（通信与信息系统专业论文）etc系统中高灵敏度obu的研究与设计.pdf

，f 贪 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 e t c ( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) 系统作为智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t s y s t e m s ) 的重要组成部分，通过收费过程信息处理自动化，可以极大提高城市道路 通行率，并减少因交通堵塞对环境造成的污染，从而改善了用户的驾车环境。 本文从e t c 系统发展现状和其通信协议的研究出发，针对国内当前市场上电子 标签o b u ( o n b o a r du n i t ) 存在的不足，提出新的设计方案。本设计以o b u 系统 模块为基础，以提高射频收发灵敏度和唤醒灵敏度为技术核心，以增加校准系统和 通信状态为调控手段，从而实现高灵敏度o b u 解决方案的设计。 本文主要研究内容如下： 一、本文从e t c 系统的定义、e t c 系统工作原理及其国内外发展状况进行介 绍，并对当前国内e t c 系统所采用的通信标准协议专用短程通信d 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 ) 协议进行系统研究。 二、针对当前市场上存在高档车无法安装o b u 或安装后通行成功率低的现状 提出了高灵敏度o b u 这一设计方案，并给出了高灵敏度o b u 的功能设想和功能实 现。作为高灵敏度o b u 设计与实现的难点，本文重点研究了高灵敏度o b u 系统模 块的设计与实现，主要从高灵敏度o b u 系统的模块构成、低功耗m c u 处理器模块、 高灵敏度射频通信模块、高灵敏度唤醒模块、读卡模块和电源模块等几个重要组成 部分进行了详细功能介绍与具体实现，并进行了深入的研究和分析。 三、通过对样机各功能模块的测试，利用所得到的相关测试结果进行验证分析。 由结果可知本文所提出的设计方案基本上实现了高灵敏度o b u 研究设计时要求的 低功耗、高灵敏度等核心设计需求，从而论证了本设计方案切实可行。 关键词：e t c ；i t s ；电子标签；专用短程通信 a b s t r a c t a sa l l i m p o r t a n tc o m p o n e n t f o r i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ) ，e t c ( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) c a l lg r e a t l yi n c r e a s et h ev e h i c l et r a 街ce f f i c i e n c y , a n dr e d u c e p o l l u t i o nb yt r a f f i cj a n lt h r o u g h t h ea u t o m a t i o no fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi nt h e c o l l e c t i o n , s oa st oi m p r o v et h ed r i v i n gq u a l i t y t h i st h e s i si sm a i n l yb a s e do n 也ed e v e l o p m e n to fe t cs y s t e ma n dt h er e s e a r c ho n t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c a l ；w ep r o p o s e dan e ws o l m i o nf o rt h ed e f i c i e n c yo fo b u ( o n b o a r du n i oo nt h ed o m e s t i cm a r k e t i no r d e rt or e a l i z et h eh i g hs e n s i t i v i t yo fo b u ， t h i sd e s i g nb a s e so nt h eo b us y s t e mm o d u l e ，w h i c ha d o p t st h et e c h n o l o g yo fi m p r o v i n g t h er ft r a n s c e i v e ra n da w a k e ns e n s i t i v i t y , t h em e t h o do fa d d i n gc a l i b r a t i o ns y s t e ma n d c o m m u n i c a t i o ns t a t u sa r eu s e dt o o ，b yt h e s ew a y s ，i tr e a l i z e st h ed e s i g na sas o l u t i o nf o r h i g hs e n s i t i v i t yo b u 砀ec o n t e n to ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o na n dp r i n c i p l eo fe t cs y s t e m ，a sw e l la st h e d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，a n dt h e r e s e a r c ho nt h ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d a g r e e m e n tf o rt h ed o m e s t i ce t cs y s t e m - t h ed 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 ( d s r c ) s e c o n d l y , w ep u tf o r w a r dt h ei d e aa n di m p l e m e n t a t i o no fh i g hs e n s i t i v i t yo b u ，d u e t ot h ef a c t st h a tt h ei n s t a l l a t i o ni su n a b l et oc o m p l e t ei nt h et o pg r a d ec a ro rt h el o w s u c c e s sr a t ea f t e ri n s t a l l a t i o n a st h ed i f f i c u l t yi nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e l l i 曲s e n s i t i v i t yo b u ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh i g h s e n s i t i v i t yo b us y s t e mm o d u l e i tm a i n l yi n c l u d et h ed e t a i l e df u n c t i o n a li n t r o d u c t i o n a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fh i 曲s e n s i t i v i t yo b us y s t e m ，l o wp o w e rm c up r o c e s s o r m o d u l e ，h i 曲s e n s i t i v i t yr fc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，h i g hs e n s i t i v i t ya w a k e nm o d u l e ， r e a d i n gc a r dm o d u l ea n dp o w e rs u p p l ym o d u l ea n ds oo n a l lo f t h e s ea r ea n a l y z e da n d r e s e a r c h e di nd e t a i l s f i n a l l y , t h ev e r i f i c a t i o ni sc o n d u c t e dt h r o u g ht h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l t sf r o mt h et e s t f o re a c hm o d u l eo fp r o t o t y p e s , t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g ni nt h i st h e t i sb a s i c a l l y m e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h el o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dk g hs e n s i t i v i t y , t h e f e a s i b i l i t yo f t h i sd e s i g ni sd e m o n s t r a t e d k e yw o r d s ：e t c ；i t s ；e l e c t r o n i cl a b e l ；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 第一章绪论 1 1 论文研究的背景 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 s ，简称i t s ) 是将先进的电子信息技 术、通讯技术、传感技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个地面交通运 输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效 的综合的运输和管理系统【1 1 。i t s 主要包括：先进交通信息服务系统、先进交通管 理系统、先进车辆控制系统、先进公共交通系统、电子不停车收费系统、应急救援 系统、物流交通管理系统等【2 1 。其中电子不通车收费( e l e c t r o n i ct o uc o l l e c t i o n , 简称 e t c ) 系统是i t s 主要应用对象之一，是当前国际上大力开发并重点推广普及用于 公路、桥梁以及隧道的电子自动收费系统纠。 随着我国经济实力的显著提升，城市交通机动化、智能化得到飞速发展，交通 需求量迅猛增长。国内车辆拥有量及流动量迅速增加，在有限的交通资源下，道路 基础设施建设与同益增长的汽车拥有量之间的矛盾r 益凸现，土地资源的日益匮 乏，严重制约着路网建设规模的扩大，为了缓解交通需求供求矛盾，许多城市投入 了巨大的人力物力进行道路基础建设。然而实践证明，交通需求与交通供给之间存 在一种互动的关系，随着交通供给的持续增长，也势必产生新的交通需求，其结果 是城市交通之间这种供求矛盾并没有得到根本有效的解决，由此而引发的交通堵 塞、拥挤、环境污染、交通事故等问题越来越引起引起社会各界的广泛关注。一个 城市未来的可持续发展势必要求在城市交通问题上得到很好的解决，如何提高有限 交通资源的利用率成为解决交通问题的关键。近年来，借鉴国外经验，我国从一开 始主要依靠大量修建道路来扩大路网规模的方式去满足日益增长的城市现代化的 交通需求，转移到依靠通信、电子等现代高新技术来改造现有的运输系统和管理体 系，从而实现路网通行能力和服务质量大幅度提高的目的【4 1 。基于这种背景下电子 不停车收费( e t c ) 系统以其智能化、高效率和环保等优点应运而生。 然而，在e t c 系统给我们带来高效、快捷、方便、环保的同时，也伴随着新的 问题产生。随着我国e t c 系统的不断推广普及，国内e t c 用户量迅猛增加，其中 高档车的客户数量也越来越多，但在实际应用中，些高档车存在无法安装电子标 签( o b u ) 或安装后通行成功率低的问题，面对这一日益突出的现实问题，研究设 计出一款能够解决问题的新型o b u 不仅符合当前市场需求而且还具备很高的市场 价值和应用前景。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2e t c 系统 1 2 1e t c 系统的定义 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 , 简称e t c ) 是当前世界上最先 进的一种路桥收费方式。利用在车辆前挡风玻璃上安装的车载电子标签o b u ( o n - b o a r du n i t ) 与收费站e t c 车道上的微波读写天线r s u ( r o a ds i d eu n i t ) 之 间进行微波专用短程通信d 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 l i o n ) ，利用计算 机联网技术进行数据处理，并将相关信息反馈给银行进行后台结算处理，从而实现 车辆通过路桥收费站时无需停车、快捷交易【5 】。 1 2 2e t c 系统工作原理 e t c 系统主要由电子标签( t g 叫车载单元) o b u 、路侧单元r s u 、车道控制 器、电子收费后台处理单元组成【6 】，如图1 1 所示： 只s u 晒 ， 。 办芗专用矮挥通 毒 盏 差遑。 ( d s r c 、 车道控制 器 电子收费莆蝠系统 电子收费后台 潘黄_ 、腿务网络 图1 1e t c 系统构成 e t c 系统工作原理：e t c 车道上r s u 周期性的向车道前方发送广播信息，当 装有o b u 的车辆驶入r s u 的通信区域时，便会收到来自r s u 的广播信息，o b u 立即向r s u 传送车辆信息，完成r s u 与o b u 之间的初始化操作即专用短程通信 链路的建立，r s u 通过通信链路读取o b u 存储的车辆信息文件，并将相关信息发 送至电子收费后台计算机系统进行合法性验证。验证通过后，r s u 便发送i c c 指令 读取电子标签上的i c c 卡中相关信息传送给计算机系统，计算机系统计算出费额后 便传送给r s u ，然后r s u 发送i c c 指令，从电子标签i c c 卡中扣除通行费。计算 机系统形成交易记录，并通过r s u 将交易记录写入o b u 中，交易完成撤销通信链 路。车道控制系统在交易完成后立即使栏杆抬起，让车辆迅速通行，待车辆通过后 栏杆自动降下。整个收费过程无须人工处理，车辆在快速通行的过程中完成相关收 费交易。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3e t c 发展及现状 1 3 1 国外e t c 的发展及现状 国外e t c 技术发展应用已有2 0 多年历史，1 9 8 7 年，从挪威第一次将e t c 技 术由实验室应用到实际工程项目算起【7 】，在过去的2 0 多年时间里，e t c 技术己发 展成为世界各国建设各自的智能交通系统的关键技术，因而纷纷引入e t c 系统，实 现逐步取代当前的人工或半人工的传统收费方式。一些发达国家和地区很早就对不 停车收费( e t c ) 系统中的工程实验、研发技术以及标准规范进行了系统深入的研 究，其中欧美、日本等发达国家的e t c 系统已经实现了地区间兼容和规模化实施， 并向国际标准化组织( i s o ) 提交了电子不停车收费标准草案i s j ，获得了很多厂商的 青睐和支持。 美国不但是目前世界上拥有高速公路最多的国家，而且其高速公路里程总数高 达8 8 万公里，人口在5 万以上城市均实现了高速互联1 9 1 。美国也是最早使用e t c 技术的国家，在上世界8 0 年代末，就在桥梁和隧道应用了e t c 收费方式。如美国 著名的e z p a s s 系统，是由七个运输代理商组成的委员会组织成立且主要用于高速 公路收费站、桥梁以及隧道的e t c 联网收费系统f 1 0 1 。自该系统开通运营之后，其 实行e t c 联网收费车道月平均交易量在4 3 之上，高峰期甚至可达5 5 - 6 0 f 1 1 l 。 e z p a s s 系统运营模式主要为专用车道与混合车道两种，专用车道对通行车辆时速 予以限制，并设有标识牌给以提示，确保道路使用者和收费工作人员的安全【l 2 。 1 9 9 0 年，西班牙、意大利、挪威等国家率先应用电子不停车收费系统。之后， 欧盟其它各国也都相继开始进行不停车收费系统的研究。1 9 9 7 年，随着欧洲标准化 委员会制定的电子不停车收费系统标准草案在欧盟获得通过，开发出一套在整个欧 洲统一的电子不通车收费系统的计划随之产生1 1 3 】。在欧洲最具代表性的联网收费系 统葡萄牙的“v i a v a r d e 电子不停车收费系统。该系统的运营模式采用封闭式 与开放式相结合的方式，该系统运行后，据相关统计证明，采用e t c 收费方式的通 行能力是人工收费方式的7 8 倍，通行效率提升显著l l 引。 日本国内，政府与企业一直致力于推进智能交通系统的发展，电子不停车收费 系统建设就是其中之一。早在1 9 9 3 年日本就在制定“道路技术5 年规划”中明确提出 要加大力度支持研发本国的e t c 系统。1 9 9 9 年，日本全国统一的e t c 系统规格标 准被制定出来，并在全国全面开始实施e t c 系统的联网建设i l 副。目前，日本全国 所有收费站点都安装有e t c 系统，并随着应用的普及，e t c 用户量不断增加。随 着日本e t c 系统的推广普及，同时政府采取对安装电子标签用户进行一定金额补助 和实行e t c 用户可享有路费优惠折扣的促销政策l l6 1 ，截至2 0 1 0 年9 月底，日本国 内e t c 用户超过4 0 0 3 万户，是目前世界上规模最大的e t c 系统应用国家。日本的 e t c 系统采用的是双e t c 天线加双片式o b u 加接触式c p u 卡相结合方案，整个 系统拥有完善的密钥管理机制和o b u 发行体系【l 引，具备很高的安全性和可靠性。 随着e t c 技术的发展和推广普及，许多发展中国家和新兴的工业国家也开始了 对e t c 的研究和开发，并取得理想的效果。如加拿大为解决多伦多市4 0 1 号公路的 交通拥堵而采用世界最先进的不停车收费系统新建成4 0 7 号公路后，大大改善了该 地区的通行情况并提高了通行效率l l 。新加坡是亚洲国家中应用e t c 技术比较突 出的国家之一，于1 9 9 8 年就开始对全国各条公路全部实行e t c 收费方式。 1 3 2 国内e t c 的发展及现状 相对于发达国家，我国发展e t c 技术起步较晚。1 9 9 6 年，广东、北京开始引 入国外相关技术，结合我国公路发展特点，进行优化改善，并用于实际路段的收费 营运中，为我国e t c 发展迈出坚实的一步。 1 9 9 9 年，广东省佛山市通达公司引进美国e t c 系统率先在顺德、南海、佛山 等地相继建成4 0 余条e t c 车道，据统计平均每条车道交通量在1 0 0 0 次以上，其中 南海地区交易量占到其全部机动车的5 0 t b j 。也是在1 9 9 9 年，上海城建集团开始 研制e t c 系统，且被国家经贸委确定为“国家技术创新与产业化专案 示范工程。 2 0 0 2 年，广东省成立了e t c 路桥收费中心，实行全省e t c 系统联网收费，在e t c 系统设计中缴费部分采用全省通用的预付卡“粤通卡 ，这是一种双界面的i c 卡【嘲，并于0 4 年1 2 月份在全省范围内正式开通运营【1 9 】。 2 0 0 7 年3 月1 9 日，随着g b t2 0 8 5 1 2 0 0 7 电子收费专用短程通信1 2 0 】国家标 准的制定，e t c 示范工程建设正式拉开帷幕。自2 0 0 8 年末e t c 示范项目开通以来i z ， 上海、江苏、陕西、北京、武汉、江西等省市相继开通运营e t c 系统，甚至许多省 份已经实行跨省市e t c 系统联网收费田】。 近年来，我国经济实力的显著提升，城市交通机动化、智能化得到飞速发展， 交通需求量迅猛增长，加上广大客户对公路服务意识普遍提高，都大大推进了我国 e t c 系统建设的进程，在全国各地掀起了建设e t c 系统的热潮。据统计，目前全 国e t c 用户量已达到数百万，未来几年这一数字将以倍数增长，标志着我国e t c 已经开始进入了大规模实施阶段。 1 4 本文主要研究内容与结构 本文首先对e t c 系统及其国内外发展状况进行概要介绍，然后对d s r c 协议标 准进行系统研究，继而提出对高灵敏度o b u 设计构想和功能实现，并深入重点研究 硕士学位论文 m a s f e r st h e s i s 高灵敏度0 b u 硬件模块和软件系统的设计与实现。由于高灵敏度0 b u 的硬件模块构 成与实现是0 b u 研发中的主要难点，因而本文的主要重点是研究高灵敏度0 b u 的硬 件系统模块的设计和具体功能实现，并针对0 b u 软件系统，也进行了系统的研究与 分析。最后，给出了相关测试结果与分析，实现了低功耗、高灵敏度等核心设计需 求。 第一章主要介绍本文研究背景、e t c 系统以及e t c 国内外发展现状。 第二章主要针对d s r c 标准协议进行较为详细的介绍。 第三章主要从高灵敏度0 b u 的研究背景、功能设想以及功能实现进行详细研究 与分析。 第四章主要研究高灵敏度0 b u 系统的设计与实现，对高灵敏度0 b u 的各构成模 块进行重点阐述和研究分析，并给出各模块的具体设计。 第五章主要是对样机各功能模块进行测试，并对测试结果进行验证分析。 第六章总结与展望。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章d s r c 协议标准 2 1d s r c 协议标准概述 2 0 0 7 年3 月1 9 同，由中国国家标准化管理委员会和中华人民共和国国家质量监 督检验检疫总局共同发布了g b t2 0 8 5 1 2 0 0 7 电子收费专用短程通信，2 0 0 7 年5 月l 同正式开始实施。这标志着我国的e t c 领域从此拥有一个统一明确的技术标 准规范，它的诞生势必为我国未来e t c 系统自主核心技术的研发以及e t c 产业保持 长期健康发展打下了非常坚实的基础。 d s r c 协议标准是基于开放系统互联o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ) 体系构架的 七层协议模型的基础上1 2 3 ，提出实时性系统普遍采用的o s i _ 三层精简体系，主要为： 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 、数据链路层( d a t al i n kl a y e o 和应用层( a p p l i c a t i o nl a y e o 。 除了上述的三个部分多 f d s r c 协议标准还从设备应用层和物理层主要测试方法两个 部分作出了详细规定。 2 2 物理层 物理层规定了电子收费系统中d s r c 的物理层技术要求，主要包括规范了无线 通信中所使用的传输媒介，上、下行链路传输媒介的物理特性参数，同时明确同数 据链路层的接口并提供给链路层所需的服务。物理层的功能主要有数据传输、数据 同步、定时、保持无线链路连接、控制信道的激活与释放以及信道选择和切换【2 0 1 。 有关物理层上、下行链路具体技术参数要求可参考g b t2 0 8 51 - 2 0 0 7 电子收费专 用短程通信第一部分物理层内容。 2 3 数据链路层 d s r c 数据链路层主要由媒体访问控制层( 即m a c 子层) 和逻辑链路控制层 ( l l c 子层) 两部分构成，主要对链路层参数、信息帧、专用通信链路的建立和撤 销、m a c 子层以及l l c 子层等内容做出了相关规定。 2 3 1m a c 子层 m a c 子层是面向l l c 子层提供服务原语的，其主要职能是负责完成专用数据 链路的建立、帧接收和帧发送等操作。因而m a c 子层所提供的服务内容有：专用 数据链路建立、帧接收和帧发送。根据作用对象的不同，又可以分为r s um a c 服 务和o b um a c 服务。 r s um a c 服务： 6 f 再 硕士学位论丈 m a s t e r st 1 4 e s i s 1 l 专用链路建立 首先r s u 连续广播q = l 的特定b s t 信息，当o b u 收到b s t 信息后便发送专 用m a c 地址给r s u ，用以来响应收到b s t 信息。然后r s u 对收到的专用m a c 地址的合法性进行确认，在确认为合法帧后，便登记该o b u 的专用m a c 地址，并 使用该专用的m a c 地址与o b u 建立链路进行通信1 2 副。 2 ) 帧接收 m a c 子层首先对接收到的所有帧进行有效性检查，检查规则为：检查帧的起 始结束标志是否符合规定；帧在去掉因保持其透明性而加入的0 比特后，其帧比特 数应是八的整数倍，而且帧比特数不超过所规定的八位位组数n 2 ；帧结构中应包 含有效专用m a c 地址，一旦建立专用通信链路，则这个专用m a c 地址应和专用 通信链路m a c 地址一致；帧结构中应含有符合规定的一个m a c 控制域；帧结构 中应含有一个有效的f c s 。对帧的有效性确认后就是信息接收过程，当接收到的有 效帧m a c 控制域中l = i 时，表示帧中包含一个逻辑链路控制协议数据单元 ( l p d u ) 。m a c 子层将提取帧中l p d u 与m a c 地址域里面的内容，并通过服务 原语b m a c i n d i c a t i o n 方式传送到l l c 子层。当接收到的有效帧m a c 控制域中 l = o 时，表示帧中不含有l p d u 。 3 ) 帧发送 r s um a c 通过接收l l c 子层所提供的l p d u ，根据帧格式自行构建出一个帧， 这时帧的m a c 控制域中l 比特应被置l ，d 比特应被置0 ；假如是广播信息，则通 过是否需要建立专用通信链路来决定设置q 值。然后把帧传送到底层。 o b um a c 服务： 1 ) 专用链路建立 o b u 在接收到来自r s u 发出的m a c 地址且p = i 的b s t 信息后，o b u 便以专 用的m a c 地址立即给r s u 发送响应信息。在o b u 接收到第1 个同自身专用m a c 地址一致的下行帧后，则表示专用通信链路已经建立。 2 ) 帧接收 m a c 子层首先对接收到的所有帧进行有效性检查。检查规则为：检查帧的起 始结束标志是否符合规定；帧在去掉因保持其透明性而加入的o 比特后，其帧比特 数应是八的整数倍，而且帧比特数不超过所规定的八位位组数n 2 ；帧结构中应含 有一个有效域指示合法的m a c 地址：帧结构中应含有符合规定的一个m a c 控制 域：帧结构中应含有一个有效的f c s 。对帧的有效性确认后就是信息接收过程，当 接收到的有效帧m a c 控制域中l = i 时，表示帧中包含一个逻辑链路控制协议数据 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 单元( l p d u ) 。m a c 子层将提取帧中l p d u 与m a c 地址域里面的内容，并通过 服务原语m m a c i n d i c a t i o n 方式传送到l l c 子层。 3 _ ) 帧发送 o b um a c 通过接收l l c 子层所提供的l p d u ，根据帧格式自行构建出一个帧， 这时帧的m a c 控制域中l 和d 比特应被置为1 ，然后把帧传送到底层。 2 3 2l l c 子层 l l c 子层主要负责产生协议数据单元( p d u ) 和响应协议数据单元( p d u ) 这 两个用于传输的命令，并完成对接收到的命令响应协议数据单元进行解释。l l c 子 层负责提供应用层的接口，数据传输方式以及对逻辑链路控制服务数据单元l s d u ( l l cs e r v i c ed a t au n i t ) 数据的管理。l l c 子层可以提供不确认无连接和确认无连 接两种服务方式。 不确认无连接服务方式，其数据传输服务通过使数据链路的用户实体可用不确 认方式进行交换逻辑链路控制服务数据单元( l s d u ) ，而在数据链路层上不用建立 连接的一组方法。不确认无连接的数据传输服务可以为点对点、广播或组播三种方 式。在数据传输服务原语中与不确认无连接服务方式有关的有： d l u n i t d a 工a r e q u e s t d l u n i t d a i a i n d i c a t i o n d l - u n i t d a t a r e q u e s t d l u n i t d a t a i n d i c a t i o n 确认无连接服务方式，其数据单元交换服务通过使数据链路的用户实体可在不 需要建立数据链路连接的条件下进行l s d u 交换的一组方法，而且确认是在l l c 子层进行。确认无连接的数据交换方式是采用点对点的。在数据单元传送服务原语 中与确认无连接服务方式有关的有： d l d a t a a c k r e q u e s t d l d 气工a a c k i n d i c a t i o n d l d a t a a c k s t a t u s i n d i c a t i o n d l d a t a a c k r e q u e s t d l d a i a a c k i n d i c a t i o n d l d 蜘巳a c k s 仉气t u s i n d i c a t i o n 2 4 应用层 应用层的主要作用是负责提供d s r c 的通信手段，实现车载单元与路测单元之 间通信处理，其中没有被处理的部分将传送给底层协议去完成。应用层还包括支持 通信系统管理，通过鉴别算法验证身份从而确保信息安全性，并预留了新应用开发 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的消息接口。应用层规定了电子收费专用短程通信的最小服务集，服务集由传送内 核t - k e ( t r a n s f e rk e r n e l ) 、初始化内核i - k e ( i n i t i a lk e r n e l ) 以及广播内核 b k e ( b r o a d c a s tk e r n e l ) - - 个核心单元实现，最小服务集的三个核心单元中至少应包 含2 个核心单元，其中传送内核t k e 是必有核心单元 2 6 1 。 2 5 设备应用层 设备应用层规定了用于e t c 系统中d s r c 设备的应用总则、关键设备的总体 技术要求、o b u 数据结构、e t c 应用接1 ：3 和应用安全1 2 7 1 。应用总则主要从e t c 系 统构成、o b u 内部数据一般规定、o b u 密钥以及文件属性等几个方面作出了规定。 关键设备总体技术要求分别对o b u 和r s u 进行相应技术要求，有关o b u 、r s u 技术要求可参见国标中关于设备应用部分的内容。o b u 数据结构主要包括应用数据 和系统数据两部分。e t c 应用接口是指在服务原语a c t i o n 基础上扩展出来的应 用接口。e t c 应用安全采用手段主要有三种，即访问许可、加密保护和信息鉴别。 2 6 物理层主要参数测试方法 物理层主要参数测试方法部分主要对电子收费系统( e t c ) 专用短程通信的物 理层参数主要用到的测试设备、测试条件、测试方法等进行相关规定。 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第三章高灵敏度o b u 概述 3 1 高灵敏度o b u 研究背景 如今，随着汽车业的发展，汽车设计在稳定性、安全性的基础上越来越重视汽 车作为一种商品给人的舒适度即人性化方面的需求。目前市场上的各种高、中档车 挡风玻璃都带有防辐射隔热设计，这种设计已经成为商家销售汽车的一个热卖点。 防辐射隔热设计主要有两种方式，一种是在汽车玻璃表面镀上一层或多层由金属或 合金或金属化合物组成的薄膜，从而改变玻璃的性能，达到防辐射隔热效果；另一 种是在汽车玻璃上进行贴膜，是专门针对汽车具有防辐射隔热功能而设计的一种透 明薄膜，一般采用具有耐高低温、耐潮湿、耐永久性强的特殊材料研制而成，且清 澈透明。然后经金属化镀层、磁控溅射、夹层合成等多种现代化工艺处理，使其成 为具有不同特性的膜。这种膜能紧紧贴在玻璃上，从而达到防辐射隔热效果。 然而这种具有防辐射隔热设计的高、中档汽车在通过e t c 车道时，车载单元会 出现通信困难。由于微波在通过这种含金属隔热层或贴膜的玻璃时会被大幅衰减， 其主要原因是附加的金属成分会吸收大量的微波能量。在我国，现有的车载单元生 产标准中，一般规定其唤醒灵敏度r 、 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 的强度值差别，势必要求o b u 具备很高灵敏度，高灵敏度o b u 的收发模块灵敏度 可达到6 0 d b m - - , - 6 4 d b m ，能够准确测出接收到被衰减后的实际信号强度值，并向 m c u 主控模块发送数据，为o b u 设定合适的实际灵敏度范围作准备。 ( 4 ) m c u 主控模块根据接收到的实际信号强度值，查找预设在自身的实际信号 强度值与最低通信值对应表，找出与接收的实际信号强度值对应的最低通信值，并 将所述的最低通信值设定为门槛值，固化在m c u 主控模块中。最低通信值，是根 据测定各种挡风玻璃对微波信号的衰减程度，并综合o b u 与r s u 的一般通信距离， 保证o b u 在信号最佳传输状态下工作的最低工作信号强度值。也就是说，o b u 接 收的实际信号强度值需要达到一个强度，足以“跨过”一个预设“门槛”，才可能 使o b u 成功完成交易，因此就把校准模式下固化在o b u 中的最低通信值定为门槛 值。对于一些对微波信号衰减较大的挡风玻璃，o b u 的门槛值会相应设置较小；对 于一些对微波信号衰减较小的挡风玻璃，o b u 门槛值可以相应设置较大。只有实际 信号强度值高于该门槛值，o b u 才进入交易状态，低于该门槛值的其他信号强度值， o b u 判断为误唤醒信号或干扰信号。例如，设标准信号强度值为4 0 ，o b u 检测得 透过有隔热膜的挡风玻璃后接收到的实际信号强度值为2 0 ，综合分析o b u 与r s u 的通信距离，并考虑减少出现误唤醒情况下，设定o b u 的最低通信值为1 0 。当标 准信号经过普通玻璃传送给o b u ，检测到实际信号强度值为3 0 ，信号衰减较小， 那么可以采用上述的参考方法将o b u 的最低通信值设为2 0 。将这些特征数据整理 为“实际信号强度值与最低通信值对应表 预设在m c u 主控模块中，当o b u 在 校准模式下检测到接收到的实际信号强度值为2 0 ，那么就可以根据对应表白动查找 并固化该最低通信值1 0 ，作为o b u 正常工作状态的重要参数之一。只有当o b u 接收的实际信号强度值高于该门槛值1 0 ，o b u 才进入交易状态。这些针对不同挡 风玻璃对微波信号的衰减程度而设置的门槛值可通过有限次实验获得，与o b u 接 收到的实际信号强度值建立一一对应关系，并处理成对应关系列表，储存在o b u 的m c u 主控模块中，这样o b u 进入自校准运行模式时，即可通过自校准程序在 m c u 主控模块中查找出与实际信号强度值相对应的门槛值，并将该门槛值固化在 m c u 主控模块中，即使断电也不会丢失，作为o b u 正常运行的重要参数之一。此 时校准完成，拔出校准i c 卡，然后插入交易i c 卡，o b u 进入正常工作状态。 3 3 3 通信状态 o b u 工作状态主要分为三种，分别为：休眠状态、预交易状态和交易状态。 通信状态的变化是o b u 在经过e t c 系统时交易情况的反映，o b u 工作交易流 程图如下，其通信步骤如下： 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图3 4o b u 工作交易流程图 ( 1 ) 如流程图所示，当安装有o b u 的车辆驶入e t c 收费系统的b 车道1 号位 置时，车辆处于r s u 的通信区域外围，此时有少量来自r s u 的微波信号仍会经过 车前挡风玻璃的衰减后被o b u 高灵敏度唤醒模块接收到，从而唤醒m c u 进而m c u 使所有应用电路模块进入工作状态，这样整个o b u 便从休眠状态进入预交易状态。 ( 2 ) 高灵敏度的收发模块进入工作状态后，不停检测接收到的微波信号。高灵 敏度收发模块中的信号强度检测单元检测接收到的实际信号强度值，通过比较单元 则将该信号强度值与校准模式下设定在m c u 主控模块中的门槛值进行比较，并将 比较结果向m c u 主控模块发送。m c u 主控模块接收到通信数据后，判断实际信号 强度是否达到交易通信要求。该门槛值的设定是在o b u 在校准过程中已经完成， 是启动o b u 从预交易状态进入交易状态的最低信号强度值。 ( 3 ) 因为车辆处于r s u 通信区域外围，m c u 主控模块会判断出实际信号强度 低于门槛值，这时则认为该微波信号过弱或者为来自邻道通信区的干扰信号，m c u 主控模块立即指令o b u 回到休眠状态，不与r s u 进行后续通信。 ( 4 ) 当车辆驶入2 号位置，即o b u 进入与r s u 正常通信范围，高灵敏度o b u 检测并判断出实际信号强度值高于门槛值，这时m c u 主控模块指令o b u 进入交易 状态，与r s u 进行交易通信。交易完成后o b u 自动从交易状态回到体眠状态。 ( 5 ) 当车辆在交易完成后，离开b 通信区域，进入3 号位置时，o b u 有可能再 次接收到来自邻道通信区域的干扰信号，再次唤醒o b u ，使o b u 进入预交易状态， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 同样o b u 通过判断出实际信号强度值低于设定门阀值使o b u 进入休眠状态不与 r s u 进行交易通信。 高灵敏度o b u 的设计关键在于校准系统，它是整个设计的核心。校准系统通 过判断安装车辆挡风玻璃对标准信号源的衰减程度，找出车载单元最佳通信状态下 相应的门槛值，解决了现有车载单元不能针对安装车辆玻璃特性作出灵敏度相应调 整的问题。通过对o b u 的校准，设定相应的灵敏度，使车载单元在交易过程中有 效避免因旁道或跟车干扰信号造成的误唤醒，避免因过早唤醒或交易失败而发起二 次交易导致的电池电量过度损耗，进一步提高电子标签的交易效率。高灵敏度o b u 相对于普通o b u 大大提高了灵敏度范围，有效提高因挡风玻璃造成信号衰减严重 的车辆的应用能力，且高灵敏度o b u 具有灵活性和通用性，适用范围广泛。 1 6 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 第四章高灵敏度o b u 系统设计与实现 4 1 高灵敏度o b u 系统模块构成 高灵敏度o b u 系统模块主要由低功耗m c u 处理器模块，高灵敏度收发通信模 块，高灵敏度唤醒电路模块，读卡模块，电源模块，开关模块，e s a m 模块和液晶 模块等共同构成，如下图4 1 所示： 图4 1 高灵敏度o b u 系统模块构成图 4 2 低功耗m c u 处理器模块 m c u 处理器模块其功能是负责调度其它模块按照指定顺序正常工作，它是电 子标签的中央处理器。m c u 选择的好坏直接影响到整个o b u 产品的性能，针对 m c u 主要要求为体积小、低静态功耗、运行速度快、成本低等市场和技术需求。 在o b u 设计中，m c u 相当于人的大脑，是整个系统能够满足设计要求且正常 稳定有序的工作起来的基石，是整个设计中的关键。选择一款符合设计要求且性价 比高的m c u 是一项复杂繁琐而又耗时的工作，因为需要花费一定的时间去了解可 用产品选项的架构特性，从而选取能够满足最苛刻功率预算的m c u 处理器，以满 足设计要求。 4 2 1m c u 最小系统 一个m c u 最小系统主要包括电源电路、复位电路、晶振电路和时钟电路等几 部分，是保证m c u 可以运行起来的最小单位。 m c u 最小系统可实现功能如下1 2 8 1 ： 通过i o 接口连接外部电路，采用中断触发的模式来处理和响应来自外部电 路的相关事件。 1 7 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s l s 通过i o 接口连接电源控制系统，用以控制电源模块的导通与断开，从而可 以实现“工作状态”与“省电休眠状态 之间状态的相互切换。 通过i o 接口来连接发光二极管和蜂呜器等外围器件从而实现交易过程中 的结果显示。 通过m c u 内部的f l a s h 存储单元对车辆的基本信息进行存储。 通过s p i 接口来连接l c d 液晶显示屏来实现交易过程中信息的显示。 通过u 灿玎接口，采用外引m i