MSP430F在高速公路不停车收费系统ETC中的应用

TI公司的MSP430 单片机产品系列具备16-bit RSIC架构，超低功耗。作为MSP430最新产品序列，F5xxx首次采用0.18um工艺，1MIPs消耗的电流低到了惊人的160uA，主频达到25MIPs 。同时，MSP430F5xxx提供了丰富的片上功能模块，例如，硬件的RTC，12-bit ADC，灵活的时钟系统，硬件CRC16，电源管理模块和多通道的灵活强大的DMA，支持待机模式下的数据交换。
   　　高速公路不停车收费系统(ETC)介绍
   　　不停车收费系统(又称电子收费系统Electronic Toll Collection System，简称ETC系统)是利用RFID技术，实现车辆不停车自动收费的智能交通子系统。该系统通过路侧单元RSU(Road Side Unit)与车载电子标签之间OBU(On Board Unit)的专用短程通信，在不需要司机停车和收费人员操作的情况下，自动完成收费处理过程。
   　　ETC车载单元结构
   　　
   
   　　图 1. ETC OBU结构图
   　　如图一所示，OBU由电池系统，MCU，射频，显示和读卡部分(ESAM卡，CPU卡，射频卡)组成。MCU作为整个系统的中心，负责管理显示，读卡以及与射频部分的数据处理及交换。
   　　FM0编码方式介绍
   　　在车辆通过收费站时，OBU和RSU通过5.8G的载波调制，进行高速的数据交换。数据采用HDLC FM0调制。FM0编码遵循以下三个规则：
   　　A.一个周期内有电平跳变表示”0” ;
   　　B.一个周期内没有电平跳变表示”1”;
   　　C.相邻两个周期电平相反。
   　　数据形式请参考图2
   　　
   
   　　图 2. FM0编码方式车载电子标签(OBU)对MCU的挑战
   　　车载电子标签系统对MCU有两个挑战 。一是低功耗;二是高速数据通信能力。
   　　车载电子标签的电池要求有5年以上寿命或者能够支持1万次以上交易。整个系统的低功耗设计成为工程师们的首要任务。其次，RSU对OBU下行数据波特率达到了256Kbps，上行数据波特率512Kbps。由于车辆通行时间非常短，需要OBU对RSU的数据和命令快速响应。而数据包最长能够达到1Kbits，不允许OBU收下整个数据包之后再解码，这要求MCU有实时编解码的能力。
   　　一般情况下，对FM0的软解码需要得到数据的电平宽度，从而实现解码。通常有两种方式，一种是Timer捕获数据沿，然后软件在中断中判断数据沿之间的宽度。另外一种是定时采样数据口线的电平，通过计数方式得到电平宽度。ETC下行数据速率达到256Kbps，对数据“0”来讲，数据跳变沿之间的宽度只有2uS。对数据“1”来讲，数据沿宽度只有4uS。以第一种方式为例，传统的软解码方式过程如下：
   　　
   
   　　图 3. Timer 捕获中断方式
   　　如图2所示，数据接收过程中，Timer会每2uS或者4uS捕获到一个数据沿，并把数据沿保存到对应寄存器。所以，Timer捕获寄存器里的数据会最快每2uS更新一次。这就需要CPU速度足够快，能够在至少2uS之内完成解码过程。否则，Timer捕获寄存器的数据就会被新的数据覆盖掉，造成解码错误。假设MCU完成1个bit解码的时间需要50个cycle，那么至少需要MCU主频达到25MIPS以上才能实现实时解码。通常，我们会选取主频超过40MIPs的MCU，而这些高速MCU功耗往往难以满足ETC系统的要求。所以，很多ETC生产商采用双MCU的方式，由一颗高速MCU实现FM0实时编解码，另外还有一颗低功耗MCU，通常是MSP430来管理整个系统的功耗。这增加了系统的成本和复杂度。MSP430F5xxx的问世，能够同时满足ETC系统对MCU所有的挑战，解决了客户的困扰。
   　　用F5xxx 片上DMA和TimerA捕获功能实现FM0实时解码的方法
   　　MSP430F5xxx卓越的低功耗特性能够满足ETC OBU的低功耗要求。作为MSP430最新产品序列，F5xxx首次采用0.18um工艺，1MIPs消耗的电流低到了惊人的160uA，片上PMM(电源管理模块)让用户能够根据MCU负荷灵活调节核电压，确保功耗最低。另外，具备多种低功耗状态。在典型的LPM3模式下，打开RTC，RAM数据保持的情况下功耗仅为2uA。
   　　除了卓越的低功耗特性外，MSP430F5xx主频虽然最高只能达到25MIPS，但由于有灵活的多通道DMA，能够与Timer联动，实现数据的自动搬移而不干扰到CPU，这极大的增强了MCU的数据吞吐能力，使主频不再成为瓶颈，而完成对FM0近乎实时的解码。另外，硬件的CRC16模块让MCU只需要操作寄存器就可以完成数据校验。利用DMA和CRC16的实时解码过程如图4所示：
   　　
   
   　　图 4. DMA自动数据搬移的解码方式
   　　数据接收过程中，Timer每2uS或者4uS捕获到一个数据沿，这时会自动触发DMA，DMA自动将Timer寄存器的数据搬移到RAM区的指定数组当中。整个数据接收过程不需要CPU的参与。有了DMA的存在，CPU就不需要频繁的进出中断去取数据，也不用担心Timer捕获寄存器数据的丢失，只需专注于解码过程。
   　　
   
   　　图 5. FM0 DMA方式解码图示
   　　解码过程说明：
   　　1. 待机状态：TimerA配置成捕获模式，使能TimerA中断，等待数据到来
   　　2. 捕获到第一个数据沿：在TimerA中断中使能DMA，使能TimerB及TimerB中断
   　　3. 数据接收：DMA自动将后续的数据沿搬移到内存数组中;同时MCU解码
   　　4. 数据结束：TimerB判断数据接收结束
   　　5. 解码结束
   　　
   
   　　图 6. 程序流程图实测结果
   　　采用120bytes的数据做FM0解码测试，其中数据位”1”和“0”约各占50%。MSP430F5438完成解码后，通过串口输出数据如图7所示：
   　　
   
   　　图 7. 串口接收到的数据
   　　对上图1Kbits数据，实测MCU完成解码，滞后数据包接收完毕约220uS.如图8所示
   　　
   
   　　图 8. 解码实时性
   　　使用MSP430F5xx SPI及DMA实现FM0编码及发送的办法
   　　ETC OBU系统MCU上行数据率是512Kbps。通过灵活应用片上DMA及SPI模块，可以方便的完成FM0数据发送