基于FPGA的新型不停车收费系统中RSU设计

摘要：文章提出了一种电子不停车收费系统(ETC)中路边设备(rsu)的实现方案。系统以PowerPC 405处理器为核心，射频电路选用5.8GHz通信芯片ML5830，在短程通信过程中引入跳频技术，从而实现了抗干扰、高稳定性的电子不停车收费。其测试结果表明，各项指标均达到或超过ETC国家标准GB／T20851－2007和DSRC协议ISO／IEC9646规定的要求，成本低廉、新颖实用。

关键词：不停车收费系统；路边设备；FPGA；跳频技术

RSU系统概述

RSU和OBU(On-Board Unit，车上电子标签)、收费站管理系统、收费管理控制中心、金融机构及传输网络等一起组成网络环境下的ETC系统。根据分工的不同，ETC系统又可分为前台和后台两大部分。其中后台部分由收费管理控制中心和金融机构组成，完成系统运行参数的制定与修改，系统运行管理和监控，通行费用的汇总、拆分、清算，交通信息的分类、统计，与金融机构进行帐务结算和客户服务等功能。ETC系统的前台部分则由RSU和车载设备组成，完成对过往车辆车型的判别。收费信息的采集与处理，违章车辆图像抓拍与处理等功能。ETC系统框架结构如图1所示。

路边设备RSU是整个ETC系统的核心，不但负责与车载单元进行通信，还具备与后端各系统进行联网通信，进行数据处理的功能。RSU包括了射频通信模块、网络通信模块、基带数据处理模块、电源模块。RSU中采用DSRC(Dedicated Short RangeCommunication，专用短程通信)作为通信协议标准。

RSU系统设计

RSU是ETC系统的关键部位和联系用户与交易系统的纽带。RSU负责主动与OBU进行通信并完成收费交易，同时还要通过交互界面与收费站人员进行交互，并且还能通过以太网、CAN总线，无线宽带或者电信运营商网络等通信方式向ETC后端部分报送交易数据、系统运行状态以及接受后端部分的监控操作。RSU设备的整体结构如图2所示。

ETC系统射频电路工作在5.8GHz，极易受到公路收费站周围和车内环境等因素的干扰，如相邻不同车道并行的车辆会引起同频干扰、车辆内的无线电设施干扰(如移动通信的干扰)、本系统对其他无线电设备的干扰等，这些都严重影响了系统的稳定性，也增加后期工作的维护量。因此，本设计提出了在RSU射频读写器和电子标签之间采用跳频扩频的技术来达到抗干扰的目的，从而提高ETC系统的可靠性，减少系统的工作量。

因此本设计跳频通信模块采用直接数字频率合成器(DDS，Direct Digital Frequency Synthesizer)和ASK进行非相干解调的调制方式，既实现了较高的转换频率，又保持了发射机和接收机的频率合成器之间相位相干。

本系统跳频通信原理如图3所示。

硬件电路以PowerPC 405处理器为核心进行Virtex-6 FPGA设计，射频电路上选用了RFMD公司专为中国ETC标准设计研制的5.8GHz通信芯片MLS830，使用直接数字频率合成器实现跳频通信，系统还设计有基于W5100的以太网控制电路，完成路边设备到控制中心的通信功能。

系统总体结构框架

由于RSU系统对数据处理和响应时间的要求比较高，用普通的处理器使用软件的方法较难实现短程通行协议(DSRC)中需要的计算量。所以将本系统处理过程中CRC校验、射频数据的发送和接收等处理采用fpga电路来实现。FPGA是由用户编程来实现所需逻辑功能的数字集成电路。不仅设计灵活，性能、速度具有优势，而且上市周期短、成本低廉，克服传统的ASIC存在的开发周期长、成本高，硬件实现电路复杂，不利于今后的进一步集成等缺点。

在本RSU系统中，采用Xilinx公司Virtex－6系列的芯片来完成逻辑接口电略的设计。系统整体逻辑接口电路如图4所示，其中黑色、虚线、白色总线分别代表数据总线、控制总线、时钟总线。

核心处理器模块

如图5所示，PowerPC 405包含如下部分：五级流水，由取指、译码、执行、回写和装入回写构成；虚拟内存管理单元；独立的指令缓存和数据缓存单元；调试接口；三个可编程的定时器／计数器。

选用PowerPC405处理器，满足嵌入式系统优化设计的时钟频率和IPS性能指标。

射频模块

本系统射频电路是以符合中国ETC标准的专业微波通信芯片ML5830为核心的。MLS830集成了上变频混波器、缓冲器／预驱动放大器及ASK调制器。图6为MLS830部分电路图。

跳频模块

跳频通信通过伪随机序列控制载波频率跳变以实现频谱的扩展，该方法具有抗干扰、抗衰落、多址性能好等优点。其中频率合成器是跳频系统的核心部件，对跳频通信系统的性能具有重大影响。微波频段的RFID系统对频率合成器提出了很高的要求，要求具有低相位噪声、高频谱纯度、较高捷变速度和高频率分辨率。鉴于这些要求，本设计中频率合成器使用直接数字频率合成器(DDS)。

DDS具有极高的分辨率、频率转换速率快、相位噪声低、输出频带宽及使用方便等优点。本系统采用了美国模拟器件公司采(ADI)的AD9851芯片。AD9851是由数据输入寄存器、频率／相位寄存器、具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片、10位的模／数转换器、内部高速比较器等几个部分组成。AD9851核心电路如图7所示。

在跳频通信发送端，发送数据和伪随机码产生器产生的频率控制信号相加，形成对AD9851的频率控制字，AD9851输出宽带跳频信号和本振信号混频，得到跳频射频信号，经放大后输出至天线发送出去。

实验数据

本课题组对于所研究设计的电子不停车收费系统总体功能进行了测试。

试验结果表明，随着车速的提高，路边设备与车载设备之间的数据交换出现错误的概率有增加趋势。但车速在100km／h时，系统仍然能够保持96％以上的成功率满足车辆缴费全过程的自动实现，符合ETC国家标准GB／T20851-2007和DSRC协议ISO／IEC9646要求。

结论

本论文介绍了一款基于Virtex-6FPGA的RSU单元的硬件设计思路以及具体实现方法，系统设计灵活，性能、速度具有优势，成本低廉。本设计巧妙地应用了跳频技术，解决了5.8GHz射频存在的干扰问题，有效提高系统可靠性，减少系统的工作量。系统测试结果表明，本系统完成预定的设计目标，满足标准要求，可广泛应用于电子不停车收费系统。