资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共49页)
编号：512172
类型：共享资源
大小：467.38KB
格式：RAR
上传时间：2015-11-11
上传人：QQ28****1120
认证信息
个人认证
孙**（实名认证）
辽宁
IP属地：辽宁
6
积分
- 关 键 词：
-
毕业设计
- 资源描述：
-
DZ190ETC（电子收费）车载单元的研究,毕业设计
- 内容简介：
-
1 毕业设计（论文）任务书 课题名称 ETC（电子收费）车载单元 的研究 学院 (部 ) 信息工程学院 专 业 电子信息工程 班 级 24030401 学生姓名 李 玉 奎 学 号 2403040130 3 月 3 日至 6 月 8 日共 14 周 指导教师 (签字 ) 教学院长 (签字 ) 年 月 日 nts 2 一、设计内容（论文阐述的问题） 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 . 二 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 选 ，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。 三、设计完成后提交的文件和图表（论文完成后提交的文件） 1. 计算说明书部分： 1 设计说明书部分 2 相关背景知识介绍说明部分 3 各功能部件说明部分 nts 3 2、图纸部分： 1.总设计框图 2.流程图 3.各部分原理图 四、毕业设计（论文）进程安排 序号 设计（论文）各阶段名称 日期（教学周） 1 阅读文献，完成翻译 2008.3.032006.3.30 2 熟悉 系统 结构 、 各功能模块 2008.3.312006.4.20 3 完成 系统硬件、软件设计 2008.4.212006.5.20 4 撰写毕业设计论文 2008.5.212006.6.08 五、主要参考资料 1 1S0/TC204 中国委员会 .ETC 系统 DSRC 技术标准化动态 R. 2 ST.STR71xMieroeontrollerRefereneeManual M， STpublisher， 2005 3 杜春雷 .ARM 体系结构与编 程 M，清华大学出版社， 2003. 4 许宏科，赵祥模，关可 .高速公路收费系统理论及应用 M，北京：电子工业出版社， 2003： 169-171. 5 郭敏 .高速公路收费系统 M，北京 ：人民交通出版社， 2002： 274-280. 6 黄卫，陈里得 .智能运输系统 (ITS)概论 M，北京：人民交通出版社， 2001：236-240. 7 交通部 .高速公路联网收费暂行技术要求 M，北京 : 人民交通出版社 ,2000 8 张友德，赵志英 .单片微型机原理 M 上海：复旦大学出版社， 1998， 88-101. nts 4 nts 二 八 届 毕 业 设 计 ETC（电子收费）车载 单元的研究 学 院：信息工程学院 专 业：电子信息工程 姓 名： 李 玉 奎 学 号： 2403040130 指导教师： 李明利 完成时间： 2008-6-8 二八年六月 nts长安大学毕业设计（论文）开题报告表 课题名称 ETC（电子收费）车载单元的研究 课题来源 自选题目 课题类型 工程设计 指导教师 李明利 学生姓名 李玉奎 学 号 2403040130 专 业 电子信息工程 课题 的 意义 ： 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 . nts 本设计的研究内容 和目标 ： 1.研究内容： 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 是 MCU 协议 MCU 编程实现 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 选 ，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 研究方法、手段： 本文提出的 OBU 系统以 STR710 作为系统的 MCU，采取了从整体到部分，从核心到外围的设计思想 . 预计取得的成果： 完成论文 OBU 各个模块的 设计 . MCU 的编程 . nts工作计划及安排： 序号 设计（论文）各阶段名称 日 期 1 阅读文献，完成翻译 2008.3.032006.3.30 2 熟悉 系统 结构 、 各功能模块 2008.3.312006.4.20 3 完成 系统 硬件 、软件设计 2008.4.212006.5.20 4 撰写毕业设计论文 2008.5.212006.6.08 完成任务所具备的条件因素： 1、 老师 悉心的指导和帮助 ； 2、老师提供设备、实验室等各方面优越的条件； 3、对本课题的浓厚的兴趣； 4、熟悉单片机硬件设计和软件设计。 指导教师意见及建议： 指导教师签名： 年 月 日 注： 1、课题来源分为：国家重点、省部级重点、学校科研、校外协作、实验室建设和自选项目；课题类型分为：工程设计、专题研究、文献综述、综合实验。 2、此表由学生填写，交指导教师签署意见后方可开题。 nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 3 页 第 1 页 装 订 线 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。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 nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 3 页 第 2 页 装 订 线 Abstract ETC(Electronic Toll Collection) ， as one of the Services of ITS(Intelligent Transport System)， 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. nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 3 页 第 3 页 装 订 线 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 背景概述 . 1 1.2 ETC在实际中的应用 . 1 1.3 软硬件开发平台简介 . 3 1.4 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 . 5 2.1系统工作原理 . 5 2.2 各功能模块的描述 . 6 2.3 关键技术及技术难点 . 8 第三章 OBU硬件设计 . 10 3.1电路系统总体架构 . 10 3.2电路各功能模块的设计 . 11 3.2.1 MCU 模块的设计 . 11 3.2.2 电源管理电路单元的设计 . 11 3.2.3 非接触式 IC卡接口模块单元的设计 . 12 3.2.4 壳体开启监测电路的设计 . 13 3.2.5 电池电压监测电路的设计 . 14 3.2.6 人机接口电路的设计 . 15 3.2.7 DSRC 协议芯片的实现 . 16 第四章 MCU编程实现 . 20 4.1 MCU对物理层操作 . 20 4.2 MCU对数据链接层的操作 . 22 4.3 MCU对应用层的操作 . 23 结论 . 30 致谢 . 31 主要参考文献 . 32 nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 3 页 第 4 页 装 订 线 nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 1 页 装 订 线 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nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 2 页 装 订 线 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 55 60。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 80km h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nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 3 页 装 订 线 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nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 4 页 装 订 线 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。 nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 5 页 装 订 线 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，nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 6 页 装 订 线 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 nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 7 页 装 订 线 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 nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 8 页 装 订 线 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 nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 9 页 装 订 线 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。 nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 10 页 装 订 线 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nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 11 页 装 订 线 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 : nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 12 页 装 订 线 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nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 13 页 装 订 线 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 : nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 14 页 装 订 线 表 3.2 壳体开启检测电路方案比较 方案 优点 缺点 A 1: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 B 1: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 : nts ETC(电子收费 )车载单元的研究 共 12 页 第 15 页 装 订 线 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
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号