在ETC系統中MSP430F5xxx 的應用

高速公路不停車(chē)收費系統(ETC)介紹

不停車(chē)收費系統(又稱(chēng)電子收費系統ElectronicTollCollectionSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)ETC系統)是利用RFID技術(shù)，實(shí)現車(chē)輛不停車(chē)自動(dòng)收費的智能交通子系統。該系統通過(guò)路側單元RSU(RoadSideUnit)與車(chē)載電子標簽之間OBU(OnBoardUnit)的專(zhuān)用短程通信，在不需要司機停車(chē)和收費人員操作的情況下，自動(dòng)完成收費處理過(guò)程。

MSP430介紹

TI公司的MSP430單片機產(chǎn)品系列具備16-bitRSIC架構，超低功耗。作為MSP430最新產(chǎn)品序列，F5xxx首次采用0.18um工藝，1MIPs消耗的電流低到了驚人的160uA，主頻達到25MIPs。同時(shí)，MSP430F5xxx提供了豐富的片上功能模塊，例如，硬件的RTC，12-bitADC，靈活的時(shí)鐘系統，硬件CRC16，電源管理模塊和多通道的靈活強大的DMA，支持待機模式下的數據交換。

ETC車(chē)載單元結構

圖1.ETCOBU結構圖

如圖一所示，OBU由電池系統，MCU，射頻，顯示和讀卡部分(ESAM卡，CPU卡，射頻卡)組成。MCU作為整個(gè)系統的中心，負責管理顯示，讀卡以及與射頻部分的數據處理及交換。

數據形式請參考圖2

圖2.FM0編碼方式

FM0編碼方式介紹

在車(chē)輛通過(guò)收費站時(shí)，OBU和RSU通過(guò)5.8G的載波調制，進(jìn)行高速的數據交換。數據采用HDLCFM0調制。FM0編碼遵循以下三個(gè)規則：

A.一個(gè)周期內有電平跳變表示”0”;

B.一個(gè)周期內沒(méi)有電平跳變表示”1”;

C.相鄰兩個(gè)周期電平相反。

車(chē)載電子標簽(OBU)對MCU的挑戰

車(chē)載電子標簽系統對MCU有兩個(gè)挑戰。一是低功耗;二是高速數據通信能力。

車(chē)載電子標簽的電池要求有5年以上壽命或者能夠支持1萬(wàn)次以上交易。整個(gè)系統的低功耗設計成為工程師們的首要任務(wù)。其次，RSU對OBU下行數據波特率達到了256Kbps，上行數據波特率512Kbps。由于車(chē)輛通行時(shí)間非常短，需要OBU對RSU的數據和命令快速響應。而數據包最長(cháng)能夠達到1Kbits，不允許OBU收下整個(gè)數據包之后再解碼，這要求MCU有實(shí)時(shí)編解碼的能力。

一般情況下，對FM0的軟解碼需要得到數據的電平寬度，從而實(shí)現解碼。通常有兩種方式，一種是Timer捕獲數據沿，然后軟件在中斷中判斷數據沿之間的寬度。另外一種是定時(shí)采樣數據口線(xiàn)的電平，通過(guò)計數方式得到電平寬度。ETC下行數據速率達到256Kbps，對數據“0”來(lái)講，數據跳變沿之間的寬度只有2uS。對數據“1”來(lái)講，數據沿寬度只有4uS。以第一種方式為例，傳統的軟解碼方式過(guò)程如下：

圖3.Timer捕獲中斷方式

如圖2所示，數據接收過(guò)程中，Timer會(huì )每2uS或者4uS捕獲到一個(gè)數據沿，并把數據沿保存到對應寄存器。所以，Timer捕獲寄存器里的數據會(huì )最快每2uS更新一次。這就需要CPU速度足夠快，能夠在至少2uS之內完成解碼過(guò)程。否則，Timer捕獲寄存器的數據就會(huì )被新的數據覆蓋掉，造成解碼錯誤。假設MCU完成1個(gè)bit解碼的時(shí)間需要50個(gè)cycle，那么至少需要MCU主頻達到25MIPS以上才能實(shí)現實(shí)時(shí)解碼。通常，我們會(huì )選取主頻超過(guò)40MIPs的MCU，而這些高速MCU功耗往往難以滿(mǎn)足ETC系統的要求。所以，很多ETC生產(chǎn)商采用雙MCU的方式，由一顆高速MCU實(shí)現FM0實(shí)時(shí)編解碼，另外還有一顆低功耗MCU，通常是MSP430來(lái)管理整個(gè)系統的功耗。這增加了系統的成本和復雜度。MSP430F5xxx的問(wèn)世，能夠同時(shí)滿(mǎn)足ETC系統對MCU所有的挑戰，解決了客戶(hù)的困擾。

用F5xxx片上DMA和TimerA捕獲功能實(shí)現FM0實(shí)時(shí)解碼的方法

MSP430F5xxx卓越的低功耗特性能夠滿(mǎn)足ETCOBU的低功耗要求。作為MSP430最新產(chǎn)品序列，F5xxx首次采用0.18um工藝，1MIPs消耗的電流低到了驚人的160uA，片上PMM(電源管理模塊)讓用戶(hù)能夠根據MCU負荷靈活調節核電壓，確保功耗最低。另外，具備多種低功耗狀態(tài)。在典型的LPM3模式下，打開(kāi)RTC，RAM數據保持的情況下功耗僅為2uA。

除了卓越的低功耗特性外，MSP430F5xx主頻雖然最高只能達到25MIPS，但由于有靈活的多通道DMA，能夠與Timer聯(lián)動(dòng)，實(shí)現數據的自動(dòng)搬移而不干擾到CPU,這極大的增強了MCU的數據吞吐能力，使主頻不再成為瓶頸，而完成對FM0近乎實(shí)時(shí)的解碼。另外，硬件的CRC16模塊讓MCU只需要操作寄存器就可以完成數據校驗。利用DMA和CRC16的實(shí)時(shí)解碼過(guò)程如圖4所示：

圖4.DMA自動(dòng)數據搬移的解碼方式

數據接收過(guò)程中，Timer每2uS或者4uS捕獲到一個(gè)數據沿，這時(shí)會(huì )自動(dòng)觸發(fā)DMA，DMA自動(dòng)將Timer寄存器的數據搬移到RAM區的指定數組當中。整個(gè)數據接收過(guò)程不需要CPU的參與。有了DMA的存在，CPU就不需要頻繁的進(jìn)出中斷去取數據，也不用擔心Timer捕獲寄存器數據的丟失，只需專(zhuān)注于解碼過(guò)程。

圖5.FM0DMA方式解碼圖示

解碼過(guò)程說(shuō)明：

1.待機狀態(tài)：TimerA配置成捕獲模式，使能TimerA中斷，等待數據到來(lái)

2.捕獲到第一個(gè)數據沿：在TimerA中斷中使能DMA，使能TimerB及TimerB中斷

3.數據接收：DMA自動(dòng)將后續的數據沿搬移到內存數組中;同時(shí)MCU解碼

4.數據結束：TimerB判斷數據接收結束

5.解碼結束

圖6.程序流程圖

實(shí)測結果：

采用120bytes的數據做FM0解碼測試，其中數據位”1”和“0”約各占50%。MSP430F5438完成解碼后，通過(guò)串口輸出數據如圖7所示：

圖7.串口接收到的數據

對上圖1Kbits數據，實(shí)測MCU完成解碼，滯后數據包接收完畢約220uS.如圖8所示

圖8.解碼實(shí)時(shí)性

使用MSP430F5xxSPI及DMA實(shí)現FM0編碼及發(fā)送的辦法

ETCOBU系統MCU上行數據率是512Kbps。通過(guò)靈活應用片上DMA及SPI模塊，可以方便的完成FM0數據發(fā)送