MSP430F 在高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）中的應(yīng)用

MSP430介紹

　　TI公司的MSP430 單片機(jī)產(chǎn)品系列具備16-bit RSIC架構(gòu)，超低功耗。作為MSP430最新產(chǎn)品序列，F(xiàn)5xxx首次采用0.18um工藝，1MIPs消耗的電流低到了驚人的160uA，主頻達(dá)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-bit ADC，靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，硬件CRC16，電源管理模塊和多通道的靈活強(qiáng)大的DMA，支持待機(jī)模式下的數(shù)據(jù)交換。

　　高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）介紹

　　不停車收費(fèi)系統(tǒng)（又稱電子收費(fèi)系統(tǒng)Electronic Toll Collection System，簡(jiǎn)稱ETC系統(tǒng)）是利用RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛不停車自動(dòng)收費(fèi)的智能交通子系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過路側(cè)單元RSU（Road Side Unit）與車載電子標(biāo)簽之間OBU（On Board Unit）的專用短程通信，在不需要司機(jī)停車和收費(fèi)人員操作的情況下，自動(dòng)完成收費(fèi)處理過程。

　　ETC車載單元結(jié)構(gòu)


圖 1. ETC OBU結(jié)構(gòu)圖

　　如圖一所示，OBU由電池系統(tǒng)，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(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)管理顯示，讀卡以及與射頻部分的數(shù)據(jù)處理及交換。

　　FM0編碼方式介紹

　　在車輛通過收費(fèi)站時(shí)，OBU和RSU通過5.8G的載波調(diào)制，進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)采用HDLC FM0調(diào)制。FM0編碼遵循以下三個(gè)規(guī)則：

　　A.一個(gè)周期內(nèi)有電平跳變表示”0” ;

　　B.一個(gè)周期內(nèi)沒有電平跳變表示”1”;

　　C．相鄰兩個(gè)周期電平相反。

　　數(shù)據(jù)形式請(qǐng)參考圖2

圖 2. FM0編碼方式

車載電子標(biāo)簽（OBU）對(duì)MCU的挑戰(zhàn)

　　車載電子標(biāo)簽系統(tǒng)對(duì)MCU有兩個(gè)挑戰(zhàn) 。一是低功耗；二是高速數(shù)據(jù)通信能力。

　　車載電子標(biāo)簽的電池要求有5年以上壽命或者能夠支持1萬次以上交易。整個(gè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)成為工程師們的首要任務(wù)。其次，RSU對(duì)OBU下行數(shù)據(jù)波特率達(dá)到了256Kbps，上行數(shù)據(jù)波特率512Kbps。由于車輛通行時(shí)間非常短，需要OBU對(duì)RSU的數(shù)據(jù)和命令快速響應(yīng)。而數(shù)據(jù)包最長(zhǎng)能夠達(dá)到1Kbits，不允許OBU收下整個(gè)數(shù)據(jù)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(duì)FM0的軟解碼需要得到數(shù)據(jù)的電平寬度，從而實(shí)現(xiàn)解碼。通常有兩種方式，一種是Timer捕獲數(shù)據(jù)沿，然后軟件在中斷中判斷數(shù)據(jù)沿之間的寬度。另外一種是定時(shí)采樣數(shù)據(jù)口線的電平，通過計(jì)數(shù)方式得到電平寬度。ETC下行數(shù)據(jù)速率達(dá)到256Kbps，對(duì)數(shù)據(jù)“0”來講，數(shù)據(jù)跳變沿之間的寬度只有2uS。對(duì)數(shù)據(jù)“1”來講，數(shù)據(jù)沿寬度只有4uS。以第一種方式為例，傳統(tǒng)的軟解碼方式過程如下：

圖 3. Timer 捕獲中斷方式

　　如圖2所示，數(shù)據(jù)接收過程中，Timer會(huì)每2uS或者4uS捕獲到一個(gè)數(shù)據(jù)沿，并把數(shù)據(jù)沿保存到對(duì)應(yīng)寄存器。所以，Timer捕獲寄存器里的數(shù)據(jù)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(nèi)完成解碼過程。否則，Timer捕獲寄存器的數(shù)據(jù)就會(huì)被新的數(shù)據(jù)覆蓋掉，造成解碼錯(cuò)誤。假設(shè)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(dá)到25MIPS以上才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解碼。通常，我們會(huì)選取主頻超過40MIPs的MCU，而這些高速M(fèi)CU功耗往往難以滿足ETC系統(tǒng)的要求。所以，很多ETC生產(chǎn)商采用雙MCU的方式，由一顆高速M(fèi)CU實(shí)現(xiàn)FM0實(shí)時(shí)編解碼，另外還有一顆低功耗MCU，通常是MSP430來管理整個(gè)系統(tǒng)的功耗。這增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。MSP430F5xxx的問世，能夠同時(shí)滿足ETC系統(tǒng)對(duì)MCU所有的挑戰(zhàn)，解決了客戶的困擾。

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

　　MSP430F5xxx卓越的低功耗特性能夠滿足ETC OBU的低功耗要求。作為MSP430最新產(chǎn)品序列，F(xiàn)5xxx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）讓用戶能夠根據(jù)MCU負(fù)荷靈活調(diào)節(jié)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RTC，RAM數(shù)據(jù)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(dá)到25MIPS，但由于有靈活的多通道DMA，能夠與Timer聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)搬移而不干擾到CPU，這極大的增強(qiáng)了MCU的數(shù)據(jù)吞吐能力，使主頻不再成為瓶頸，而完成對(duì)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(shù)據(jù)校驗(yàn)。利用DMA和CRC16的實(shí)時(shí)解碼過程如圖4所示：

圖 4. DMA自動(dòng)數(shù)據(jù)搬移的解碼方式

數(shù)據(jù)接收過程中，Timer每2uS或者4uS捕獲到一個(gè)數(shù)據(jù)沿，這時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)DMA，DMA自動(dòng)將Timer寄存器的數(shù)據(jù)搬移到RAM區(qū)的指定數(shù)組當(dāng)中。整個(gè)數(shù)據(jù)接收過程不需要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(shù)據(jù)，也不用擔(dān)心Timer捕獲寄存器數(shù)據(jù)的丟失，只需專注于解碼過程。

圖 5. FM0 DMA方式解碼圖示

　　解碼過程說明：

　　1. 待機(jī)狀態(tài)：TimerA配置成捕獲模式，使能TimerA中斷，等待數(shù)據(jù)到來

　　2. 捕獲到第一個(gè)數(shù)據(jù)沿：在TimerA中斷中使能DMA，使能TimerB及TimerB中斷

　　3. 數(shù)據(jù)接收：DMA自動(dòng)將后續(xù)的數(shù)據(jù)沿搬移到內(nèi)存數(shù)組中；同時(shí)MCU解碼

　　4. 數(shù)據(jù)結(jié)束：TimerB判斷數(shù)據(jù)接收結(jié)束

　　5. 解碼結(jié)束

圖 6. 程序流程圖

　　實(shí)測(cè)結(jié)果：

　　采用120bytes的數(shù)據(jù)做FM0解碼測(cè)試，其中數(shù)據(jù)位”1”和“0”約各占50%。MSP430F5438完成解碼后，通過串口輸出數(shù)據(jù)如圖7所示：

圖 7. 串口接收到的數(shù)據(jù)

　　對(duì)上圖1Kbits數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)MCU完成解碼，滯后數(shù)據(jù)包接收完畢約220uS.如圖8所示

圖 8. 解碼實(shí)時(shí)性

　　使用MSP430F5xx SPI及DMA實(shí)現(xiàn)FM0編碼及發(fā)送的辦法

　　ETC OBU系統(tǒng)MCU上行數(shù)據(jù)率是512Kbps。通過靈活應(yīng)用片上DMA及SPI模塊，可以方便的完成FM0數(shù)據(jù)發(fā)送