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MSP430F在高速公路不停車收費系統(tǒng)ETC中的應用

摘要： TI公司的MSP430 單片機產品系列具備16-bit RSIC架構，超低功耗,。作為MSP430最新產品序列,，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，MSP430F5xxx提供了豐富的片上功能模塊,，例如,，硬件的RTC，12-bit ADC,，靈活的時鐘系統(tǒng),，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,。

關鍵詞： 微處理器|微控制器 ETC MSP430F

Abstract：

Key words :

TI公司的MSP430 單片機產品系列具備16-bit RSIC架構，超低功耗,。作為MSP430最新產品序列,，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，MSP430F5xxx提供了豐富的片上功能模塊,，例如,，硬件的RTC，12-bit ADC,，靈活的時鐘系統(tǒng),，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,。

　　高速公路不停車收費系統(tǒng)(ETC)介紹

　　不停車收費系統(tǒng)(又稱電子收費系統(tǒng)Electronic Toll Collection System,，簡稱ETC系統(tǒng))是利用RFID技術，實現車輛不停車自動收費的智能交通子系統(tǒng),。該系統(tǒng)通過路側單元RSU(Road Side Unit)與車載電子標簽之間OBU(On Board Unit)的專用短程通信,，在不需要司機停車和收費人員操作的情況下，自動完成收費處理過程,。

　　ETC車載單元結構

　　圖 1. ETC OBU結構圖

　　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作為整個系統(tǒng)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,。

　　FM0編碼方式介紹

　　在車輛通過收費站時，OBU和RSU通過5.8G的載波調制,，進行高速的數據交換,。數據采用HDLC FM0調制。FM0編碼遵循以下三個規(guī)則：

　　A.一個周期內有電平跳變表示”0” ;

　　B.一個周期內沒有電平跳變表示”1”;

　　C.相鄰兩個周期電平相反,。

　　數據形式請參考圖2

　　圖 2. FM0編碼方式車載電子標簽(OBU)對MCU的挑戰(zhàn)

　　車載電子標簽系統(tǒng)對MCU有兩個挑戰(zhàn) ,。一是低功耗;二是高速數據通信能力。

　　車載電子標簽的電池要求有5年以上壽命或者能夠支持1萬次以上交易,。整個系統(tǒng)的低功耗設計成為工程師們的首要任務,。其次，RSU對OBU下行數據波特率達到了256Kbps,，上行數據波特率512Kbps,。由于車輛通行時間非常短，需要OBU對RSU的數據和命令快速響應,。而數據包最長能夠達到1Kbits,，不允許OBU收下整個數據包之后再解碼，這要求MCU有實時編解碼的能力,。

　　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。另外一種是定時采樣數據口線的電平,，通過計數方式得到電平寬度,。ETC下行數據速率達到256Kbps，對數據“0”來講,，數據跳變沿之間的寬度只有2uS,。對數據“1”來講，數據沿寬度只有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，數據接收過程中,，Timer會每2uS或者4uS捕獲到一個數據沿，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之內完成解碼過程,。否則，Timer捕獲寄存器的數據就會被新的數據覆蓋掉,，造成解碼錯誤,。假設MCU完成1個bit解碼的時間需要50個cycle，那么至少需要MCU主頻達到25MIPS以上才能實現實時解碼,。通常,，我們會選取主頻超過40MIPs的MCU，而這些高速MCU功耗往往難以滿足ETC系統(tǒng)的要求,。所以,，很多ETC生產商采用雙MCU的方式，由一顆高速MCU實現FM0實時編解碼,，另外還有一顆低功耗MCU,，通常是MSP430來管理整個系統(tǒng)的功耗。這增加了系統(tǒng)的成本和復雜度,。MSP430F5xxx的問世,，能夠同時滿足ETC系統(tǒng)對MCU所有的挑戰(zhàn)，解決了客戶的困擾,。

　　用F5xxx 片上DMA和TimerA捕獲功能實現FM0實時解碼的方法

　　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)讓用戶能夠根據MCU負荷靈活調節(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聯動，實現數據的自動搬移而不干擾到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近乎實時的解碼,。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的實時解碼過程如圖4所示：

　　圖 4. DMA自動數據搬移的解碼方式

　　數據接收過程中,，Timer每2uS或者4uS捕獲到一個數據沿,，這時會自動觸發(fā)DMA，DMA自動將Timer寄存器的數據搬移到RAM區(qū)的指定數組當中,。整個數據接收過程不需要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,，只需專注于解碼過程。