李德建
　　（北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192）

       摘要：高速公路多義性路徑識別卡，是以電子不停車收費(fèi)（ETC）系統(tǒng)所采用的5.8 GHz有源射頻方案為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)有ETC車載單元（OBU）物理尺寸相對寬松，容許配備較大容量電池，對功耗要求不高，通常采用多顆芯片的系統(tǒng)級解決方案。這種方案在解決人工半自動收費(fèi)（MTC）通道的路徑識別問題時(shí)遇到了瓶頸。MTC對路徑卡厚度有明確的規(guī)定，這限制了電池尺寸，因此對系統(tǒng)功耗提出了很高的要求。在這種背景下，該文提出了一種針對MTC路徑識別卡的SOC方案，簡化了數(shù)據(jù)傳輸路徑，細(xì)化電源管理，有效降低了芯片功耗。方案還預(yù)留了擴(kuò)展接口，便于以統(tǒng)一的架構(gòu)同時(shí)解決ETC通道的路徑識別問題。
　　關(guān)鍵詞：智能交通; 路徑識別卡; 低功耗; SOC　　

0引言
　　近年來，我國高速公路經(jīng)歷了快速發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了全國聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)。隨著路網(wǎng)密度的增加，車輛在出口和入口之間可能存在多種行車路徑。為了精確判斷車行路徑，多義性路徑識別技術(shù)在現(xiàn)有電子不停車收費(fèi)（Electronic Toll Collection, ETC）系統(tǒng)的5.8 GHz有源射頻方案基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展成熟，在盡可能利用原有頻率資源及通信協(xié)議的前提下，解決路徑識別問題［1］。
　　路經(jīng)識別的實(shí)現(xiàn)方式就是將射頻終端集成到車載單元（On Board Unit, OBU）或復(fù)合通行卡（Compound Pass Card, CPC）中，裝有OBU的ETC用戶從ETC通道進(jìn)入高速路網(wǎng)，人工半自動收費(fèi)（Manual Toll Collection, MTC）用戶從MTC車道領(lǐng)取CPC卡進(jìn)入路網(wǎng)。當(dāng)車輛攜帶CPC或OBU在高速公路行駛時(shí)，接收來自路側(cè)單元（Road Side Unit, RSU）的標(biāo)識信息。在高速公路出口處，通過讀出車輛行經(jīng)RSU的標(biāo)識信息即可還原出車輛真實(shí)的行駛路徑，從而實(shí)現(xiàn)對高速公路車輛行駛路徑的準(zhǔn)確識別［2］。
1需求分析
　　由于對物理尺寸要求比較寬松，OBU通常使用高容量鋰電池作為主電源，電池額定容量達(dá)900~1 200 mAh，因此對功耗要求不高，通常采用多顆芯片的系統(tǒng)級的解決方案［3］。該方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示。三顆芯片的互聯(lián)通過I2C或SPI等串行總線連接。
　　

　　對于5.8 GHz射頻數(shù)據(jù)的交換，由于射頻芯片不具備對通信協(xié)議的處理能力，數(shù)據(jù)包解析及響應(yīng)等功能都必須由主控芯片完成。這就引入了額外的數(shù)據(jù)緩存、中斷處理、串并/并串變換等冗余操作。這不僅增加了系統(tǒng)成本，更重要的是引入了許多不必要的功耗。同時(shí)，由于這些冗余操作會使系統(tǒng)對數(shù)據(jù)包響應(yīng)變慢，為了能夠滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性（車輛高速行駛）的需求，主控芯片需要更早被喚醒進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，這又進(jìn)一步加重了系統(tǒng)功耗的負(fù)擔(dān)。
　　另外，5.8 GHz射頻數(shù)據(jù)和IC卡標(biāo)簽之間所有數(shù)據(jù)交互必須通過主控中介完成。這也會增加主控芯片上電工作的時(shí)間，特別是在主控芯片通常為多功能通用型芯片時(shí)，更多無意義的功耗在這個(gè)階段被引入。在單純ETC應(yīng)用中，由于只有在高速出入口時(shí)會發(fā)生射頻芯片和IC卡標(biāo)簽交換數(shù)據(jù)，這個(gè)問題并不嚴(yán)重［4］?？墒强紤]路徑識別，則芯片需要全程多次被喚醒記錄路徑信息，這個(gè)功耗損失就不可忽視了。
　　MTC的路徑識別卡要求卡片厚度小于5 mm，這使卡內(nèi)電池容量相對OBU大大減少，通常額定容量只有200~230 mAh。因此使用原有ETC方案移植或升級已很難滿足路徑卡使用年限大于5年的要求。而SOC由于具有高度集成的特征，同時(shí)有利于協(xié)同規(guī)劃數(shù)據(jù)通路和進(jìn)行精細(xì)電源管理，能夠很好地解決這一問題。
2架構(gòu)設(shè)計(jì)
　　針對前文所述問題，本文設(shè)計(jì)的芯片采用共享存儲單元的總線架構(gòu)，數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲于總線上的SRAM或EEPROM中，其他模塊均可以通過總線直接訪問存儲器。并依據(jù)功能模塊和應(yīng)用場景劃分為6個(gè)可以獨(dú)立控制的電源域。其整體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。
　　

　　2.1電源域與功能模塊
　　芯片中電源域劃分及電源域中主要模塊簡述如下：
　　VTAG: 該電源域使用磁場感應(yīng)電流供電。主要模塊為IC卡標(biāo)簽和EEPROM存儲器。IC卡標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)ISO/IEC 14443 TYPEA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。除此之外，當(dāng)標(biāo)簽處于讀卡器磁場中可以正常工作時(shí)，需給出中斷到外部檢測模塊。
　　VDET: 該電源域直接使用主電池供電并處于常開狀態(tài)。主要模塊為外部中斷監(jiān)測，用以監(jiān)測來自IC卡標(biāo)簽的中斷并產(chǎn)生芯片上電復(fù)位信號。
　　VPMU: 該電源域直接使用主電池供電。主要模塊為射頻喚醒和電源管理（PMU）。當(dāng)射頻喚醒打開時(shí)，它會檢測調(diào)制于5.8 GHz載波上的14 kHz方波信號，并通知PMU啟動芯片至工作狀態(tài)。PMU的主要功能即根據(jù)配置適時(shí)開關(guān)各個(gè)功能模塊電源。
　　VRX: 該電源域使用內(nèi)部LDO供電。主要模塊為射頻接收模擬前端，實(shí)現(xiàn)5.8 GHz射頻信號的下變頻及解調(diào)。
　　VTX: 該電源域使用內(nèi)部LDO供電。主要模塊為射頻發(fā)射模擬前端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整形，調(diào)制發(fā)射。
　　VDIG: 該電源域使用內(nèi)部LDO供電。所有數(shù)字邏輯都處于此電源域中，例如MCU、5.8 GHz數(shù)字基帶等。
　　另外，I2C與SPI為預(yù)留擴(kuò)展接口，主要用于MCU周邊外設(shè)芯片以實(shí)現(xiàn)路徑識別OBU方案。這部分功能在MTC路徑卡應(yīng)用中可以禁用，內(nèi)部采用關(guān)閉時(shí)鐘的方式來避免功耗損失。
　　2.2數(shù)據(jù)存儲
　　路徑信息的完整有效涉及到最終的費(fèi)用結(jié)算，因此相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲需要使用非易失存儲器。根據(jù)路徑識別技術(shù)要求的規(guī)定，每個(gè)標(biāo)識點(diǎn)的路徑信息由2 B構(gòu)成，因此對它的存儲又存在每次寫入數(shù)據(jù)量小，但重復(fù)擦寫次數(shù)多的特點(diǎn)。綜合考慮，本方案采用片內(nèi)EEPROM做為主存儲單元。另外，考慮到MCU的執(zhí)行效率，以及SM4國密算法和CRC校驗(yàn)等對相對大量數(shù)據(jù)的處理需求，配備SRAM做為輔助存儲單元。其中EEPROM大小為32 KB。代碼段分配24 KB，用來存儲MCU啟動程序，智能卡操作系統(tǒng)（Card Operation System, COS）以及解析符合GB/T 20851標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的專用短程通信技術(shù)（Dedicated Short Range Communication, DSRC）通信協(xié)議［5］。數(shù)據(jù)段分配8 KB，用來存儲路徑信息文件。通過地址譯碼，確保代碼段只能由MCU訪問；數(shù)據(jù)段則可以由數(shù)字基帶模塊、MCU模塊、IC卡標(biāo)簽?zāi)K訪問，以便路徑信息通過不同的數(shù)據(jù)通路寫入或者讀出。
　　SRAM大小為4 KB，主要用做中間數(shù)據(jù)文件存儲及MCU緩存使用。
　　2.3EEPROM電源方案
　　EEPROM中的路徑信息在不同時(shí)刻可能會分別被5.8 GHz射頻模塊以及IC卡標(biāo)簽?zāi)K訪問到。為了避免EEPROM及附屬電路全時(shí)使用電池供電，延長電池使用壽命，對它的供電方案沒有采用單一電源，而是做了特殊處理。從圖2電源域的結(jié)構(gòu)可以看出，EEPROM置于VTAG 和VDIG兩個(gè)電源域的重疊區(qū)域。當(dāng)車輛在出入口與IC卡讀寫器交換數(shù)據(jù)時(shí)，IC卡標(biāo)簽對EEPROM進(jìn)行讀寫，此時(shí)EEPROM切換至由讀卡器磁場感應(yīng)電流供電。當(dāng)車輛行駛在途中交換路徑信息時(shí)，射頻基帶對EEPROM進(jìn)行讀寫，此時(shí)EEPROM切換至由電池供電。
　　為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本方案設(shè)計(jì)了電源切換電路（Power Switch）。該電路缺省使用線圈耦合電壓給EEPROM供電。當(dāng)VDIG被打開時(shí)，EEPROM切換為由VDIG供電。其原理如圖3所示。
　　2.4電源管理
　　根據(jù)多義性路徑識別技術(shù)要求，MTC路徑卡的主要應(yīng)用場景如下:
　?。?）高速入口：路徑卡上電，檢查電量，清除路徑信息，并寫入口信息；
　　（2）途中：接收并記錄路徑信息；
　　（3）高速出口：讀入口信息及路徑標(biāo)識信息，觸發(fā)路徑卡掉電。
　　考慮這些應(yīng)用場景的需求以及芯片內(nèi)各個(gè)模塊相互之間的關(guān)系，定義了深度睡眠(DeepSleep)、睡眠（Sleep）、待機(jī)（Standby）、發(fā)送（Tx）、接收（Rx）等電源管理狀態(tài)，各個(gè)狀態(tài)下模塊開關(guān)如表1所示。

　　由于IC卡標(biāo)簽的開關(guān)狀態(tài)取決于是否存在外部磁場，因此VTAG是獨(dú)立于上述5種電源管理狀態(tài)開關(guān)的。考慮到路徑卡使用時(shí)只有高速出入口才有讀卡器設(shè)備，芯片設(shè)計(jì)時(shí)對于VTAG在其他電源管理狀態(tài)下產(chǎn)生的中斷做了屏蔽處理。因此表1中只標(biāo)出了VTAG在實(shí)際應(yīng)用場景下可能出現(xiàn)的情況。
　　將芯片的具體行為與電源管理狀態(tài)對應(yīng)起來，并分解到應(yīng)用場景之中，其具體描述如下：
　　高速入口：芯片初始處于DeepSleep狀態(tài)，只有VDET消耗微量漏電流。當(dāng)路徑卡置于IC卡讀卡器上時(shí)，VTAG通過天線線圈耦合讀卡器發(fā)射的13.56 MHz載波供電。IC卡標(biāo)簽?zāi)K上電后，響應(yīng)讀卡器指令，清除舊路徑信息，并將入口信息寫入EEPROM。同時(shí)，自動產(chǎn)生預(yù)定形狀脈沖給外部中斷監(jiān)測模塊。外部中斷監(jiān)測模塊繼而產(chǎn)生上電復(fù)位信號給PMU，啟動芯片進(jìn)入Standby狀態(tài)。MCU運(yùn)行并配置射頻接收前端參數(shù)等信息，啟動射頻喚醒模塊，之后轉(zhuǎn)入Sleep狀態(tài)。
　　途中：此時(shí)芯片處于Sleep狀態(tài)，VPMU帶電，射頻喚醒模塊消耗μA級工作電流用以接收來自RSU的14 kHz射頻調(diào)制波。當(dāng)監(jiān)測到符合標(biāo)準(zhǔn)要求的14 kHz調(diào)制方波時(shí)，射頻喚醒模塊通知PMU啟動射頻Rx模塊，直接進(jìn)入Rx模式接收第一個(gè)數(shù)據(jù)包。Rx模塊對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行有效性檢查，如果校驗(yàn)錯(cuò)誤，則判斷為誤喚醒，由PMU記錄后重新轉(zhuǎn)入Sleep狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)包正確，則進(jìn)入Standby狀態(tài)由MCU進(jìn)行通信協(xié)議解析并決定是否需要啟動Tx模塊應(yīng)答。數(shù)據(jù)交換完成后，路徑信息被存儲到EEPROM，芯片重新進(jìn)入Sleep狀態(tài)。
　　高速出口：此時(shí)芯片處于Sleep狀態(tài)。VTAG由線圈供電后，讀卡器將路徑信息讀出；同時(shí)IC卡標(biāo)簽產(chǎn)生脈沖，經(jīng)外部中斷監(jiān)測模塊處理以中斷形式通知PMU。PMU啟動MCU，確認(rèn)當(dāng)前操作為真實(shí)出站行為，啟動掉電程序，轉(zhuǎn)入DeepSleep狀態(tài)。
　　電源管理模塊控制芯片在各個(gè)狀態(tài)間跳轉(zhuǎn)及跳轉(zhuǎn)條件的流程圖如圖4所示。
　　

3結(jié)論
　　本文提出了一種低功耗路徑識別卡單芯片SOC方案。該方案使用統(tǒng)一的存儲結(jié)構(gòu)，充分優(yōu)化了模塊間接口結(jié)構(gòu)，減少了中間數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲，有效降低了芯片面積及整體功耗。另外，5.8 GHz射頻模塊和IC卡標(biāo)簽?zāi)K可以通過內(nèi)部總線交換數(shù)據(jù)，極大便利了應(yīng)用擴(kuò)展。該方案還根據(jù)具體應(yīng)用場景，切分了多個(gè)電源域，并設(shè)計(jì)了專門的電源管理模塊進(jìn)行精細(xì)化控制，最大限度降低了不必要的功耗損失，是高速公路MTC路徑識別卡的理想SOC方案。
　　芯片預(yù)留了擴(kuò)展接口，可以擴(kuò)展IC卡讀寫芯片以及其他簡單外設(shè)，因此同樣適用于帶有路徑識別的ETC車載單元設(shè)計(jì)。

　　參考文獻(xiàn)
　?。?］ 楊耿, 段作義. 高速公路路徑識別技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與發(fā)展［J］. 中國交通信息化, 2015(1):6669.
　?。?］ 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)多義性路徑識別技術(shù)要求［M］. 北京：人民交通出版社, 2015.
　　［3］ 何鵬, 史望聰, 陳輝. RFID技術(shù)在電子收費(fèi)系統(tǒng)路徑識別的應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］. 電子設(shè)計(jì)工程, 2009, 17(8):1517.
　?。?］ 王華. 基于路徑識別的高速公路ETC技術(shù)研究［J］. 數(shù)字通信, 2013, 40(3):6063.
　?。?］ GB/T208512007電子收費(fèi)專用短程通信［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.