CN102082587B - 一种车载单元的数据通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载单元的数据通信方法，具体包括以下步骤：车载单元接收唤醒频率信号；车载单元判断唤醒频率信号与车载单元预先设定的响应频率是否匹配；当车载单元的响应频率与唤醒频率信号匹配时，该车载单元与路侧单元建立数据通信。本发明中，车载单元在接收的唤醒频率信号和设定的响应频率匹配时才与路侧单元建立数据通信，因此，其它通信数据信号以及不符合要求的唤醒频率信号都无法激活控制器与路侧单元建立数据通信，极大降低了车载单元的误唤醒率，减少了不必要的功耗，增加了车载单元的使用寿命。

Description

一种车载单元的数据通信方法及系统

技术领域

本发明涉及短程通信领域，具体涉及一种不停车收费系统(Electronic Toll Collection，ETC)以及相应的车载单元和车载单元数据处理方法。

背景技术

随着短程通信技术的发展，为了提高高速公路收费通行的效率，不停车收费系统(Electronic Toll Collection，ETC)得到越来越广泛的运用。

不停车收费(ETC)的国家标准，是交通部联网收费技术标准中关于设备规范的部分，是应用于高速公路收费实现不停车收费的技术标准。标准主要规定了车载单元(On Board Unit，OBU)以及路侧单元(Road SideUnit，RSU)两个设备规范，规定了短程通信协议(DSRC)。其中路侧单元设置在收费车道。车载单元则安装在车辆内部，采用IC卡加控制器(CPU)的双片式标签方案，其中，该IC卡用来存帐号、余额、交易记录和出入口编号等信息；该控制器用来存车主、车型等车辆物理参数等信息，为车载单元和路侧单元提供通信保障。

现有不停车收费系统的路侧单元和车载单元都设置有天线振荡器，车载单元可主动与路侧单元通信，从路侧单元发出的频率信号被车载单元调制并接收。在此情况下车载单元都需要装设电池。如何在不影响车载单元和路侧单元通信服务能力前提下，减少车载单元的功耗一直是本技术领域研究的课题。

发明内容

本发明的主要目的是：提供一种实现低功耗和提高使用寿命的不停车收费系统以及相应的车载单元和车载单元数据处理方法。

本发明的技术问题是通过以下技术方案予以解决的：一种车载单元的数据通信方法，具体包括以下步骤：车载单元接收唤醒频率信号；车载单元判断唤醒频率信号与车载单元预先设定的响应频率是否匹配；当车载单元的响应频率与唤醒频率信号匹配时，该车载单元与路侧单元建立数据通信。

为了降低功耗，车载单元的控制器在匹配唤醒频率信号时采用低主频。

同时，为了便于计算唤醒频率信号的周期，匹配时用于计算唤醒频率信号的定时器时钟源和控制器的低主频相同。

为了进一步降低功耗，该控制器在非交易时处于低功耗模式；控制器在匹配唤醒频率信号时采用低主频；控制器在和路侧单元建立数据通信交易时采用高主频，从而从整体工作模式上进一步降低功耗。

本发明的实施方式中，该响应频率的范围设定为12-16千赫兹。车载单元的控制器检测与计算唤醒频率信号的周期，当计算的唤醒频率周期落在设定响应频率的周期范围内时，匹配成功。

本发明还涉及一种车载单元，包括信号接收单元，用于接收唤醒频率信号；数据接收链路，用于和路侧单元建立数据通信；控制器，具有设定的响应频率，该控制器分别与信号接收单元和数据接收链路连接，该控制器用于判断唤醒频率信号与该车载单元的预先设定的响应频率是否匹配，当响应频率与唤醒频率信号匹配时，控制该数据接收链路与路侧单元建立数据通信。

该车载单元的电路布设为：该控制器和数据接收链路连接之间连接有射频电源开关，该控制器在响应频率与唤醒频率信号匹配时控制射频电源开关接通，否则控制射频电源开关断开。

本发明进一步涉及的降低功耗的不停车收费系统，包括车载单元和路侧单元，该车载单元在接收的唤醒频率信号和设定的响应频率匹配时与路侧单元建立数据通信。

本发明与现有技术相比的有益效果是：1)本发明的车载单元的数据通信方法和系统，其前提是车载单元的控制器严格限定响应频率；该车载单元的控制器在接收的唤醒频率信号和设定的响应频率匹配时才与路侧单元建立数据通信，因此，其它通信数据信号以及不符合要求的唤醒频率信号都无法激活控制器与路侧单元建立数据通信，极大降低了车载单元的误唤醒率，减少了不必要的功耗，增加了车载单元的使用寿命；2)本发明的车载单元的数据通信方法和系统，该控制器在匹配模块匹配唤醒频率信号时采用低主频(1兆赫兹)，该匹配模块在匹配唤醒频率信号时，定时器的时钟源和控制器的1兆赫兹低主频相同，因此，匹配模块也工作在低主频下以进一步降低匹配时控制器的功耗；3)本发明的车载单元的数据通信方法和系统，该控制器在非交易时处于低功耗模式，该控制器在和路侧单元建立数据通信交易时采用正常工作的较高主频(16兆赫兹)，从而从车载单元整体的工作模式上更进一步降低功耗；4)本发明的车载单元的数据通信方法和系统，匹配模块在匹配唤醒频率信号时，其定时器的时钟源和控制器的低主频相同，一方面降低了功耗，另一方面也方便计算和判断接收的频率信号的方波周期；5)本发明的车载单元的数据通信方法和系统，匹配模块检测唤醒频率信号的至少两个方波周期，从而实现精确计算检测的唤醒频率信号的方波周期。

附图说明

图1所示为本实施方式的车载单元的硬件框图；

图2描述了本实施方式的车载单元误唤醒匹配过程。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对实施方式作进一步详细说明。

经研究，在车载单元的实际使用当中，主要的电量消耗不是在正常交易中，而是车载单元的误唤醒，电池在各种条件下的放电变化等等原因。其中误唤醒是电池电量消耗的主要原因之一。

根据国家标准，车载单元采用被动接收模式，因此车载单元的唤醒必须允许在国标要求的多个频点下都能够被唤醒。唤醒后，车载单元根据接收到的路侧单元的数据判断在相邻车道的路侧单元设置的不同频点，从而避免同频干扰。由于车载单元的唤醒是宽频唤醒，因此在理论上在无线通信信号比较强的地方，很有可能造成车载单元的误唤醒。

在实验室的测试中，通过使用信号源不断的调整发送信号的信号强度，检测到车载单元在900MHz，800MHz，2.4GHz频点周围，都能被误唤醒，在接近5GHz的范围的频点，则车载单元更容易被误唤醒。由此看出对于宽带接收的车载单元，误唤醒现象在长时间的使用中是较为普遍的。因此，通过降低误唤醒时的车载单元的功耗可以增加车载单元的使用寿命。

本发明涉及的降低误唤醒的不停车收费系统，包括车载单元(OBU)和路侧单元(RSU)。该车载单元包括信号接收单元、控制器10和数据接收链路30。本例中信号接收单元为天线50用于接收唤醒频率信号；数据接收链路30在车载单元被唤醒后，由控制器10设置开始和路侧单元进行数据通信；控制器10具有设定的响应频率，该控制器10分别与信号接收单元和数据接收链路30连接，该控制器10用于判断唤醒频率信号与该车载单元的预先设定的响应频率是否匹配，当该响应频率与唤醒频率信号匹配时，控制该数据接收链路30与路侧单元建立数据通信。

请参考图1，本发明涉及的车载单元，包括IC芯片(未标识)、控制器10以及作为信号接收单元的天线50。该车载单元的控制器设定响应频率。其中，该车载单元的电路布设为：控制器10和唤醒链路20连接，同时该控制器10和数据接收链路30连接，该数据接收链路30上设置受控于控制器10的射频电源开关40。该控制器10在判断唤醒频率信号为14千赫兹方波的调制信号，亦即与设定频率匹配时，控制该射频电源开关40接通，否则控制该射频电源开关40断开。该控制器10在判断接收的唤醒频率信号和国标要求的14千赫兹方波的调制信号匹配时，打开射频电源开关40，与路侧单元建立数据通信。

本实施方式中，该响应频率范围为12千赫兹到16千赫兹。

本例中，携带车载单元的车辆在远离装设路侧单元的收费站时，车载单元处于低功耗模式。车辆在靠近收费站时，碾过启动路侧单元发送唤醒频率信号和数据信号的感应线。路侧单元发送唤醒频率信号和数据信号，车载单元先检测和匹配唤醒频率信号。

根据国家ETC不停车收费技术要求，车载单元可以被14千赫兹的方波的调制信号唤醒也可以通过调制的无线通信的数据信号唤醒。为了满足车载单元对接收的唤醒频率信号调制要求，该14千赫兹的方波调制信号，要求为15-17个方波周期。

车载单元如果严格要求只能被调制的14千赫兹的方波唤醒频率信号唤醒，并在调制14千赫兹的唤醒频率信号匹配时尽可能降低功率就可以实现降低误唤醒功耗的目的。

该控制器10在匹配模块匹配唤醒频率信号时采用低主频(1兆赫兹)，该匹配模块在匹配唤醒频率信号时，控制器内部定时器的时钟源和控制器的1兆赫兹低主频相同，这样设置使得在计算唤醒方波周期的时候更为容易。因此，匹配模块也工作在低主频下以进一步降低匹配时控制器的功耗。同时，匹配模块的定时器的时钟源和控制器10的低主频相同，一方面降低了功耗，另一方面也方便计算和判断接收的频率信号的方波周期。

要达到降低误唤醒率和减少功耗的目的，首先在硬件设计上，要保证14千赫兹唤醒频率信号能够被控制器，亦即单片机接收到。本实施方式中，控制器能够实现低功耗模式和正常模式切换的单片机。控制器接收到的唤醒频率信号的数量应达到一定数量，以便控制器能够有时间进行调制、匹配和处理。本例中，车载单元的电路设计是唤醒匹配链路与数据接收链路分开设计，分别接入到控制器上。控制器的对唤醒响应需要足够快，以便能够及时接收到唤醒频率信号。本例中的控制器在唤醒匹配时，除控制器以外完全不需要其他器件配合，从而降低了功耗。

基于上述车载单元的硬件设计，车载单元在唤醒的功耗主要取决于唤醒匹配的功耗。在使用单片机通过软件的方法匹配判断是否是14千赫兹唤醒频率信号时，单片机功耗就是车载单元在唤醒时的全部功耗。本例中，在唤醒时的全部功耗包括唤醒链路的功耗和单片机(亦即控制器)的功耗。唤醒链路的功耗非常低，是可以忽略的。通常单片机的功耗与其工作主频是成正比关系的，因此让单片机工作在满足14千赫兹唤醒频率信号匹配的极低频率，就可以达到降低功耗的目的。

实验证明，在控制器10工作在主频为1兆赫兹的情况下，是可以完成14千赫兹唤醒频率信号的匹配。通常控制器10在1兆赫兹的主频下功耗大约在百微安培级别，功耗已经较低，能够大大降低误唤醒时的电池消耗。为了14千赫兹唤醒频率信号的匹配，还可以选择更低的主频，但是考虑到唤醒匹配的加入，不能够影响实际的交易，即在加入唤醒频率信号匹配后，不能使得交易的范围受到限制，仍要保持原有的交易范围不变。因此由于无线信号接收时存在一定波动，在匹配的范围上，就不能限制的很严格。而主频太低会导致匹配过于严格，因此经过实践验证，1兆赫兹的主频较为合适。

本例中，该控制器10在非交易(亦即，车载单元未接近路侧单元的时段，此时车载单元处于休眠状态)时处于低功耗模式(Low Power Mode3，LPM3)，该控制器在和路侧单元建立数据通信交易时采用正常工作的较高主频(16兆赫兹)，从而从车载单元整体的工作模式上更进一步降低功耗。

本例中涉及的车载单元的数据通信方法，大致包括以下步骤：

车载单元的控制器设定响应频率；

该车载单元的控制器在接收的唤醒频率信号和设定的响应频率匹配时与路侧单元建立数据通信。

本例中车载单元的数据通信方法，其前提是车载单元的控制器10严格限定响应频率；该车载单元的控制器10在接收的唤醒频率信号和设定的响应频率匹配时才与路侧单元建立数据通信。因此，其它通信数据信号以及不符合要求的唤醒频率信号都无法激活控制器与路侧单元建立数据通信，极大降低了车载单元的误唤醒率，减少了不必要的功耗。

该14千赫兹唤醒频率信号的匹配思路是通过数唤醒频率信号的方波周期的时钟宽度，从而计算唤醒频率信号的方波周期。由于唤醒频率信号在匹配响应频率时，因为其是方波本身没有相位差别，即无论从那个跳变开始数周期都应该为14千赫兹，因此在判断匹配上就比较简单。

实现重点主要如下：

1)关于14千赫兹唤醒方波的匹配精度问题。为了更准确匹配，设定在匹配了完整的两个周期后取定时器计数，除以2即为检测到的唤醒频率信号的方波周期。如果计数满足两个的14千赫兹唤醒方波的时间条件，即定时器计算后得出唤醒频率信号的方波周期数值是否在73微秒周围。如果唤醒频率信号满足匹配设定的14千赫兹响应频率条件，本例中，满足在63微秒到83微秒的范围。

2)如果跳变数达到4次，说明已经检测到连续两个方波周期。

3)在车载单元被唤醒后，控制器10开始将收到的唤醒频率信号与车载单元的控制器预先设定的响应频率进行匹配。由于信号经过空中传播和射频链路解调，以及其他器件精度等问题，会使得得到的唤醒方波频率存在一些误差。本例中是判断唤醒频率信号是否落在设定响应频率12-16千赫兹的范围之内。

4)当收到的14千赫兹唤醒方波的周期匹配时，首先设置控制器10工作在低主频下，本例为1兆赫兹，这样尽可能的节省了控制器的功耗，实际根据软件算法繁简设置主频，以便不影响车载单元的唤醒灵敏度，从而不会因为本功能引入而影响车载单元的实际工作。然后设置定时器时钟源，该定时器的时钟源为控制器的运行时钟1兆赫兹，即与控制器的主频相同。接着开始唤醒频率信号的方波匹配。

5)关于在匹配过程中超时时间的设置。由于匹配标准的14千赫兹方波时间大约是73微秒，因此超时时间设置为百微秒即可。

具体实现过程请参考图2，匹配模块的具体流程如下：

车载单元的信号接收单元，天线50，接收到唤醒频率信号，并通过唤醒链路20送入控制器10。

步骤S201.控制器10收到唤醒频率信号被唤醒，亦即，车载单元被唤醒，控制器10进入激活态运行。此时只有控制器10处于上电状态，其他电路仍保持关电状态。设置控制器10运行在低主频工作模式，本例中为1兆赫兹。

步骤S202.循环检查控制器10与唤醒链路连接的信号管脚电平是否有跳变，有跳变时开始计数跳变次数或者无跳变时判断是否超时。并在超时退出比配过程。由于匹配标准的14千赫兹方波时间大约是73微秒，因此超时时间设置为百微秒即可。

(1)检测到跳变时，即转到步骤S203。

(2)当在规定时间内(本例为200微秒)，都没有检测到跳变，即说明是一次误唤醒，转到步骤S207。

步骤S203.如果有跳变，则在第一次检测到跳变时清零定时器，并开始记录跳变数。转入步骤S204。

步骤S204.连续检测跳变并进行计数。如果计数达到4次则到步骤S205。否则，回到步骤S202。

步骤S205.连续两个唤醒频率信号的方波周期与控制器设定的14千赫兹响应频率已经匹配了。说明接收到的是正确的唤醒方波，程序运行到步骤S206。否则认为匹配失败，进入步骤S207。

步骤S206.设置控制器10进入正常工作的频率，本例为16兆赫兹，设置各管脚的输入输出状态以及初始的输出电平、设置定时器时钟源并打开以及通过射频电源开关40打开射频链路电源。开始正常工作。

步骤S207.认为车载单元是误唤醒，为节能能耗立刻设置控制器10进入休眠状态，转入低功耗模式。

在本实施方式中，有两个有优势的地方：

一方面是硬件电路设计上将数据接收链路与车载单元唤醒链路分开设置，这为软件在只有唤醒链路工作的前提下实现14千赫兹的唤醒信号匹配提供了条件，只有这样才能起到省电的目的，因为数据接收链路性能更高需要加电运行，在确定被正确唤醒后才启动数据接收，能够完全避免因为误唤醒而加电运行的这部分功耗。

另一方面是软件在实现14千赫兹匹配过程中，使用了低主频，本实施方式的1兆赫兹，进一步降低了车载单元的功耗。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种车载单元的数据通信方法，其特征在于包括：

车载单元接收唤醒频率信号；

将车载单元预先设定的响应频率的范围设定为12-16千赫兹；

所述车载单元包括控制器，所述车载单元的控制器匹配唤醒频率信号，包括：检测与计算所述唤醒频率信号的周期，判断唤醒频率信号的周期是否落在所述响应频率的周期范围内，如是，所述车载单元与路侧单元建立数据通信；

所述控制器在非交易时采用低功耗模式，所述控制器在匹配唤醒频率信号时采用低主频，所述控制器在和路侧单元建立数据通信交易时转换为高主频。

2.根据权利要求1所述的车载单元的数据通信方法，其特征在于：所述控制器在匹配唤醒频率信号时，用于计算唤醒频率信号周期的定时器的时钟源和控制器的主频相同。

3.一种车载单元，其特征在于包括：

信号接收单元，用于接收唤醒频率信号；

数据接收链路，用于和路侧单元建立数据通信；

控制器，所述控制器分别与信号接收单元和数据接收链路连接，将预先设定的响应频率的范围设定为12-16千赫兹；所述控制器用于匹配唤醒频率信号，包括检测与计算所述唤醒频率信号的周期，判断唤醒频率信号的周期是否落在所述响应频率的周期范围内，如是，控制所述数据接收链路与路侧单元建立数据通信；所述控制器在非交易时采用低功耗模式，所述控制器在匹配唤醒频率信号时采用低主频，所述控制器在和路侧单元建立数据通信交易时转换为高主频。

4.根据权利要求3所述的车载单元，其特征在于：所述控制器和数据接收链路之间连接有射频电源开关，所述控制器在响应频率与唤醒频率信号匹配时控制所述射频电源开关接通，否则控制所述射频电源开关断开。

5.根据权利要求4所述的车载单元，其特征在于：所述控制器在匹配唤醒频率信号时，用于计算唤醒频率信号周期的定时器的时钟源和控制器的主频相同。

6.根据权利要求5所述的车载单元，其特征在于：所述控制器用于检测唤醒频率信号的至少两个方波周期，所述控制器还用于计算唤醒频率信号的周期，当计算的唤醒频率周期落在设定响应频率的周期范围内时，匹配成功。

7.一种降低功耗的不停车收费系统，包括如权利要求3至6中任一项所述的车载单元和路侧单元，所述车载单元在接收的唤醒频率信号和设定的响应频率匹配时与路侧单元建立数据通信。