張永合

摘 要：文章針對(duì)停車(chē)場(chǎng)月保車(chē)輛的應(yīng)用需求，結(jié)合ETC系統(tǒng)，介紹了一款低成本的微波讀寫(xiě)器。重點(diǎn)闡述了設(shè)備組成原理、硬件電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，以及軟件開(kāi)發(fā)原理和核心流程。該產(chǎn)品方案簡(jiǎn)單易行，便于在同類(lèi)型產(chǎn)品應(yīng)用開(kāi)發(fā)中推廣。

關(guān)鍵詞：停車(chē)場(chǎng)；ETC；RSU；電路設(shè)計(jì)

隨著電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)（Electronic Toll Collection，ETC）系統(tǒng)的推廣普及，越來(lái)越多的車(chē)輛加裝了電子標(biāo)簽車(chē)載單元（On Board Unit，OBU），使得ETC與停車(chē)場(chǎng)應(yīng)用管理結(jié)合成為可能。微波讀寫(xiě)器路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）是OBU與停車(chē)場(chǎng)車(chē)控機(jī)之間重要的橋接設(shè)備，一款系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低的RSU無(wú)疑具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。下面介紹一種應(yīng)用于停車(chē)場(chǎng)的低成本RSU的設(shè)計(jì)，該設(shè)備已應(yīng)用于深圳市金溢科技股份有限公司ETC智慧停車(chē)系統(tǒng)產(chǎn)品中，并取得了良好的使用效果。

1 總體方案

該RSU專(zhuān)門(mén)針對(duì)停車(chē)場(chǎng)的月保車(chē)輛管理應(yīng)用而設(shè)計(jì)，只需讀取OBU的ID號(hào)和車(chē)牌信息數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)月保車(chē)輛的識(shí)別與管理。RSU和OBU之間采用微波無(wú)線傳遞手段和DSRC通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息通訊，RSU和車(chē)控機(jī)之間依靠有線網(wǎng)絡(luò)連接和專(zhuān)用通信協(xié)議進(jìn)行信息交互[1]。

RSU通常由控制單元、射頻單元和天線單元組成，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，這里將控制單元與射頻單元集成后設(shè)計(jì)為主控單元。整個(gè)RSU的組成原理框如圖1所示。

主控制器選用ST公司的STM32L072，它一款基于ARM Cortex?-M0+的32位低成本MCU，工作頻率32 MHz，0.95 DMIPS/MHz；MCU通過(guò)SPI總線外接Microchip公司的以太網(wǎng)控制器ENC424J600，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能；選用EEPROM芯片K24C32來(lái)存儲(chǔ)需要在線改寫(xiě)和保存的數(shù)據(jù)；射頻通路中選用上海博通公司的BK5824芯片作為收發(fā)信機(jī)，它是一款符合5.8 GHz ETC應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器；功放芯片采用Skyworks公司的SE5003L1；低噪聲放大器采用RFMD公司的RF5515；天線單元采用具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剖面低、易于加工的微帶天線。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路部分

主控電路包括：電源、時(shí)鐘、復(fù)位、STM32L072芯片、 EEPROM存儲(chǔ)電路、網(wǎng)絡(luò)接口電路、GPIO控制電路和 SWD調(diào)試接口等。

為增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性，MCU復(fù)位電路中選用MAXIM公司的MAX6369芯片做看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)?？紤]到調(diào)試需要，用撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行選通操作，從而使看門(mén)狗的復(fù)位信號(hào)不會(huì)影響MCU正常調(diào)試操作。

以太網(wǎng)絡(luò)控制器ENC424J600芯片采用串行總線SPI方式與MCU連接，其接口數(shù)據(jù)速率可達(dá)14 Mbps。通過(guò)將引腳INT/SPISEL上拉，這樣芯片上電后就進(jìn)入SPI通信模式，同時(shí)該引腳作為中端信號(hào)供給MCU[2]。

2.2 射頻電路部分

基于BK5824的射頻信號(hào)收發(fā)電路是系統(tǒng)的另一核心，主要負(fù)責(zé)把5.8 GHz射頻信號(hào)解調(diào)數(shù)字化后送給主控制器，或者將主控制器發(fā)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)調(diào)試轉(zhuǎn)換為5.8 GHz射頻信號(hào)輸出。該收發(fā)器芯片具有﹣56 dBm的喚醒靈敏度，﹣83 dBm的接收靈敏度，輸出功率高達(dá)7 dBm，并具備快速自動(dòng)增益控制功能，可容納高達(dá)80 dB動(dòng)態(tài)范圍射頻信號(hào)輸入。與MCU的連接選用串行總線SPI通信和GPIO控制方式，同時(shí)預(yù)留誤碼率測(cè)試接口，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，幾乎不需要外部組件，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

信號(hào)接收時(shí)，天線接收的射頻信號(hào)需要經(jīng)過(guò)低噪聲放大器處理才能給后級(jí)的射頻收發(fā)器使用，這里選用具有11 dBm放大增益的低噪放RF5515進(jìn)行信號(hào)放大；信號(hào)發(fā)送時(shí)，射頻收發(fā)器發(fā)出的射頻信號(hào)需要經(jīng)過(guò)功率放大電路提升至一定的發(fā)射功率才能經(jīng)天線發(fā)射出去，這里選用具有26 dBm放大增益的功放SE5003L1。主控制器同時(shí)控制一個(gè)射頻SPDT開(kāi)關(guān)和一個(gè)射頻T/R開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)收發(fā)狀態(tài)的有序切換，從而使整個(gè)射頻通路的接收和發(fā)射分時(shí)復(fù)用[3]。

2.3 天線單元

微帶天線上的導(dǎo)體陣元采用矩形陣元設(shè)計(jì)。天線增益要求不同，天線陣元數(shù)目也不同；天線水平方向和垂直方向的波瓣寬度要求不同，天線陣元的排布也不同。對(duì)于N×M陣列天線，其中N代表水平方向，M代表垂直方向，各方向上隨陣元數(shù)量變化趨勢(shì)為：陣元數(shù)量增加，該方向上主瓣波束寬度變窄，增益提高，但會(huì)造成旁瓣數(shù)量變多，與主瓣夾角變小，有導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)突變的風(fēng)險(xiǎn)。

這里選用3×4陣列微帶天線，采用Rogers板材制板，實(shí)測(cè)天線增益接近10 dBi，天線水平方向3 dB波束寬度在30°左右，垂直方向3 dB波束寬度在25°左右。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)功能包括：（1）底層驅(qū)動(dòng)程序功能，包括各硬件電路的初始化、硬件資源的操作、調(diào)度與管理；（2）邏輯處理程序功能，包括主控協(xié)議程序、中斷服務(wù)程序[4]。

3.1 底層驅(qū)動(dòng)

底層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理、多任務(wù)調(diào)度、文件系統(tǒng)、網(wǎng)口升級(jí)應(yīng)用程序及通信接口協(xié)議封裝等功能。多任務(wù)調(diào)度采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)和優(yōu)先級(jí)管理的處理機(jī)制。文件系統(tǒng)采用FatFS文件系統(tǒng)，只需開(kāi)發(fā)底層儲(chǔ)存操作接口即可。MCU處理器存儲(chǔ)器空間分配為：

RAM區(qū)空間：0x2000 0000～0x2000 4FFF；

BOOT區(qū)空間：0x0800 0000～0x0801 7FFF；

APP區(qū)空間：0x0801 8000～0x0802 FFFF；

EEPROM區(qū)空間：0x0808 0000～0x0808 17FF。

其中將192 Kbytes的Flash存儲(chǔ)空間等分成兩部分，BOOT區(qū)用于引導(dǎo)應(yīng)用程序，APP區(qū)用于放置應(yīng)用程序。

網(wǎng)絡(luò)通信接口采用uIP協(xié)議棧進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并封裝成TCP服務(wù)器用戶(hù)應(yīng)用程序模塊。網(wǎng)口下載應(yīng)用程序模塊采用Xmodem協(xié)議開(kāi)發(fā)。

3.2 通信流程

RSU的通訊流程主要涉及RSU與車(chē)控機(jī)通信、RSU與OBU通信，三者間的通訊流程如下：

（1）車(chē)控機(jī)檢查到有車(chē)輛信號(hào)，給RSU發(fā)送開(kāi)天線指令。

（2）RSU收到指令后應(yīng)答，并循環(huán)發(fā)送BST命令。

（3）OBU進(jìn)入通信區(qū)收到BST，發(fā)送VST應(yīng)答信號(hào)給RSU。

（4）RSU檢測(cè)到VST信號(hào)后通知車(chē)控機(jī)。

（5）車(chē)控機(jī)收到VST應(yīng)答后，通知RSU進(jìn)行讀取OBU數(shù)據(jù)操作。

（6）RSU讀取OBU的數(shù)據(jù)，返回給車(chē)控機(jī)。

（7）車(chē)控機(jī)接收信息后應(yīng)答RSU。

（8）RSU收到應(yīng)答信息后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

（9）本次通信結(jié)束，下次通信從步驟（1）開(kāi)始。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于ETC智能停車(chē)應(yīng)用的微波讀寫(xiě)器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，軟件開(kāi)發(fā)方便，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。產(chǎn)品使用情況表明，該設(shè)計(jì)能夠可靠穩(wěn)定工作，可提升停車(chē)場(chǎng)月保車(chē)輛的管理效率。對(duì)于其他相關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)用，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]GB/T 20851-2007 電子收費(fèi) 專(zhuān)用短程通信[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局/中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2007.

[2]GB/T 35070-2018 停車(chē)場(chǎng)電子收費(fèi)[S].北京：國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局/中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2018.

[3]停車(chē)場(chǎng)RSU-車(chē)道通訊協(xié)議[Z].深圳：深圳市金溢科技股份有限公司，2014.

[4]STUTZMAN W，THIELE G，STUTZMAN，等.天線理論與設(shè)計(jì)[M].2版.北京：人民郵電出版社出版，2006.