高速公路路径识别卡低功耗SOC方案

　　李德建
　　（北京智芯微电子科技有限公司，北京 100192）

       摘要：高速公路多义性路径识别卡，是以电子不停车收费（ETC）系统所采用的5.8 GHz有源射频方案为基础实现的。现有ETC车载单元（OBU）物理尺寸相对宽松，容许配备较大容量电池，对功耗要求不高，通常采用多颗芯片的系统级解决方案。这种方案在解决人工半自动收费（MTC）通道的路径识别问题时遇到了瓶颈。MTC对路径卡厚度有明确的规定，这限制了电池尺寸，因此对系统功耗提出了很高的要求。在这种背景下，该文提出了一种针对MTC路径识别卡的SOC方案，简化了数据传输路径，细化电源管理，有效降低了芯片功耗。方案还预留了扩展接口，便于以统一的架构同时解决ETC通道的路径识别问题。
　　关键词：智能交通; 路径识别卡; 低功耗; SOC　　

0引言
　　近年来，我国高速公路经历了快速发展，并实现了全国联网收费。随着路网密度的增加，车辆在出口和入口之间可能存在多种行车路径。为了精确判断车行路径，多义性路径识别技术在现有电子不停车收费（Electronic Toll Collection, ETC）系统的5.8 GHz有源射频方案基础上逐渐发展成熟，在尽可能利用原有频率资源及通信协议的前提下，解决路径识别问题［1］。
　　路经识别的实现方式就是将射频终端集成到车载单元（On Board Unit, OBU）或复合通行卡（Compound Pass Card, CPC）中，装有OBU的ETC用户从ETC通道进入高速路网，人工半自动收费（Manual Toll Collection, MTC）用户从MTC车道领取CPC卡进入路网。当车辆携带CPC或OBU在高速公路行驶时，接收来自路侧单元（Road Side Unit, RSU）的标识信息。在高速公路出口处，通过读出车辆行经RSU的标识信息即可还原出车辆真实的行驶路径，从而实现对高速公路车辆行驶路径的准确识别［2］。
1需求分析
　　由于对物理尺寸要求比较宽松，OBU通常使用高容量锂电池作为主电源，电池额定容量达900~1 200 mAh，因此对功耗要求不高，通常采用多颗芯片的系统级的解决方案［3］。该方案的结构如图1所示。三颗芯片的互联通过I2C或SPI等串行总线连接。
　　

　　对于5.8 GHz射频数据的交换，由于射频芯片不具备对通信协议的处理能力，数据包解析及响应等功能都必须由主控芯片完成。这就引入了额外的数据缓存、中断处理、串并/并串变换等冗余操作。这不仅增加了系统成本，更重要的是引入了许多不必要的功耗。同时，由于这些冗余操作会使系统对数据包响应变慢，为了能够满足系统对实时性（车辆高速行驶）的需求，主控芯片需要更早被唤醒进入待机状态，这又进一步加重了系统功耗的负担。
　　另外，5.8 GHz射频数据和IC卡标签之间所有数据交互必须通过主控中介完成。这也会增加主控芯片上电工作的时间，特别是在主控芯片通常为多功能通用型芯片时，更多无意义的功耗在这个阶段被引入。在单纯ETC应用中，由于只有在高速出入口时会发生射频芯片和IC卡标签交换数据，这个问题并不严重［4］。可是考虑路径识别，则芯片需要全程多次被唤醒记录路径信息，这个功耗损失就不可忽视了。
　　MTC的路径识别卡要求卡片厚度小于5 mm，这使卡内电池容量相对OBU大大减少，通常额定容量只有200~230 mAh。因此使用原有ETC方案移植或升级已很难满足路径卡使用年限大于5年的要求。而SOC由于具有高度集成的特征，同时有利于协同规划数据通路和进行精细电源管理，能够很好地解决这一问题。
2架构设计
　　针对前文所述问题，本文设计的芯片采用共享存储单元的总线架构，数据统一存储于总线上的SRAM或EEPROM中，其他模块均可以通过总线直接访问存储器。并依据功能模块和应用场景划分为6个可以独立控制的电源域。其整体结构框架如图2所示。
　　

　　2.1电源域与功能模块
　　芯片中电源域划分及电源域中主要模块简述如下：
　　VTAG: 该电源域使用磁场感应电流供电。主要模块为IC卡标签和EEPROM存储器。IC卡标签实现ISO/IEC 14443 TYPE睞标准协议。除此之外，当标签处于读卡器磁场中可以正常工作时，需给出中断到外部检测模块。
　　VDET: 该电源域直接使用主电池供电并处于常开状态。主要模块为外部中断监测，用以监测来自IC卡标签的中断并产生芯片上电复位信号。
　　VPMU: 该电源域直接使用主电池供电。主要模块为射频唤醒和电源管理（PMU）。当射频唤醒打开时，它会检测调制于5.8 GHz载波上的14 kHz方波信号，并通知PMU启动芯片至工作状态。PMU的主要功能即根据配置适时开关各个功能模块电源。
　　VRX: 该电源域使用内部LDO供电。主要模块为射频接收模拟前端，实现5.8 GHz射频信号的下变频及解调。
　　VTX: 该电源域使用内部LDO供电。主要模块为射频发射模拟前端，实现数据整形，调制发射。
　　VDIG: 该电源域使用内部LDO供电。所有数字逻辑都处于此电源域中，例如MCU、5.8 GHz数字基带等。
　　另外，I2C与SPI为预留扩展接口，主要用于MCU周边外设芯片以实现路径识别OBU方案。这部分功能在MTC路径卡应用中可以禁用，内部采用关闭时钟的方式来避免功耗损失。
　　2.2数据存储
　　路径信息的完整有效涉及到最终的费用结算，因此相关数据的存储需要使用非易失存储器。根据路径识别技术要求的规定，每个标识点的路径信息由2 B构成，因此对它的存储又存在每次写入数据量小，但重复擦写次数多的特点。综合考虑，本方案采用片内EEPROM做为主存储单元。另外，考虑到MCU的执行效率，以及SM4国密算法和CRC校验等对相对大量数据的处理需求，配备SRAM做为辅助存储单元。其中EEPROM大小为32 KB。代码段分配24 KB，用来存储MCU启动程序，智能卡操作系统（Card Operation System, COS）以及解析符合GB/T 20851标准规定的专用短程通信技术（Dedicated Short Range Communication, DSRC）通信协议［5］。数据段分配8 KB，用来存储路径信息文件。通过地址译码，确保代码段只能由MCU访问；数据段则可以由数字基带模块、MCU模块、IC卡标签模块访问，以便路径信息通过不同的数据通路写入或者读出。
　　SRAM大小为4 KB，主要用做中间数据文件存储及MCU缓存使用。
　　2.3EEPROM电源方案
　　EEPROM中的路径信息在不同时刻可能会分别被5.8 GHz射频模块以及IC卡标签模块访问到。为了避免EEPROM及附属电路全时使用电池供电，延长电池使用寿命，对它的供电方案没有采用单一电源，而是做了特殊处理。从图2电源域的结构可以看出，EEPROM置于VTAG 和VDIG两个电源域的重叠区域。当车辆在出入口与IC卡读写器交换数据时，IC卡标签对EEPROM进行读写，此时EEPROM切换至由读卡器磁场感应电流供电。当车辆行驶在途中交换路径信息时，射频基带对EEPROM进行读写，此时EEPROM切换至由电池供电。
　　为实现上述目标，本方案设计了电源切换电路（Power Switch）。该电路缺省使用线圈耦合电压给EEPROM供电。当VDIG被打开时，EEPROM切换为由VDIG供电。其原理如图3所示。
　　2.4电源管理
　　根据多义性路径识别技术要求，MTC路径卡的主要应用场景如下:
　　（1）高速入口：路径卡上电，检查电量，清除路径信息，并写入口信息；
　　（2）途中：接收并记录路径信息；
　　（3）高速出口：读入口信息及路径标识信息，触发路径卡掉电。
　　考虑这些应用场景的需求以及芯片内各个模块相互之间的关系，定义了深度睡眠(DeepSleep)、睡眠（Sleep）、待机（Standby）、发送（Tx）、接收（Rx）等电源管理状态，各个状态下模块开关如表1所示。

　　由于IC卡标签的开关状态取决于是否存在外部磁场，因此VTAG是独立于上述5种电源管理状态开关的。考虑到路径卡使用时只有高速出入口才有读卡器设备，芯片设计时对于VTAG在其他电源管理状态下产生的中断做了屏蔽处理。因此表1中只标出了VTAG在实际应用场景下可能出现的情况。
　　将芯片的具体行为与电源管理状态对应起来，并分解到应用场景之中，其具体描述如下：
　　高速入口：芯片初始处于DeepSleep状态，只有VDET消耗微量漏电流。当路径卡置于IC卡读卡器上时，VTAG通过天线线圈耦合读卡器发射的13.56 MHz载波供电。IC卡标签模块上电后，响应读卡器指令，清除旧路径信息，并将入口信息写入EEPROM。同时，自动产生预定形状脉冲给外部中断监测模块。外部中断监测模块继而产生上电复位信号给PMU，启动芯片进入Standby状态。MCU运行并配置射频接收前端参数等信息，启动射频唤醒模块，之后转入Sleep状态。
　　途中：此时芯片处于Sleep状态，VPMU带电，射频唤醒模块消耗μA级工作电流用以接收来自RSU的14 kHz射频调制波。当监测到符合标准要求的14 kHz调制方波时，射频唤醒模块通知PMU启动射频Rx模块，直接进入Rx模式接收第一个数据包。Rx模块对接收到的数据包进行有效性检查，如果校验错误，则判断为误唤醒，由PMU记录后重新转入Sleep状态。如果数据包正确，则进入Standby状态由MCU进行通信协议解析并决定是否需要启动Tx模块应答。数据交换完成后，路径信息被存储到EEPROM，芯片重新进入Sleep状态。
　　高速出口：此时芯片处于Sleep状态。VTAG由线圈供电后，读卡器将路径信息读出；同时IC卡标签产生脉冲，经外部中断监测模块处理以中断形式通知PMU。PMU启动MCU，确认当前操作为真实出站行为，启动掉电程序，转入DeepSleep状态。
　　电源管理模块控制芯片在各个状态间跳转及跳转条件的流程图如图4所示。
　　

3结论
　　本文提出了一种低功耗路径识别卡单芯片SOC方案。该方案使用统一的存储结构，充分优化了模块间接口结构，减少了中间数据的重复存储，有效降低了芯片面积及整体功耗。另外，5.8 GHz射频模块和IC卡标签模块可以通过内部总线交换数据，极大便利了应用扩展。该方案还根据具体应用场景，切分了多个电源域，并设计了专门的电源管理模块进行精细化控制，最大限度降低了不必要的功耗损失，是高速公路MTC路径识别卡的理想SOC方案。
　　芯片预留了扩展接口，可以扩展IC卡读写芯片以及其他简单外设，因此同样适用于带有路径识别的ETC车载单元设计。

　　参考文献
　　［1］ 杨耿, 段作义. 高速公路路径识别技术的实现与发展［J］. 中国交通信息化, 2015(1):6669.
　　［2］ 交通运输部公路科学研究院.收费公路联网收费多义性路径识别技术要求［M］. 北京：人民交通出版社, 2015.
　　［3］ 何鹏, 史望聪, 陈辉. RFID技术在电子收费系统路径识别的应用设计［J］. 电子设计工程, 2009, 17(8):1517.
　　［4］ 王华. 基于路径识别的高速公路ETC技术研究［J］. 数字通信, 2013, 40(3):6063.
　　［5］ GB/T208512007电子收费专用短程通信［S］. 北京：中国标准出版社, 2007.