一种ETC芯片的集成化设计与实现.pdf

第 12 卷 第增 1 期 2012 年 6 月 交通运输系统工程与信息 Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology Vol郾 12Sup 1 June2012 收稿日期 2011鄄12鄄12摇 摇 摇 摇 修回日期 2012鄄02鄄13摇 摇 摇 摇 录用日期 2012鄄03鄄13 作者简介 孙卫真 1963 男 上海金川人 硕士导师 通讯作者139 com 文章编号 1009鄄6744 2012 Sup 1鄄0020鄄05 一种 ETC 芯片的集成化设计与实现 孙卫真 1 马摇 磊1 潘海军2 1 首都师范大学 信息工程学院 北京 100048 2 北京逸海京通科技有限公司 北京 100070 摘要 摇 中国电子不停车收费 ETC 行业目前所使用的 OBU 由于分离元器件搭建所 产生的频点漂移现象导致系统性能不稳定 采用二极管峰值检波技术导致 OBU 产品成 本增加 本文通过对国内外所采用 ETC 车载设备 OBU 的研究 以及对国标的分析 设 计出一种系统集成化方案 采用系统集成化方法将原本由分离器件搭建的各个电路模 块集成于一个芯片 从而解决目前国内所采用的 ETC 车载设备 OBU 系统不稳定 设 备成本高 返修率高等一系列问题 并最终通过系统仿真和实际路测 证实该设计的正 确性 可行性和可推广性 该设计申请了多项国家专利 关键词 摇 智能交通 电子不停车收费 车载电子标签 微波集成电路 射频 中图分类号 摇 U 491 8文献标识码 摇 A Design and Implementation of ETC Integrated Chip SUN Wei鄄zhen1 MA Lei1 PAN Hai鄄jun2 1 School of Information Engineering Capital Normal University Beijing 100048 China 2 Beijing Ezcomm Technology Co Ltd Beijing 100070 China Abstract 摇 For the current used OBU in Chinese ETC industry the discrete components structure always leads to system instability and the diode peak detecting technology increase the cost This paper studies the OBUs both at home and abroad and analyzes the National Standard and then proposes a system integration solution Instead of building the system with discrete components system integration solution integrates every sub鄄module into one single chip It solves a series of problems such as system instability high BOM cost and high repairing rate The design is proven to be correction feasibility for the by system simulation based on filed test The design has applied several patents in China Key words 摇 intelligent transportation ETC OBU MMIC RF CLC number 摇U491 8Document code 摇A 第 12 卷 第增 1 期一种 ETC 芯片的集成化设计与实现 1摇 引摇 摇 言 20 世纪 90 年代中期 ETC 被引入中国 采用 单片式电子标签及被动式专用短程通信 1 DSRC 传输方式 随着 GB T20851 发布 交通部于 2007 年第 35 号公告 收费公路联网收费技术要求 明 确指出电子不停车收费技术将作为高速公路收费 技术的未来发展方向 国标规定采用双片式及主动 式 DSRC 方式 这使得系统在建设上更加灵活 具 有更多的扩展功能且具有能够过渡到下一代高速 宽带 DSRC 车路通信的可能性 相对于单片式 双 片式 MTC 和 ETC 可以通过 IC 卡实现无缝兼容 ETC 车道可以按需建设 不需要在所有的收费站布 设 并且 IC 卡作为一个电子钱包 可以方便的兼容 和扩展到其他与交通相关的非现金小额消费领域 国内 ETC 技术与国外相比还不够成熟 主要 体现在硬件资源不足和核心技术匮乏等方面 主要 原因是国内厂家所采用的技术手段都是通过分离 器件的搭建来实现各个模块的功能 使得产品性能 存在不稳定性 并且批量加工时制作工艺繁琐 人 工成本高 所以 研制出符合中国国标的 ETC 专用 集成芯片是 ETC 行业的需要 也是推动中国高速 公路通行能力发展的关键所在 具有理论和实际 意义 2摇 国内外研究现状及拟解决的关键问题 2 1摇 国内外研究现状 目前 美国 日本及欧洲各地所使用的 ETC 车 载设备 OBU 中 其核心的5 8 GHz 射频通讯由单 片式微波集成电路 MMIC 实现 即在半绝缘半导 体衬底上通过工艺方法制造出各元器件 并使其连 接起来构成能够应用于微波 甚至毫米波 频段的 功能电路 在其芯片内集成低噪声放大器 LNA 功率 放 大 器 PA 混 频 器 Mixer 检 波 器 Detector 调 制 器 Modulator 频 率 合 成 器 Synchronizer 等 RF 系统关键组件 但针对中国国 标 美国 RFMD 公司推出的 ML5830 无法实现射频 信号接收 不包括唤醒模块 日本东芝推出的 TB32160FG 不包括唤醒模块 且收发功耗较大 国 内现在研制出的 ETC 芯片 在实际应用中均出现 了待机功耗高 唤醒电路不完善 性能不稳定等问 题 均不能满足用户需要 这是由于各国 ETC 标准 不统一 而 MMIC 多数是针对本国的 ETC 标准订制 的 所以国外使用的 MMIC 不能直接在中国应用 目前 国内使用 ETC 产品的芯片均采用分离 元器件来实现微波发送和接收 这样就会产生频点 漂移现象 具体原因是 OBU 射频发送部分是由最 传统的介质振荡器电路实现 而介质振荡器对频率 没有形成闭环控制 使频率随温度漂移严重 导致 OBU 在气温随季节变化差异非常显著的地区无法 使用 若采用闭环控制设计良好的集成芯片模组却 可以轻松地解决这个问题 此外 采用分离元器件 搭建的 OBU 在产品投入使用前要经历一系列的工 艺调谐 在使用中会出现产品工作不稳定 返修率 高等问题 在 OBU 接收电路方面 国内大都采用二 极管峰值检波技术 使 OBU 产品成本增加 阻碍了 产品大面积推广 2 2摇 拟解决的关键问题 通过对比国内外 ETC 系统研究现状 国内 OBU 产品要想摆脱技术瓶颈 只有采用集成化芯 片方案 特别是射频部分 通过提高集成度 利用 MMIC 的优势来解决现有问题 针对国内现有 OBU 功耗大 产品性能不稳定等问题 本文通过创新性 研究对以上两个问题进行了解决 1 供电方面 供电模块的设计主要是针对我国国情 基于我 国 OBU 供电方式而设计的 我国 OBU 需要采用电 池供电方式 这就要求产品具有低功耗等特点 本 文设计的供电模块在 ETC 产品不更换电池的情况 下可以持续工作 7 年 解决了国内现有 OBU 功耗 大的问题 2 系统稳定性及生产成本方面 为提高产品稳定性 解决国内现使用 OBU 返 修率高问题 本文在设计上将射频模块 包括收发 单元和唤醒单元 集成为一体 并集成在一个射频 芯片上 大大提高了系统稳定性 并且缩小了产品 体积 同时在很大程度上降低了产品成本 3摇 主要研究内容 3 1摇 研究方法 根据 GB T 20851 1鄄2007 电子收费专用短程 通信物理层 和 GB T20851 1鄄2007 电子收费专用 短程通信数据链路层 标准设计了一款符合该标准 的 ETC 芯片 本文主要设计了电源管理模块 该模块能够最 大限度优化芯片工作电流和待机电流 国标要求 ETC 功耗小于 25 mA 接收模式小于 20 mA 休眠 12 摇 摇 摇 摇 摇交通运输系统工程与信息2012 年 6 月 模式下功耗低于 2 滋A 为解决上述供电问题 本设 计使 OBU 主要处于待机状态来保证低功耗 只有 在三种情况下才被唤醒 一是接收到 5 8 GHz 的唤 醒信号 二是检测到插入用户卡 三是 OBU 检测到 非法状态 这三种模式通过一个统一的唤醒模块来 实现低功耗电源管理 在待机状态下 OBU 的电源 管理模块耗电小于5 uA 电源维持供电可达到5 至 7 年 同时 本文将射频单元 基带处理单元 安全模 块 读卡单元进一步集成 不需要再用分离器件搭 建各个模块 大大提高了系统集成度 并降低了生 产成本 其具体结构是将 LDO 线性稳压器 接收 链路 发射链路 唤醒电路和 5 8 GHz 频率综合器 这几个模块集成于射频前端芯片上 主要包括集成 频率合成器 ASK 调制器 ASK 解调器 2 下变频 器 低噪声放大器和自动增益控制器的设计 通过仿真测试 该设计芯片的工作条件及性能 均满足国标要求 3 2摇 具体研究内容及创新性设计 1 高灵敏度唤醒模块的设计 唤醒模块的设计主要是将 RSU 发射的 5 8 GHz 信号经天线接收后 送入二极管进行整流检 波 3 将整流检波后得到调制信号包络经运放进行 放大 将放大后的信号送入比较器的正输入端 将 经过 RC 滤波的输出信号作为电压基准送入比较 器的负端 这时 比较器将输出解调的方波信号 为 了避免噪声干扰引起比较器反复比较所带来的误 差 需要将比较器引入回滞 并且解调的方波信号 需要进行判决是否为有效唤醒信号 该判决功能由 一带通鉴频器实现 如果该解调信号频率位于 10 kHz 20 kHz 之间 即认为是有效的唤醒信号 从 而送入 MCU 的 interrupt 但目前所采用的唤醒方案是为了保证足够低 的功耗 并未考虑误唤醒情况 对此本文设计了一 种创新性方案来解决这个问题 即通过在带通鉴频 器及 OSC 电路引入使能控制 使其可以根据需要 关闭鉴频功能直接将比较器的输出送入 MCU 的 interrupt 从而进一步降低唤醒接收机的低功耗 该 种设置也可以根据系统设计的需要在 MCU 中进行 合法唤醒信号的判决 经过仿真测试 该模块电路 达到如下指标 淤 唤醒灵敏度 40 dBm 于 睡眠电流 3 uA 盂 唤醒时间 0 4 ms 榆 接口特性 SPI 唤醒电路解调输出及与输入调制波形对比如 图 1 所示 图 1摇 唤醒电路输入和输出仿真结果 Fig 1摇 Simulation result for input 于 Fractional鄄N 小数频率合成器 频率分辨率 小于 50 Hz PLL 建立时间 100 滋s 盂 为发射和接收提供本振信号 榆 片上自适应调节电路 在发射和接收时 保 证 VCO 工作于最优同时调节电荷泵和环路参数 使环路带宽恒定 虞 支持多种晶振频率 22 第 12 卷 第增 1 期一种 ETC 芯片的集成化设计与实现 经过仿真测试 本部分设计的频率综合器符合 以下参数指标 淤 电荷泵电流 0 3 mA 于 VCO 控制电压 0 2 1 6 V 盂 PLL 建立时间 50 dB 鄄5MHz 余 带内 1dB 压缩点 6 dBm 该滤波器的仿真结果如图 3 图 4 所示 图 3摇 复数滤波器中心频率的调谐 Fig 3摇 Tuning for center frequency of complex filter 图 4摇 复数滤波器带宽的调谐 Fig 4摇 Tuning for bandwidth of complex filter 32 摇 摇 摇 摇 摇交通运输系统工程与信息2012 年 6 月 4 高速 ASK 解调电路的设计 ASK 解调电路的设计采用了数据限幅技术 6 信号通过 RSSI 电路 将幅度转变为电压信号 再通 过 sallen key 滤波器 最后经过比较器比较得到 ASK 输出信号 RSSI 电路主要是通过限幅器将信 号放大到饱和 通过在每级限幅器中间插入模拟检 波器 将幅度电压转化为电流信号 再通过电阻产 生一个与输入幅度 DB 线性的电压信号 通过仿真测试该解调电路具有以下参数指标 淤 动态范围 60 dB 于 最小检测信号 60 dBm 盂 带宽 30 M 榆 电压工艺温度偏差 0 08 V 虞 功耗 2 5 mA 愚 调制系数 0 5 0 9 舆 输入范围 60 dB 余 功耗 3 mA 5 基于 CMOS 的功率放大器 7 PA 本部分设计的 PA 电路采用两级放大 混频器 信号经过第一级 cascode 放大级预放大后 再通过 第二级 cascode 放大器放大 并驱动 50 欧姆负载天 线 PA 设计输出为 5 dBm 通过仿真测试 该功率放大器具有以下参数 指标 淤 功率增益 15 dB 于 最大输出功率 输入峰 峰值350 mV 5 dB 盂 输入 1 dB 压缩点 0 dBm 榆 输出 1 dB 压缩点 10 dBm 虞 可编程范围 10 dB 愚 功耗 25 mA 4摇 研究结论 本文根据现今国内外 ETC 产业发展现状 设 计了一款适合中国国标 且集成度高的 ETC 芯片 提出一种新型嵌入电源管理模块设计 并将各分离 模块集中于射频前端芯片上 提高芯片的集成度 减小产品体积 降低生产成本 在具体设计过程中 针对不同的模块 创造性提出 5 种新的设计方案 通过前期理论论证和电路设计 到后期系统仿真和 测试 该芯片各项参数指标均达到甚至超过国家标 准 从而证实该设计的正确性 表明该设计具有理 论及实际意义 参考文献 1 摇 邹雯奇 戚宇林 尹秀艳 专用短程通信 DSRC 技术 简介 J 中国科技信息 2005 20A 15 ZHOU W Q QI Y L YIN X Y Introduction of dedicated short rangecommunication J ChinaScienceand Technology Information 2005 20A 15 2 摇 刘伟 李永明 张春等 用于 RF ID 标签的自适应低 压电流模 ASK 解调器 J 半导体技术 2009 1 10鄄14 LIU W LI Y M ZHANG C Self鄄adaptive low鄄 voltage current mode ASK demodulator for RFID tags J Semiconductor Technology 2009 1 10鄄14 3 摇 郑昊祖 二极管包络检波电路的仿真分析 J 光盘 技术 2008 10 41 ZHENG H Z CD technology simulation analysis of diode envelope detection circ