一种停车场应用的低成本微波读写器设计
时间：2020-09-14 08:00:20 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘 要：文章针对停车场月保车辆的应用需求，结合ETC系统，介绍了一款低成本的微波读写器。重点阐述了设备组成原理、硬件电路设计中的关键技术，以及软件开发原理和核心流程。该产品方案简单易行，便于在同类型产品应用开发中推广。
关键词：停车场；ETC；RSU；电路设计
随着电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection，ETC）系统的推广普及，越来越多的车辆加装了电子标签车载单元（On Board Unit，OBU），使得ETC与停车场应用管理结合成为可能。微波读写器路侧单元（Road Side Unit，RSU）是OBU与停车场车控机之间重要的桥接设备，一款系统架构简单、使用方便、成本低的RSU无疑具有较高的工程应用价值。下面介绍一种应用于停车场的低成本RSU的设计，该设备已应用于深圳市金溢科技股份有限公司ETC智慧停车系统产品中，并取得了良好的使用效果。
1 总体方案
该RSU专门针对停车场的月保车辆管理应用而设计，只需读取OBU的ID号和车牌信息数据即可实现月保车辆的识别与管理。RSU和OBU之间采用微波无线传递手段和DSRC通信技术实现信息通讯，RSU和车控机之间依靠有线网络连接和专用通信协议进行信息交互[1]。
RSU通常由控制单元、射频单元和天线单元组成，为了简化设计，这里将控制单元与射频单元集成后设计为主控单元。整个RSU的组成原理框如图1所示。
主控制器选用ST公司的STM32L072，它一款基于ARM Cortex®-M0+的32位低成本MCU，工作频率32 MHz，0.95 DMIPS/MHz；MCU通过SPI总线外接Microchip公司的以太网控制器ENC424J600，实现网络数据传输功能；选用EEPROM芯片K24C32来存储需要在线改写和保存的数据；射频通路中选用上海博通公司的BK5824芯片作为收发信机，它是一款符合5.8 GHz ETC应用标准的收发器；功放芯片采用Skyworks公司的SE5003L1；低噪声放大器采用RFMD公司的RF5515；天线单元采用具有结构简单、剖面低、易于加工的微带天线。
2 硬件设计
2.1 主控电路部分
主控电路包括：电源、时钟、复位、STM32L072芯片、 EEPROM存储电路、网络接口电路、GPIO控制电路和 SWD调试接口等。
为增强产品可靠性，MCU复位电路中选用MAXIM公司的MAX6369芯片做看门狗电路设计。考虑到调试需要，用拨码开关进行选通操作，从而使看门狗的复位信号不会影响MCU正常调试操作。
以太网络控制器ENC424J600芯片采用串行總线SPI方式与MCU连接，其接口数据速率可达14 Mbps。通过将引脚INT/SPISEL上拉，这样芯片上电后就进入SPI通信模式，同时该引脚作为中端信号供给MCU[2]。
2.2 射频电路部分
基于BK5824的射频信号收发电路是系统的另一核心，主要负责把5.8 GHz射频信号解调数字化后送给主控制器，或者将主控制器发送来的数字信号调试转换为5.8 GHz射频信号输出。该收发器芯片具有﹣56 dBm的唤醒灵敏度，﹣83 dBm的接收灵敏度，输出功率高达7 dBm，并具备快速自动增益控制功能，可容纳高达80 dB动态范围射频信号输入。与MCU的连接选用串行总线SPI通信和GPIO控制方式，同时预留误码率测试接口，电路设计简单，几乎不需要外部组件，电路设计如图2所示。
信号接收时，天线接收的射频信号需要经过低噪声放大器处理才能给后级的射频收发器使用，这里选用具有11 dBm放大增益的低噪放RF5515进行信号放大；信号发送时，射频收发器发出的射频信号需要经过功率放大电路提升至一定的发射功率才能经天线发射出去，这里选用具有26 dBm放大增益的功放SE5003L1。主控制器同时控制一个射频SPDT开关和一个射频T/R开关实现收发状态的有序切换，从而使整个射频通路的接收和发射分时复用[3]。
2.3 天线单元
微带天线上的导体阵元采用矩形阵元设计。天线增益要求不同，天线阵元数目也不同；天线水平方向和垂直方向的波瓣宽度要求不同，天线阵元的排布也不同。对于N×M阵列天线，其中N代表水平方向，M代表垂直方向，各方向上随阵元数量变化趋势为：阵元数量增加，该方向上主瓣波束宽度变窄，增益提高，但会造成旁瓣数量变多，与主瓣夹角变小，有导致场强突变的风险。
这里选用3×4阵列微带天线，采用Rogers板材制板，实测天线增益接近10 dBi，天线水平方向3 dB波束宽度在30°左右，垂直方向3 dB波束宽度在25°左右。
3 软件设计
软件设计具体实现功能包括：（1）底层驱动程序功能，包括各硬件电路的初始化、硬件资源的操作、调度与管理；（2）逻辑处理程序功能，包括主控协议程序、中断服务程序[4]。
3.1 底层驱动
底层驱动实现设备驱动管理、多任务调度、文件系统、网口升级应用程序及通信接口协议封装等功能。多任务调度采用时间片轮转和优先级管理的处理机制。文件系统采用FatFS文件系统，只需开发底层储存操作接口即可。MCU处理器存储器空间分配为：
RAM区空间：0x2000 0000～0x2000 4FFF；
BOOT区空间：0x0800 0000～0x0801 7FFF；
APP区空间：0x0801 8000～0x0802 FFFF；
EEPROM区空间：0x0808 0000～0x0808 17FF。
其中将192 Kbytes的Flash存储空间等分成两部分，BOOT区用于引导应用程序，APP区用于放置应用程序。
网络通信接口采用uIP协议栈进行开发，并封装成TCP服务器用户应用程序模块。网口下载应用程序模块采用Xmodem协议开发。
3.2 通信流程
RSU的通讯流程主要涉及RSU与车控机通信、RSU与OBU通信，三者间的通讯流程如下：
（1）车控机检查到有车辆信号，给RSU发送开天线指令。
（2）RSU收到指令后应答，并循环发送BST命令。
（3）OBU进入通信区收到BST，发送VST应答信号给RSU。
（4）RSU检测到VST信号后通知车控机。
（5）车控机收到VST应答后，通知RSU进行读取OBU数据操作。
（6）RSU读取OBU的数据，返回给车控机。
（7）车控机接收信息后应答RSU。
（8）RSU收到应答信息后进入待机状态。
（9）本次通信结束，下次通信从步骤（1）开始。
4 结语
本文介绍了一种基于ETC智能停车应用的微波读写器产品的设计方法，该方法的优点在于电路实现简单，软件开发方便，具有较强的实用价值。产品使用情况表明，该设计能够可靠稳定工作，可提升停车场月保车辆的管理效率。对于其他相关设计应用，该产品设计具有一定的参考价值。
[参考文献]
[1]GB/T 20851-2007 电子收费 专用短程通信[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局/中国国家标准化管理委员会，2007.
[2]GB/T 35070-2018 停车场电子收费[S].北京：国家市场监督管理总局/中国国家标准化管理委员会，2018.
[3]停车场RSU-车道通讯协议[Z].深圳：深圳市金溢科技股份有限公司，2014.
[4]STUTZMAN W，THIELE G，STUTZMAN，等.天线理论与设计[M].2版.北京：人民邮电出版社出版，2006.
