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（ETC）系統所采用的5.8 GHz有源射頻方案為基礎實現的。現有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級解決方案。這種方案在解決人工半自動收費（MTC）通道的路徑識別問題時遇到了瓶頸。MTC對路徑卡厚度有明確的規定，這限制了電池尺寸，因此對系統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，簡化了數據傳輸路徑，細化電源管理，有效降低了芯片功耗。方案還預留了擴展接口，便于以統一的架構同時解決ETC通道的路徑識別問題。
　　關鍵詞：智能交通; 路徑識別卡; 低功耗; SOC　　

0引言
　　近年來，我國高速公路經歷了快速發展，并實現了全國聯網收費。隨著路網密度的增加，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在現有電子不停車收費（Electronic Toll Collection, ETC）系統的5.8 GHz有源射頻方案基礎上逐漸發展成熟，在盡可能利用原有頻率資源及通信協議的前提下，解決路徑識別問題［1］。
　　路經識別的實現方式就是將射頻終端集成到車載單元（On Board Unit, OBU）或復合通行卡（Compound Pass Card, CPC）中，裝有OBU的ETC用戶從ETC通道進入高速路網，人工半自動收費（Manual Toll Collection, MTC）用戶從MTC車道領取CPC卡進入路網。當車輛攜帶CPC或OBU在高速公路行駛時，接收來自路側單元（Road Side Unit, RSU）的標識信息。在高速公路出口處，通過讀出車輛行經RSU的標識信息即可還原出車輛真實的行駛路徑，從而實現對高速公路車輛行駛路徑的準確識別［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900~1 200 mAh，因此對功耗要求不高，通常采用多顆芯片的系統級的解決方案［3］。該方案的結構如圖1所示。三顆芯片的互聯通過I2C或SPI等串行總線連接。
　　

　　對于5.8 GHz射頻數據的交換，由于射頻芯片不具備對通信協議的處理能力，數據包解析及響應等功能都必須由主控芯片完成。這就引入了額外的數據緩存、中斷處理、串并/并串變換等冗余操作。這不僅增加了系統成本，更重要的是引入了許多不必要的功耗。同時，由于這些冗余操作會使系統對數據包響應變慢，為了能夠滿足系統對實時性（車輛高速行駛）的需求，主控芯片需要更早被喚醒進入待機狀態，這又進一步加重了系統功耗的負擔。
　　另外，5.8 GHz射頻數據和IC卡標簽之間所有數據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間，特別是在主控芯片通常為多功能通用型芯片時，更多無意義的功耗在這個階段被引入。在單純ETC應用中，由于只有在高速出入口時會發生射頻芯片和IC卡標簽交換數據，這個問題并不嚴重［4］。可是考慮路徑識別，則芯片需要全程多次被喚醒記錄路徑信息，這個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，同時有利于協同規劃數據通路和進行精細電源管理，能夠很好地解決這一問題。
2架構設計
　　針對前文所述問題，本文設計的芯片采用共享存儲單元的總線架構，數據統一存儲于總線上的SRAM或EEPROM中，其他模塊均可以通過總線直接訪問存儲器。并依據功能模塊和應用場景劃分為6個可以獨立控制的電源域。其整體結構框架如圖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電流供電。主要模塊為IC卡標簽和EEPROM存儲器。IC卡標簽實現ISO/IEC 14443 TYPEA標準協議。除此之外，當標簽處于讀卡器磁場中可以正常工作時，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。主要模塊為外部中斷監測，用以監測來自IC卡標簽的中斷并產生芯片上電復位信號。
　　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）。當射頻喚醒打開時，它會檢測調制于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。PMU的主要功能即根據配置適時開關各個功能模塊電源。
　　VRX: 該電源域使用內部LDO供電。主要模塊為射頻接收模擬前端，實現5.8 GHz射頻信號的下變頻及解調。
　　VTX: 該電源域使用內部LDO供電。主要模塊為射頻發射模擬前端，實現數據整形，調制發射。
　　VDIG: 該電源域使用內部LDO供電。所有數字邏輯都處于此電源域中，例如MCU、5.8 GHz數字基帶等。
　　另外，I2C與SPI為預留擴展接口，主要用于MCU周邊外設芯片以實現路徑識別OBU方案。這部分功能在MTC路徑卡應用中可以禁用，內部采用關閉時鐘的方式來避免功耗損失。
　　2.2數據存儲
　　路徑信息的完整有效涉及到最終的費用結算，因此相關數據的存儲需要使用非易失存儲器。根據路徑識別技術要求的規定，每個標識點的路徑信息由2 B構成，因此對它的存儲又存在每次寫入數據量小，但重復擦寫次數多的特點。綜合考慮，本方案采用片內EEPROM做為主存儲單元。另外，考慮到MCU的執行效率，以及SM4國密算法和CRC校驗等對相對大量數據的處理需求，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（Card Operation System, COS）以及解析符合GB/T 20851標準規定的專用短程通信技術（Dedicated Short Range Communication, DSRC）通信協議［5］。數據段分配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；數據段則可以由數字基帶模塊、MCU模塊、IC卡標簽模塊訪問，以便路徑信息通過不同的數據通路寫入或者讀出。
　　SRAM大小為4 KB，主要用做中間數據文件存儲及MCU緩存使用。
　　2.3EEPROM電源方案
　　EEPROM中的路徑信息在不同時刻可能會分別被5.8 GHz射頻模塊以及IC卡標簽模塊訪問到。為了避免EEPROM及附屬電路全時使用電池供電，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電源域的結構可以看出，EEPROM置于VTAG 和VDIG兩個電源域的重疊區域。當車輛在出入口與IC卡讀寫器交換數據時，IC卡標簽對EEPROM進行讀寫，此時EEPROM切換至由讀卡器磁場感應電流供電。當車輛行駛在途中交換路徑信息時，射頻基帶對EEPROM進行讀寫，此時EEPROM切換至由電池供電。
　　為實現上述目標，本方案設計了電源切換電路（Power Switch）。該電路缺省使用線圈耦合電壓給EEPROM供電。當VDIG被打開時，EEPROM切換為由VDIG供電。其原理如圖3所示。
　　2.4電源管理
　　根據多義性路徑識別技術要求，MTC路徑卡的主要應用場景如下:
　　（1）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識信息，觸發路徑卡掉電。
　　考慮這些應用場景的需求以及芯片內各個模塊相互之間的關系，定義了深度睡眠(DeepSleep)、睡眠（Sleep）、待機（Standby）、發送（Tx）、接收（Rx）等電源管理狀態，各個狀態下模塊開關如表1所示。

　　由于IC卡標簽的開關狀態取決于是否存在外部磁場，因此VTAG是獨立于上述5種電源管理狀態開關的。考慮到路徑卡使用時只有高速出入口才有讀卡器設備，芯片設計時對于VTAG在其他電源管理狀態下產生的中斷做了屏蔽處理。因此表1中只標出了VTAG在實際應用場景下可能出現的情況。
　　將芯片的具體行為與電源管理狀態對應起來，并分解到應用場景之中，其具體描述如下：
　　高速入口：芯片初始處于DeepSleep狀態，只有VDET消耗微量漏電流。當路徑卡置于IC卡讀卡器上時，VTAG通過天線線圈耦合讀卡器發射的13.56 MHz載波供電。IC卡標簽模塊上電后，響應讀卡器指令，清除舊路徑信息，并將入口信息寫入EEPROM。同時，自動產生預定形狀脈沖給外部中斷監測模塊。外部中斷監測模塊繼而產生上電復位信號給PMU，啟動芯片進入Standby狀態。MCU運行并配置射頻接收前端參數等信息，啟動射頻喚醒模塊，之后轉入Sleep狀態。
　　途中：此時芯片處于Sleep狀態，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射頻調制波。當監測到符合標準要求的14 kHz調制方波時，射頻喚醒模塊通知PMU啟動射頻Rx模塊，直接進入Rx模式接收第一個數據包。Rx模塊對接收到的數據包進行有效性檢查，如果校驗錯誤，則判斷為誤喚醒，由PMU記錄后重新轉入Sleep狀態。如果數據包正確，則進入Standby狀態由MCU進行通信協議解析并決定是否需要啟動Tx模塊應答。數據交換完成后，路徑信息被存儲到EEPROM，芯片重新進入Sleep狀態。
　　高速出口：此時芯片處于Sleep狀態。VTAG由線圈供電后，讀卡器將路徑信息讀出；同時IC卡標簽產生脈沖，經外部中斷監測模塊處理以中斷形式通知PMU。PMU啟動MCU，確認當前操作為真實出站行為，啟動掉電程序，轉入DeepSleep狀態。
　　電源管理模塊控制芯片在各個狀態間跳轉及跳轉條件的流程圖如圖4所示。
　　

3結論
　　本文提出了一種低功耗路徑識別卡單芯片SOC方案。該方案使用統一的存儲結構，充分優化了模塊間接口結構，減少了中間數據的重復存儲，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卡標簽模塊可以通過內部總線交換數據，極大便利了應用擴展。該方案還根據具體應用場景，切分了多個電源域，并設計了專門的電源管理模塊進行精細化控制，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。
　　芯片預留了擴展接口，可以擴展IC卡讀寫芯片以及其他簡單外設，因此同樣適用于帶有路徑識別的ETC車載單元設計。

　　參考文獻
　　［1］ 楊耿, 段作義. 高速公路路徑識別技術的實現與發展［J］. 中國交通信息化, 2015(1):6669.
　　［2］ 交通運輸部公路科學研究院.收費公路聯網收費多義性路徑識別技術要求［M］. 北京：人民交通出版社, 2015.
　　［3］ 何鵬, 史望聰, 陳輝. RFID技術在電子收費系統路徑識別的應用設計［J］. 電子設計工程, 2009, 17(8):1517.
　　［4］ 王華. 基于路徑識別的高速公路ETC技術研究［J］. 數字通信, 2013, 40(3):6063.
　　［5］ GB/T208512007電子收費專用短程通信［S］. 北京：中國標準出版社, 2007.