 以及i c 卡。r s u 通过专用短程通信协议( d e d i c a t e d s h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，简称d s r c ) 与o b u 进行通信和信息交换，以达 到对车辆的自动识别，并自动从该用户的专用账户中扣除通行费，从而实现自动 收费。e t c 系统结构图如图1 - 1 所示。 4 北京邮l u 人学坝i ：学位论文 l 中心管掣系统i 麒傍。，刀 弋繁土l 一一一一一一二一歹7 、_ 一 二7 i 妒 线圈感应区7 ，j 户 线圈自动栏杆 图卜le t c 系统结构图 o b u 一般安装在车辆前面的挡风玻璃上，r s u 安装于收费站旁边，地感线 圈安装于车道地面下。中心管理系统有大型的数据库，存储大量注册车辆和用户 的信息。当车辆通过收费站车道时，环路感应器感知车辆，路边单元发出询问信 号，车载单元做出响应。并进行双向通信和数据交换，中心管理系统获取车辆识 别、车型等信息并和数据库中相应信息进行比较判断，根据不同情况来控制管理 系统产生不同的动作，如计算机收费管理系统从该车的预付款项账户中扣除此次 应交的过路费或识别该车是免费车还是己交费车后发出指令给其它辅助设施工 作。其它辅助设施如：违章车辆摄像系统，自动控制栏杆或其它障碍，交通显示 设备指示车辆行驶1 4 j 。 1 3 2e t c 系统所用到的技术 在e t c 系统中涉及到的主要技术有： 一、 射频识别技术( r f i d ) 在车辆自动识别技术的发展过程中，尝试和实施了多种自动识别技术，主要 有：红外线扫描识别技术、c c d 摄像识别技术、激光扫描识别技术、电感耦合 识别技术等。但由于交通运输本身特点要求有一种能够在全天候、恶劣环境下应 用、远距离作用( 1 0 r e 左右) 、安全可靠性高、高速、寿命长的系统，上述这些技 术由于本身缺陷都不能全面满足以上要求，而得不到有效的推广应用。由于微波 透入性强，可以穿透浓雾，雨滴，风沙等，安全可靠性高、高速、寿命长、工作 距离远，适合于车辆全天候，恶劣环境条件下工作，因此自从微波射频识别技 术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，简称r f i d ) 出现后，采用该技术的车辆自动识 别已成为e t c 系统的研究热点和主流。除了用于收费以外，射频o b u 的一些型 号也可以用于路车通信( v r c ) 。这一技术允许装备读出器显示器的o b u 向驾驶 者通告有关交通信息。r f i d 应用于e t c 系统中的主要特点是： 不接触操作，允许汽车以正常速度( 0 1 6 0 k m h ) 行驶通过收费站，加快了 收费速度，避免了车辆堵塞。 5 i d j , ：j l $ i u 人! f i ! ；! l j 学位论文 无磨损、防水、防潮、防尘、防污等能力强，延长了系统使用寿命，降 低了系统维护费用。 能防伪、防毁，并通过对数据编码、加密进一步提高了系统的安全性和 可靠性。 无纸交易，统一收费，避免了乱收费和其它舞弊现象，为今后智能公路 车辆管理系统打下了良好的基础。 微波透入性强，适合全天候工作。 二、电子标签技术 电子标签技术，按采用的技术分为声表面波电子标签、反射散射电子标签( 又 称被动式电子标签) 和主动式电子标签；按发展阶段分为只读型电子标签、可读 写型电子标签和带i c 卡接口的电子标签。国内f t c 收费系统采用带i c 卡接口 的第三代电子标签，即双片式e t c 电子标签。 采用双片式e t c 电子标签结合双界面i c 卡的预付卡方案是e t c 系统未来 的发展方向，能实现联网收费的优势。采用双界面l c 卡作双片式e t c 电子标签 的扩展数据存储介质，双片式e t c 电子标签和双界面i c 卡同时存储包括车主、 车型、车辆物理参数等固定信息，双界面i c 卡存储账号、余额、交易记录、出 入口编号等信息。双界面i c 卡内存储的信息能以接触式和非接触式两种方式进 行读写访问。在交通量大，易产生交通流瓶颈的收费站按需设置1 条以上的e t c 收费专用车道，允许司机将双界面i c 卡插入双片式e t c 电子标签，免停车通过 收费站，通行费被自动扣取，并大幅度提高收费口通行能力。在一般收费站，仅 设置i c 卡收费车道，允许司机从双片式e t c 电子标签中拨出双界面l c 卡以接 触操作的方式刷卡扣款，短暂停车后通过收费站。 三、r s u 与o b u 之间的通信模式 r s u 与o b u 之间的通信模式可以采用红外光线、蜂窝无线通信、射频。红 外由于红外光易被反射和阻隔，所以较少应用于e t c ，较多应用于其它i t s 应 用。应用蜂窝无线通信网来实现车载电子标签收费系统之间的通信，可以省去路 侧阅读器，通信不受固定位置的限制，与智能运输系统相接合也具有很大的可能 性。其缺点是蜂窝无线通信网的成本较高，因而较少应用于e t c 系统。e t c 系 统中广泛应用射频来通信，中国国家标准最终确定的d s r c 协议工作的频率范围 是5 7 9 0 g h z 5 8 4 0 g h z 。 1 4 论文研究内容及结构 本论文的主要研究内容是d s r c 协议栈国家标准的研究、设计和其数据链路 层的实现，包括学习、分析、研究d s r c 协议内容，智能车载终端硬件、软件选 6 北京邮i l i 人学顾i j 学位论文 型和其他应用软件的移植，用s d l 形式化语言描述d s r c 协议，用c 语言在嵌 入式l i n u x 系统下实现d s r c 协议数据链层的所有内容，最后进行了简单的测试， 在一定程度上验证了所设计和实现的j 下确性。 本论文由以下六章组成： 第一章为绪论，主要介绍i t s 系统和e t c 系统的研究背景、e t c 系统国内 外发展情况以及e t c 系统中所涉及到的技术。 第二章智能车载终端，主要介绍智能车载终端软硬件选型和应用程序环境的 搭建。 第三章d s r c 协议标准，首先分析、学习现有的d s r c 国际标准，然后对 我国颁稚的协议标准进行了详细的分析和研究，对国家标准和欧洲标准进行了重 点比较。本文的设计实现正是基于国家标准的。 第四章d s r c 协议设计与实现，用s d l 对国标进行了形式化描述，然后详 细介绍了l l c 子层的状态迁移，最后实现了d s r c 协议的数据链路层。 第五章测试与验证，对协议的实现进行测试，初步验证设计和实现的正确性。 第六章总结与展望，对本论文进行了总结，提出需要改进的地方，并对i t s 、 e t c 和w a v e 的发展前景进行展望。 7 北京i l | | j i u 人学坝i ：学位论文 第二章智能车载终端 既然要在智能车载终端上实现e t c 功能，那么在进行d s r c 协议的分析、 设计和实现之前，首先必须要选择好智能车载终端的软硬件环境。硬件方面如 c p u 类型、外围设备等的选择与设计；软件方面如嵌入式操作系统、g u i 环境、 j a v a 虚拟机、g i s 软件等的选择和设计。这一章我们遵循嵌入式软硬件平台的选 择原则，在对常见平台分析比较的基础上，结合本智能车载终端特殊功能性要求 和性能要求，选择了丌发需要的软硬件平台，并基于这些平台进行了系统的整合 与设计。 2 1 软硬件平台的选择 2 1 1a d s 5 1 2 1 0 1 硬件平台 开发嵌入式应用和一般p c 机上的应用开发有很大的不同，其最大的特点在 于嵌入式系统是一种面向特定场合的经过“高度定制”的系统，它在特定的硬件 平台和软件平台上工作，适用于特定的实际需要。当然，对于一些相对通用的软 件来说，我们希望它具备良好的跨平台能力，能够做很少的修改甚至是不做修改 就能在不同的软硬件平台上运行，以求最大的减少重复劳动。 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式开发硬件平台的 选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核 主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度，以及以后该处理 器的市场前景等因素。确定了使用哪种嵌入式处理器内核以后，接下来就是综合 考虑系统外围设备的需求情况以选择一款合适的处理器。下面列出考虑系统外围 设备的一些因素： 总线的需求； 有没有通用串行接口； 是否需要u s b 总线； 有没有以太网接口； 系统内部是否需要1 2 c 总线和s p i 总线； 音频和视频的加速核心： 外设接口； 系统是否需要a ，d 或d a 转换器； 系统是否需要i o 控制接口。 另外，还要考虑处理器的寻址空间，有没有片上的f l a s h 内存，处理器是否 8 北京| | | i j i 【1 人学颂i j 学f 叠论文 容易调试和仿真以及调试工具的成本和易用性等相关的信息。 现在市场上的嵌入式处理器非常多，比较著名的有p o w e r p c 系列、a r m 系 列、m i p s 系列和m o t o r o l a 的6 8 k 系列等。其中由于p o w e r p c 系列c p u 功能强 大、产品种类多、外设和接口丰富而被众多车载设备所使用。 这罩我们采用飞思卡尔公司推出的a d s 5 1 2 1 0 1 ( m p c 5 1 2 1 e a d s ) 评估板， 这是一款基于飞思卡尔3 2 位多核处理器m p c 5 1 2 1 e 的嵌入式丌发平台。 m p c 5 1 2 1 e 是多核心的高度集成的片上系统( s o c ) 微处理器，其主处理引 擎是基于p o w e r p c a r c h i t e c t u r e 技术的e 3 0 0 核心，运行在4 0 0 m h z ，它是m p c 6 0 3 e 核心的增强版本。m p c 5 1 2 1 e 将e 3 0 0 核心、集成的2 d 3 d 图形核心( p o w e r v r m b xl i t e2 d 3 d ) 和基于r i s c 、完全可编程3 2 位多媒体加速核心( 6 岫，用 于优化音频处理) 结合在一起，使该处理器非常适合需要先进的显示、图像功能 多媒体加速、网络连接性和海量存储的下一代应用。这种多核心体系结构能够 在不过分提高时钟速率和功耗的情况下实现很高的系统吞吐量。该处理器结构可 以在高性能和低功耗之间达成平衡，从而降低系统成本并提高可靠性。此外， m p c 5 1 2 1 e 处理器符合汽车行业标准，因此是信息通信、连接和驾驶员交互车载 应用的理想产品。该器件满足a e c q 1 0 0 标准和t s l 4 9 6 9 规范的可靠性要求， 可适用于恶劣的环境条件。除了信息通讯应用之外，m p c 5 1 2 1 e 器件还可用于多 种嵌入式应用，如联网工业控制和安全监督系统、联网病人监护系统、游戏和数 字化家庭应用、多媒体网关和机顶盒等。 一 m p c 5 1 2 1 e 产品的特性如下【5 】： e 3 0 0 核心 基于p o w e ra r c h i t e c t u r e 技术 3 2k b 指令高速缓存和3 2k b 数据高速缓存 双精度浮点单元和双整数单元 高达4 0 0 m h z 的性能，提供7 6 0m i p s 用户可编程的3 2 位r i s c 多媒体核心，以高达2 0 0m h z 的频率运行 基于p o w e r v rm b xl i t e 的2 d 3 d 图形核心 集成显示控制器，最高支持1 2 8 0 7 2 0 ( 7 2 0 p ) 分辨率，6 0 h z ，2 4 位色 1 2 个可编程串行控制器支持u a r t 、s p i 、a c 9 7 和1 2 s s d r a md d r i d d r 1 i m o b i l ed d r 内存控制器 1 0 1 0 0 m 快速以太网控制器 3 个1 2 c p c i2 3 接口 双u s b2 0o n t h e g o ( o t g ) 控制器，带有一个集成的高速p h y 9 北京邮i u 人学坝i j 学位论义 s 铷r a 控制器 p a t a 控制器 四个c a n2 0 b 模块 6 4 通道智能d m ai o 控制器 s o n y p h i l l i p s 数字接1 2 格式( s p d i f ) 串行音频接口 支持m m c s d s d i o 协议的安全数字主机控制器( s d h c ) 1 2 8 k b y t e 片上s r a m 1 6 位n a n df l a s h 控制器 a d s 5 1 2 1 0 1 硬件评估板功能框图如图2 - 1 所示。 图2 - 1a d s 5 1 2 1 0 1 硬件评估板功能框图 平台的外围扩展电路接口中，我们用到的部分有： 5 1 2 ms d r a m n o rf l a s h6 4 m b d v i 接口，连接t f r 液晶屏 r s 2 3 2u a r t 接口，发送控制命令 以太网口，下载操作系统镜像 1 0 北京i l l f fl 1 人学顾l ：学化论文 电源 2 1 2d s r c 物理层芯片 o k 的m l 9 6 3 6 是一款遵循a r i bs t d t 7 5 ( d e d i c a t e ds h o r t r a n g e c o m m u n i c a t i o n s ，专用短程通信系统标准) 1 3 版本的芯片。m l 9 6 3 6 内部集成了 射频和调制解调功能，可用于5 8 ga s k q p s k 调制解调模式下的专用短程通信。 主要特性如下1 6 l ： 1 内置信号接受与发射电路，合成器，数字调制解调电路 2 含有数字基带接口和信号强度模拟指示接口 3 无线频率范围 下行：d 75 7 7 5m h z ，d 65 7 8 0m h z ，0 55 7 8 5m h z ，d 45 7 9 0m h z ， d 15 7 9 5m h z ，d 35 8 0 0m h z ，d 25 8 0 5m h z 上行：u 75 8 1 5m h z ，u 65 8 2 0m h z ，u 55 8 2 5m h z ，u 45 8 3 0m h z ， u 15 8 3 5m h z ，u 35 8 4 0m h z ，u 25 8 4 5m h z 4 数据传输速率： a s k 模式下：1 0 2 4 k b p s q p s k 模式下：4 0 9 6 k b p s 5 工作电流 信号接收时：1 1 5m a ( 最大) 信号发射时：9 5m a ( 最大) 6 工作电压 v d d i o - 3 3 v v d d c o r e - 1 6 v 7 工作温度 3 0 至+ 8 5 8 封装 4 8 p i nw q f n 封装，7 m m * 7 m m m l 9 6 3 6 暂时不支持e t c 国标的b 类方式即f s k 调制解调方式，m l 9 6 3 6 可以通过下面的架构支持e t c 国标的a 类方式，如图2 2 所示。 1 1 北京i | i l j l u 人学顺i j 学化沦义 图2 - 2m l 9 6 3 6 扩展架构 m l 9 6 3 6 与基带芯片接口如图2 3 所示： - - - - - _ - - - 。 ( d r ：c l o c ka n dd a t ar e c o x e z t 图2 - 3m l 9 6 3 6 与基带芯片接口 d s r c 芯片