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硕士论文电子不停车收费系统摹带电路的设计与实现 摘要 近年来，公路交通的发展导致了交通压力的日益增大，收费时间成为了公路交通急 需解决的问题。电子不停车收费系统( e t c ) 可以明显的减少车辆通过收费站的收费时 间，因此成为解决这一问题的有效方案。基带电路是e t c 系统重要的组成部分，连接 着e t c 系统的c p u 和射频收发单元，一方面将c p u 的数据处理后交由射频收发单元， 另一方面则将来自射频收发单元的数据提取出来交由c p u 处理。在结构上基带电路包 括高级链路控制协议( h d l c ) 、线路f m 0 ( b i p h a s es p a c e ，双相间隔编码) 编解码以 及车载单元( o b e ) 智能电源管理模块。 为了规范e t c 设计，提高系统的兼容性，统一标准，我国制定了电子收费专用短 程通信国家标准。本文对国家标准中与基带电路相关的物理层和数据链路层进行了分 析，并遵循国家标准进行了基带电路的设计。 对于h d l c 本文基于w i s h b o n e 总线，采用“自顶向下 的设计方法，根据要求的 功能先设计出顶层的原理框图。再把各个模块细化为子模块，对较复杂的设计则把各子 模块分成一层层的下级子模块，使用v e r i l o g 语言完成程序代码。f m 0 的实现则根据编 解码规则采用原理图的方式进行设计，最后将h d l c 与f m 0 编解码经过综合、仿真等 过程，将程序下载到f p g a 芯片中进行实际波形的测试与验证。对车载单元智能电源管 理提出了睡眠模式与激活模式，同时又采用了分级模块化策略与分时划分策略以进一步 降低系统的功耗。最后设计原理图及p c b 电路板，完成电路板的软硬件调试。 关键词：电子不停车收费系统，h d l c ，w i s h b o n e 总线，f p g a ，电源管理 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t t r a f f i cp r e s s u r ei n c r e a s e sa st h ed e v e l o p m e n to fr o a dt r a f f i ci nr e c e n ty e a r s t h es y s t e m o fe l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ( e t c ) w h i c hc a no b v i o u s l yr e d u c et h ec h a r g et i m eh a sb e c o m e t h em o s te f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e m b a s e b a n dc i r c u i t ，a sa ni m p o r t a n tp a r to f e t cs y s t e m ，h a sb e e na p p l i e dt oc o n n e c tc p ua n dr fu n i t ，i n c l u d i n gh d l c ，f m 0 e n c o d i n g d e c o d i n ga n di n t e l l i g e n tp o w e rm a n a g e m e n tf o ro b e o nt h eo n eh a n d ，i t c o m p l e t e dd a t ap r o c e s s i n gf r o mc p u ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tc o m p l e t e dd a t ap r o c e s s i n gf r o m r fu i n t i no r d e rt or e g u l a t et h ed e s i g na n di m p r o v es y s t e mc o m p a t i b i l i t y , c h i n ah a sa n n o u n c e d n a t i o n a ls t a n d a r d sn a m e de l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n 一- d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n p h y s i c a ll a y e ra n dd a t a l i n kl a y e ro fd s r c ( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ) w h i c h a r er e l a t i v et ob a s e b a n dc i r c u i th a sb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r t h eb a s e b a n dc i r c u i th a sb e e n d e s i g n e db a s e do nd s r c h d l ch a sb e e nd e s i g n e db a s e do nw i s h b o n eb u s ，u s i n g t o pt od o w n m e t h o d f i r s t ， f i g u r eo u tt o pl a y e rf r a m e w o r ka c c o r d i n gt h er e q u i r e m e n t ，t h e nd i v i d et h ec o m p l e xm o d u l e i n t os u b m o d u l e sa n df i n i s ht h ep r o g r a mc o d eb yu s i n gv e d l o gh d l f o rf m 0 ，i th a sb e e n d e s i g n e di ns c h e m a t i cm e t h o da c c o r d i n gt oe n c o d i n g d e c o d i n gr u l e s f i n a l l y , a f t e rs y n t h e s i z e a n ds i m u l a t i o n ，t h ec o d eh a sb e e nd o w n l o a d e dt of p g a ，a n dt h e nc o m p l e t et h ew a v e f o r m t e s t i n ga n dv a l i d a t i n g s l e e pm o d ea n da c t i v em o d eh a sb e e np r o p o s e d f o rp o w e rm a n a g e m e n t b e s i d e s ，m o d u l ec l a s s i f i c a t i o na n dt i m ed i v i s i o nh a sb e e nu s e di no r d e rt or e d u c et h ep o w e r c o n s u m p t i o no ft h es y s t e m a tl a s t ，p r o t e ls c h e m a t i cf i l ea n dp c b f i l eh a v eb e e nd e s i g n e da n d s o f t w a r e h a r d w a r ed e b u g g i n go ft h ec i r c u i th a sb e e nc o m p l e t e d k e y w o r d ：e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，h d l c ，w i s h b o n eb u s ，f p g a ，p o w e rm a n a g e m e n t i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士论文 电子不停车收费系统基带电路的设计与实现 1 绪论 1 1 论文的研究背景 该课题属智能交通系统( 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 ) 研究领域，课题源于 电子不停车收费系统( 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 c 程实际项目。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 ，i t s ) 是为了解决交通道路拥堵、交通事故频发和环境污染 等一系列问题而产生的，是利用电子技术、信息技术、通信技术等高新技术手段对传统 的交通系统进行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统，它使得交 通基础设施得以发挥出最大的效能，提高交通网络的通行能力以及整个交通系统的运输 效率和经济效益。车辆自动识另l j ( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，a v i ) 技术是目前i t s 系统领域的重要课题，是实现车辆和道路智能化的重要手段。它能实现车辆身份证的功 能，使车辆和道路在提高交通效率和节约交通能源方面具有重要意义【8 】。 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 ，e t c ) ，基于a v i 技术，成为目前i t s 领 域又一重要课题。e t c 既能保证车辆在通过路桥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路桥收费站停车收费造成交通堵塞的恶劣状况。 为了实现i t s 对车辆的智能化、实时、动态管理，国际上专门开发了适用于i t s 领 域短距离间的通信协议，即专用短程通信( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，d s r c ) 协议。d s r c 是e t c 的基础之一，是一种小范围无线通信系统，它作为车一路的通信平 台，通过信息的双向传输将车辆、道路有机地连接起来。 本课题正是以我国d s r c 协议中物理层与数据链路层为基础，重点攻关e t c 系统 基带电路设计与实现。 1 2e t c 系统介绍 1 2 1 系统结构 目前，不停车收费系统设计成由路边读写设备( r o a ds i d ee q u i p m e n t ，简称r s e ) 、 车载单元( o nb o a r de q u i p m e n t ，简称o b e ) 、i c 卡、计算机安全控管技术、网络及帐务 等几大部分组成。通过路边单元与车载单元进行相互通信和信息交换，以达到对车辆的 自动识别，并自动从该用户的专用帐户中扣除通行费，从而实现自动收费的系统，其组 成如图1 1 1 5 j 所示。 碗士论文 图i2 11e t c 系统组成图 o b e 中存有车辆的识别信息，如车牌号、汽车i d 号，一般安装于车辆前面的挡风 玻璃上，r s e 安装于收费站旁边，环路感应器安装于车道地面下。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。当车辆通过收费站口时，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帐户中扣 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( 红， 黄，绿灯等设各1 指示车辆行驶。 ( 1 ) o b e 车载设备 内带锂电池( 不需要车辆提供任何支持) ，安装方便。寿命 = 5 年( 每天5 0 次r w 操 作) ，一般要求置于车辆前挡风玻璃内( 通信距离不受玻璃影响) ，内存o b e 及车辆等 信息。o b e 上具有i c 卡读写模块，可以对i c 卡进行读写。 ( 2 1 r s e 路边设备 路边设备一般由天线、读写器( r e a d e r ) 和后台计算机或控制单元构成，根据需要可 配置为入口车道或出口车道r s e 。 按照系统功能模块划分，d s r c 系统包括三个功能相对独立的单元：射频单元、协 议控制单元、人机交互界面。系统的功能模块如图121 2 。 凹l2 i2 d s r c 功能框图 d s r c 系统是一种要求在信道环境极其恶劣的情况下完成的高速无线移动通信系 童蓦萄 硕士论文电子不停车收费系统基带电路的设计与实现 统，要达到相应的技术指标要求，需要考虑诸多的与移动通信相关的技术问题。射频单 元负责解决由多径效应、多普勒频移、远近效应等带来的干扰，保证基带信号能够通过 上下行载波双向传输，并且保证信道通信质量。协议控制单元负责解释整个d s r c 通信 协议，并且通过定义编解码来进一步降低信号的误码率。人机交互界面主要完成的是路 边设备对r s e 的信息管理及车辆用户对自己信息的查询等功能，以使得系统更具有可 用性。 1 2 2e t c 基带电路实现原理 整个e t c 系统主要由r s e 和o b e 组成，r s e 和o b e 之间通过无线信道连接。r s e 由c p u 、r s e 基带电路以及调制解调射频收发单元构成。o b e 由c p u 、o b e 基带电路、 调制解调射频收发单元、账户管理模块、i c 卡读写模块以及人机接口模块构成。对r s e 而言，基带电路分为h d l c ( h i g hl e v e ld a t a l i n kc o n t r o l ，高级链路控制协议) 、f m 0 线路编解码。对o b e 而言，其基带电路部分除了增加o b e 智能电源管理模块外，其他 结构与r s e 基带电路完全相同。e t c 系统的实现总体框图见图1 2 2 1 。本文依据e t c 国家标准实现了o b e 及r s e 的基带电路设计。 c p u ( g s e ) r s e 基带电路 砸圈卿暑透到翠圆 f m o 解码 l ( 磊破词l 接收矗制器j 、。h d l c 卜型l 堡瞥 1 f m o 编叫 0 b e 基带电路 解调、射 频接收 调制、射 频发射 介毳 u 霪 刮兰竺竺! h 兰鉴鐾：h 萎簧星h 鍪望h 辫篓h 型肇錾 f m o 解码 l 强收蔷否i 历) 接收矗制器 c p u 。一。 i t d l c ( o b e ) 降圃马盯 1 账户管理模块、i c 卡读写模块、人机接口模块i o b u 智能电源管理 目 图1 2 2 1e t c 系统实现总体框图 1 绪论 硕士论文 1 3 论文研究内容及结构 本文主要研究了e t c 系统中基带电路的设计与实现，包括o b e 与r s e 的基带电 路。课题基于国标相关协议，并针对具体的e t c 基带电路各个模块进行了功能仿真及 硬件电路实现。 第一章主要介绍e t c 系统的研究背景、e t c 系统结构、e t c 基带电路的结构以 及系统中所涉及到的技术。 第二章主要对我国颁布的协议标准进行了介绍。对其中与本课题基带电路相关的 物理层和数据链路层协议进行了详细的分析与研究。 第三章从h d l c 系统功能分析，结构规划与划分，确定了基于w i s h b o n e 总线i p 核的总体结构，划分与定义h d l c 各个层次模块的结构和功能。这项工作主要是通过分 析、研究h d l c 的硬件结构及按照协议工作的过程，在深入理解h d l c 的工作原理和 设计方法基础上，完成了h d l c 总体结构和其各个层次模块功能的划分、定义与实现。 第四章从协议标准物理层具体要求出发，讨论了f m 0 编解码器的实现方案，就其 各方面进行分析比较，确定了实现方案，然后重点介绍了f m 0 编解码电路设计及实现。 第五章首先分析了现有基带电路电源管理的缺陷，提出了睡眠模式与激活模式以 及分级与分时的控制策略，最后通过器件选型完成了电路的设计，并完成了p c b 实物 的制作与调试。 第六章对基带电路各个模块进行了f p g a 开发套件的下载与联合调试，并运用 s i g n a l t a pi i 逻辑分析仪对实际信号进行了测试和验证。 4 硕士论文 电子不停车收费系统基带电路的设计与实现 2e t c 国家标准概述 e t c 收费系统中，o b e 与r s e 之间的双向通信属于专用短程通信( d e d i c a t e ds h o r t r a n g ec o m m u n i c a t i o n s ，简称d s r c ) 协议规范，它在一个短距离的工作区域内为o b e 和r s e 之间提供了高速无线通信链路规范。 一套技术标准决定了一个技术方案，而技术方案必须适应其所处的应用环境，否则 就不具有实用性。在我国高速公路智能交通行业主要的应用环境条件具有如下的几个特 点：其一是封闭式收费，而非开放式，这决定了路网内收费匝道布设会较多；其二是联 网( 按省市为单位) 收费，而非独立收费，这决定了在运营上必须跨路、跨区域甚至跨网 络考虑；其三是费率较高和社会整体的消费信用环境水平比较低，对于防范用户逃费必 须有特别的技术手段和管理配套上的考虑，e t c 系统的安全性尤为重要。因此完全照搬 国外的标准是行不通的，必须建立一套符合我国实际情况的标准，这才能使我国智能交 通和e t c 产业的独立自主和长期健康发展。 2 0 0 6 年7 月，国家e t c 技术规范的标准化承担部门国家i t s 中心正式提出并 对外公布了电子不停车收费应用之中国d s r c 标准草案，并于2 0 0 7 年3 月1 9 日，由中 华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会发布了g b t 2 0 8 5 1 - 2 0 0 7 电子收费专用短程通信。包括电子收费专用短程通信物理层、电 子收费专用短程通信数据链路层、电子收费专用短程通信应用层、电子收费设 备应用以及电子收费物理层主要参数测试方法等一系列的五个规范文档。由此， 我国电子不停车收费的d s r c 技术标准终于有了一个明确统一的技术方向，这为我国未 来的电子不停车收费核心技术进步和产业的长期健康发展奠定了一个非常坚实的基础。 我国提出的电子不停车收费应用d s r c 技术标准，其主要思路是参考国际上主流的 自动识别和短程实时通信技术架构体系，提出了一种基于开放系统互连( o s i ) 模型体系架 构下的精简通信体系，该体系基于实时性系统普遍采用的o s i 三层架构，涉及到o s i 体系中的三层：物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 、数据链路层( d a ml i n kl a y e r ) 和应用层 ( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ，如图2 1 【3 j 所示。该技术标准系列所规定的d s r c 通信系统的主要 技术特征是车载单元( o b e ) 主动式、频分双工( f d d ) 、小区分割、异步时分多址( a s y n c t d m a ) 和同步通信( s d l c ) 。 5 2 e t c 国家标准概述硕士论文 l r seo be 2 1 物理层 图2 1d s r c 协议分层结构图 物理层协议用于规范无线通信使用的传输媒体，及上行与下行链路传输媒体的物理 特性参数，确定与数据链路层的接口及需要提供的服务。物理层提供数据传输、同步、 定时功能以实现连接和数据传输；提供信号传输功能和程序，控制信道的激活、释放； 提供保持无线链路的功能；进行信道切换和选择。 国标物理层中由r s e 向o b e 传输信息的通信要求在下行链路参数中说明；由o b e 向r s e 传输信息的通信要求在上行链路参数中予以说明。下行链路和上行链路的具体 技术指标i l j 见表2 1 1 和表2 1 2 。 国标的物理层可配置为a 和b 两个可选配置，配置a 的速率较低，主要为实时性 高而数据量小的应用，例如a v i 、e t c 、e r p 等而准备；配置b 的速率较高，主要为用 于远期i t s 扩展用途，例如那些数据量高的宽带车路通信应用。目前的e t c 系统主要 按照配置a 。在配置a 的位速率中，上行链路为5 1 2 k b p s ，下行链路为2 5 6 k b p s ，上行 链路的位速率比下行链路高，这是因为o b e 向r s e 传输的数据比r s e 向o b e 传输的 数据多【4 j 。在配置a 的中国标上下行都定义为f m 0 ，有利于r s e 和o b e 设备的整体一 致性。 6 硕士论文 电子不停车收费系统基带电路的设计与实现 表2 1 1 下行链路技术要求 序 号 参数a 类b 类 信道l5 8 3 0 ( 3 h z 5 8 3 0 g h z l 载波频率 信道2 5 8 4 0 g h z5 8 4 0 g h z 2 占用带宽 5 n 眦z5 m h z 3 频率容限 + 1 0 1 0 巧 5 1 0 - 6 4 e 1 r p + 3 0 d b m+ 3 3 d b m 3 0 m h z 10 0 0 m h z一3 6 d b m 1 0 0 k h z一3 6 d b m 1 0 0 l 出z 杂散 2 4 0 0 m h z 一- 2 4 8 3 。5 叫z一4 0 d b m 1 m h z一4 0 d b m 1m h z 5 3 4 0 0 m 时z 3 5 3 0 i h z一4 0 d b m 1m h z一4 0 d b m l m h z 发射 5 7 2 5 m 隧z - - 一5 8 5 0 m h z a一3 3 d b m 1 0 0 k h z一3 3 d b m 10 0 k h z 其它1 g h z - 2 0 g h z一3 0 d b m 1 m h z一3 0 d b m l m h z 6邻道泄漏功率比一3 0 d b- 3 0 d b 水平面 3 8 。 3 8 。 7 天线半功率波瓣宽度 垂直面 4 5 。 4 5 。 8天线极化 右旋圆极化右旋圆极化 最大增益方向r s e t 1 5 d br s e t 1 5 ：d b 9x p d - - 3 d b 区域r s e t 1 0 d br s e t 1 0 d b 1 0 调制方式 a s k f s k 调制误差： 1 1 调制系数调制误差调制系数：0 5 o 9 一2 0 0 k h z 一- + 2 0 0 k h z 1 2 频率偏移 5 1 2 k h z 1 3编码方式f m om a n c h e s t e r 1 4 位速率2 5 6 k b i t s1 m b i f f s 1 5 位时钟精度 1 0 0 1 0 - 62 0 1 0 - 6 1 6 1 5 1 7 个周期1 5 1 7 个周期 o b e 唤醒方式 1 4 k h z 方波b1 4 k h z 方波b 1 7o b e 唤醒时间 5 m s 5 m s 1 8 o b e 唤醒灵敏度 一4 0 d b m- - 4 0 d b m 1 9 o b e 接收灵敏度一5 0 d b m一7 0 d b m 2 0 o b e 接收带宽5 8 2 5 g h z - - 一5 8 4 5 g h z5 8 2 5 g h z - - 一5 8 4 5 g h z 2 1b e r 1 0 x 1 0 - 石以内 1 0 x 1 0 “以内 2 2 前导码1 6 位“0 ”1 6 位“0 ” 2 3 后导码最多8 位最多8 位 a 对应载波2 5 倍信道带宽以外 br s e 强制要求发送该波形；o b e 可选择被该波形唤醒或者被正常通信帧信号唤醒 7 2 e t c 国家标准概述 硕士论文 表2 i 2 上行链路技术要求 序号参数a 类b 类 信道1 5 7 9 0 g h z5 7 9 0 g h z 1载波频率 信道2 5 8 0 0 g h z5 8 0 0 g h z 2 占用带宽 5 m h z5 m h z 3 频率容限 4 - 2 0 0 1 0 。6 2 0 1 0 - 6 4 e 1 r p + 1 0 d b m+ 1 0 d b m 3 0 m h z 10 0 0 m | h z一3 6 d b m 门0 0 k h z一3 6 d b m 门0 0 k h z 2 4 0 0 m h z 一- - 2 4 8 3 5 m h z- - 4 0 d b m 1m h z- - 4 0 d b m 1m h z 杂散 5 3 4 0 0 【h z 3 5 3 0 m h z- - 4 0 d b m 1 m h z - - 4 0 d b m 1 m h z 发射 5 7 2 5 咐z - - 一5 8 5 0 m h z a- - 3 3 d b m 1 0 0 k h z- - 3 3 d b m lo o i ( h z 其它1g h z - 2 0 g h z - - 3 0 d b m 1m h z- - 3 0 d b m 1 m h z 6 邻道泄漏功率比 3 0 d b3 0 d b 7 天线半功率波瓣宽度 7 0 。 7 0 0 8天线极化线极化或右旋圆极化线极化或右旋圆极化 最大增益方向 r s e t 1 5 d br s e t 1 5 d b 9 x p d - - 3 d b 区域 r s e t 1 0 d br s e t 1 0 d b 1 0 调制方式 a s kf s k 调制误差： 1 1 调制系数调制误差调制系数：o 5 - 一0 9 一2 0 0 l ( h z - + 2 0 0 k h z 1 2 频率偏移 5 1 2 l m z 1 3 编码方式 f m om a n c h e s t e r 1 4 位速率 5 1 2 k b i f f sl m b i t s 1 5 位时钟精度 1 0 0 1 0 。62 0 1 0 - 6 1 6 r s e 接收灵敏度 - - 7 0 d b m一7 0 d b m 2 1 b e rl o x l o 巧以内l o x l o 巧以内 2 2 前导码 1 6 位“0 ”1 6 位“0 ” 2 3 后导码最多8 位最多8 位 a 对应载波2 5 倍信道带宽以外 2 2 数据链路层 数据链路层可以粗略地理解为数据通道，该层负责信息的可靠传输，提供差错控制 和流量控制，使之对上层为一条无差错链路，定义通信帧的具体结构，提供实现相应功 8 硕士论文 电子不停车收费系统基带电路的设计与实现 能的程序和程序单元。数据链路层分为媒体访问控n ( m a c ) 子层和逻辑链路控锘f j ( l l c ) 子层。 m a c 子层，使用第一层的信号传输功能实现m a c 子层间的数据传输：进行帧控 制( 如时隙配置) ，对l p d u ( l l cp d u ) 进行分段重组，生成通信帧，执行c r c 计算校 验和简单加密( 伪随机加密) 解密，p d u 的收发和确认，在m a c 子层间传输m p d u ( m a c p d u ) 时的差错控制。m a c 子层使用物理信道和m a c 子层管理单元完成数据的接收发 送。m a c 子层也使用物理层、应用层及系统管理单元的功能实现车与路的数据链路连 接。 l l c 子层用于路边与车载单元间的信息和控制数据传输的鉴定协议程序。实现l l c 子层间的数据交换；进行协议数据单元( p d u ) 收发的初始化，解释收到的命令p d u 并生 成相应的响应p d u ，执行数据流控制以及l l c 子层中的差错控制和错误校正功能，并 为应用层提供服务。 图2 2 1 数据链路层结构 ( 1 ) 链路层参数 链路层主要参数如下表【2 】所示： 表2 2 1链路层主要参数 参数参数定义参数取值 t 1 下行链路帧与后面相邻的上行链路帧的最短间隔时间1 6 0 心 t 2 上行链路帧与后面相邻下行链路帧的最短间隔时间 3 2 心 t 3 下行链路帧与后面相邻下行链路帧的最短间隔时间1 0 心 t u 时间单位4 4 8 心 n 1 专用链路建立请求延时计数器0 7 n 2 第二层帧的最长八位位组数1 2 8 n 3 内部传送计数器 n 4 确认定时器 注：本部分对n 3 、n 4 的参数取值不做规定 9 2 e t c 国家标准概述 硕士论文 n 2 是一个逻辑链路参数，它表示一个p d u 中的八位位组的最大数目。 最小长度的有效命令p d u 应包含控制域。因此，一个有效命令p d u 的最小八位位 组数应为l 。 最小长度的有效a c n 响应p d u 应按序包含控制域和状态子域。因此一个有效响应 p d u 的最小八位位组数应为2 。 n 3 是一个逻辑链路参数，它指出了l l c 为了完成一次信息交换所进行的a c n 命 令p d u 发送的最大次数。通常n 1 1 被设置为足够大以克服由于链路错误所造成的p d u 的丢失。n 3 的值也可能设置为l ，这样l l c 子层就不会将一个p d u 重新交给m a c 子 层。 确认时间决定确认定时器的周期，并由此定义源l l c 期望从目的l l c 接收到a c n 响应p d u 的最大等待时间。确认时间应考虑到m a c 子层引入的延时，以及定时器的启 动是在命令p d u 传送开始时还是在命令p d u 传送结束时。正确的操作过程要求次确认 时间大于a c n 命令p d u 发送与相关的a c n 响应p d u 接收之间的正常时间间隔。r s e 和o b e 中的n 4 取值可能不同。 ( 2 ) 信息帧 帧是数据链路层的实体，数据链路层信息交互是以帧的形式进行，帧包含m a c 地 址、m a c 控制域、l p d u ( 可选) 和帧校验及部分 信息帧采用同步传输方式，其封装格式见图2 2 2 【1 1 。 一 第二层信息帧 一 帧起始帧结束 前导码m a c 地址m a c 控制域 l l c 控制域l l c 状态域 l s d u 帧校验 后导码 标志标志 图2 2 2 第二层信息帧封装格式 a ) 前导码为1 6 位“0 ，后导码最多8 位。 b ) 帧起始标志和帧结束标志格式均为二进制序列0 1 1 11 1 1 0 。前一帧的帧结束标志 不能作为后一帧的帧起始标志。如果接收端收到多个连续的帧起始标志，则以最后一个 作为帧的起始。 c ) 帧起始标志和帧结束标志间的信息，不含帧起始标志和帧结束标志，都应进行 插“0 ”处理，处理过程如下。 发送端连续发送五个“1 后插入一个“0 。 接收端连续收到五个“1 时检查第六个比特。如果第六个比特为“0 ”，则删除该 “0 ；如果为“1 ，则检查第七个比特。如果第七个比特为“0 ”，表示起始或者结束标 志；如果为“1 ，则接收端视该信息帧为无效帧，并舍弃。 d ) 媒体访问地址分为广播m a c 地址和专用m a c 地址。广播m a c 地址用于r s e 对所有o b e 的访问，取值应为3 2 位全“1 ”比特：o x f f f f f f f f ；专用m a c 地址用于 1 0 硕士论文电子不停车收费系统基带电路的设计与实现 对某特定o b e 的访问，地址值应为3 2 位非全“1 ”比特。 e ) m a c 控制域 m a c 控制域包括7 个比特位。下行链路的m a c 控制域由r s e 发送的帧使用，上 行链路的m a c 控制域由o b e 发送的帧使用。 f ) 帧校验序列 帧结束标志前应有1 6 比特的f c s 。f c s 的计算范围包括m a c 地址、m a c 控制域 和l p d u 。 f c s 应符合g b t7 4 9 6 1 9 8 7 中定义的1 6 比特帧校验序列。生成多项式为 z 1 6 + x 1 2 + j 5 + l ，使用的初始值是0 x f f f f 。 g ) 比特顺序 帧起始标志、帧结束标志、m a c 地址、m a c 控制域和l p d u 应先传送l s b 。f c s 应从m s b 开始传送。 ( 3 ) 专用通信链路建立与撤销 r s e 与o b e 之间的通信有广播和点对点两种方式。广播方式下，r s e 与o b e 之 间不需要建立专用通信链路，以广播m a c 地址作为链路标识，所有o b e 都能接收r s e 发出的信息。点对点方式下，r s e 与o b e 之间需建立专用通信链路，该链路以专用m a c 地址作为唯一标识。 专用链路的建立过程如下： a ) r s e 周期性广播q 为1 的特定信息； b ) 通信区域内o b e 收到该信息后，随机延时n 1 个时间单位t u ； c ) o b e 发送包括其m a c 地址的信息到r s e ； d ) r s e 确认收到合法帧之后，登记对应的o b em a c 地址，并以该m a c 地址与对 应的o b e 通信； e ) o b e 收到带本o b em a c 地址的下行链路帧之后，转用链路建立成功。 专用通信链路的撤销以及r s e 对o b em a c 地址的注销，由r s e 逻辑自行确定。 2 3 本章小结 本章研究了与课题相关的国标协议内容，着重对与基带电路相关的物理层、数据链 路层进行了介绍。 3h d l c 的设计与实现 硕士论文 3 h d l c 的设计与实现 从第二章的协议分析可知，d s r c 协议的数据链路层采用了h d l c 协议的帧结构。 h d l c 一方面接收来自c p u ( o b e ) 的待处理数据，处理完成后输出至f m o 编码模块 进一步处理；另一方面，h d l c 接收来自f m o 解码模块的数据，处理完成后输出至c p u ( r s e ) 处理。如图3 1 所示。 一f m 0 线路解码 c p u h d l c f m 0 线路编码 图3 1h d l c 功能模块图 3 1h d l c 简介及设计方案选择 3 1 1h d l c 的产生背景 在计算机通信的早期，人们就发现对于经常产生误码的实际链路，只要加上合适的 控制规程，就可以使通信变的比较可靠。那时a r p a n e t 和i b m 公司分别使用了各自 的控制规程，它们分别是i m p i m p 协议和b s c 规程( 也称为b i s y n c ，即b i n a r y s y n c h r o n o u sc o m m u n c i a t i o n 的缩写) 。这些规程都是数据链路层的协议，都是面向字符 的。所谓面向字符，就是说在链路上所传送的数据都是由规定的字符集( 例如a s c i i 码) 中的字符所组成的。而且，在链路上传送的控制信息也必须由同一个字符集中的若 干指定的控制字符构成。面向字符的链路控制规程曾在计算机网络的发展过程中起了重 要的作用，但随着发展，这种规程就逐渐暴露出其弱点。就b s c 规程来说，其主要限 制是： 1 通信线路的利用率低，因为它采用的是停止等待协议，收发双方交替地工作。 2 所有通信设备必须使用同样字符的代码，而不同版本的b s c 规程要求使用不同 的代码。 3 只对数据部分进行差错控制，若控制部分出错就无法控制，因而可靠性差。 4 不易扩展，每增加一种功能就需要设定一个新的控制字符。 1 9 7 4 年，i b m 公司推出了著名的体系结构s n a 。在s n a 的数据链路层规程上采用 了面向比特的规程s d l c ( s y n c h r o n o u sd a t al i n kc o n t r 0 1 ) 。后来i b m 将此规程提交美 国国家标准协会a n s i 和国际标准化组织i s o ，建议成为国家和国际标准。a n s i 把s d l c 修改为a d c c p ( a d v a n c e dd a t ac o m m u n i c a t i o nc o n t r o lp r o c e d u r e ) 作为美国国家标准， 硕士论文电子不停车收费系统基带电路的设计与实现 而i s o 把s d l c 修改后称为h d l c ( h i g hl e v e ld a t a l i n kc o n t r 0 1 ) ，并作为国际标准 i s 0 3 3 0 9 。我国的相应国家标准是g b 7 4 9 6 。c c i t t 则将h d l c 再修改后称为链路接入 规程l a p ( l i n ka c c e s sp r o c e d u r e ) ，并作为x 2 5 建议书的一部分( 即有关数据链路层 协议的一部分) 。不久，h d l c 的新版本又把l a p 修改为l a p b ，“b ”表示平衡型 ( b a l a n c e d ) ，所以l a p b 叫做链路接入规程( 平衡型) 。这几个面向比特的链路规程均 大同小异。a d c c p 与h d l c 没有多少区别，s d l c 虽然最早提出，但它实际上是h d l c 的一个子集【6 】。 3 1 2h d l c 的帧结构 数据链路层的数据传送是以帧为单位的。一个帧的结构具有固定的格式，帧格式可 以满足所有格式的数据和控制功能要求，h d l c 的帧结构包括：标志( 起始) 、地址、信 息、帧校验、标志( 结束) ，如表3 1 2 1 所示： 表3 1 2 1h d l c 帧结构 标志( 起始)地址控制信息 f c s 标志( 结束) 0 1 l l l l l o8 比特 8 比特长度可变 1 6 或3 2 比特o l l l l l l o 1 标志字段 物理层要解决比特传输的同步问题，数据链路层也要解决帧的同步问题。帧同步是 指如何从收到的比特流中正确地判断出一个帧开始和结束的位置。为此，h d l c 规定了 在一个帧开头的第一个字节和结尾的最后一个字节的特殊标记。标志字段就是一个帧的 开始与结束的标记。标志字段为0 1 1 1 1 1 1 0 特定的比特序列。接收端只要在接收的比特 流中找到这两个标志字段，就可以确定在这两个标志字段之间的比特流是帧的内容。 这里也存在着一个问题，即因确定一个特定的字符为控制字符时，传输的帧的比特 序列中就不能出现与它相同的比特序列，否则就会出现判断的错误。这也就是帧数据传 输的透明性问题。同样，在两个0 1 1 1 1 1 1 0 的标志字段之间的比特序列中，如果出现了 和标志字段一样的比特组合，那么就会误认为是帧的边界。为了避免出现这种错误， h d l c 规定采用0 比特插入删除方法。图3 1 2 1 给出了0 比特插入删除的工作过程。 0 比特插入删除方法规定：发送端在两个标志字段之间的比特序列中，如果检查出 连续的5 个1 ，不管它后面的比特位是o 或1 ，都增加一个0 ；那么在接收过程中，在2 个标志字段之间的比特序列中检查出连续的5 个l 之后就删除一个0 。在数据发送端， 经过0 比特插入后的数据就可以保证不会出现6 个连续l 。在接收一个帧时，首先找到 标志字段以确定帧的边界，接着再对其中的比特序列进行检查，每当发现5 个连续l 时， 就将这五个连续1 后的一个o 删除，以便将数据还原成原来的比特。这样就保证了在所 传送的比特序列中，不管出现什么样的比特组合，也不至于引起帧边界的判断错误。采 用0 比特插入删除方法后，帧内就可以传送任意组合的比特序列，即可以实现数据链路 1 3 3h d l c 的设计与实现硕十论文 层的透明传输。 接收端 卜标志 发送数据：0 1 1 1 1 1 i l o 比特插入1 0 111111 0 实际发送：0 1 1 1 1 1 1 0 i i 实际接收10 111111 0 0 l l 籼j w , ：0 1 1 1 1 1 1 0 i 接收数据10 1 1 1 1 1 1 0 0o 1 0 0 1 1 0 1 l l o l l l l l0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 oo l o o r 00 1 0 0 1 0 0 l l o l l l 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 囵回 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 10 1 0 0 1 l l l l i 标志一 i i 11111 0 ： i i i 111 11 0l i i 111 11