中國的公路不停車收費(ETC)系統(tǒng)應(yīng)用市場越來越大，為了促進ETC應(yīng)用的快速發(fā)展和成熟，國家相關(guān)部門開展了高速公路聯(lián)網(wǎng)不停車收費的試點工程，比如，京津翼地區(qū)和長三角地區(qū)，所以對車載單元(OBU)的需求量也隨之大幅增加。
目前市場上應(yīng)用的OBU多數(shù)是通過分立元器件設(shè)計實現(xiàn)的，存在一致性、穩(wěn)定性和可靠性的問題。博通(BEKEN)集成電路于2010年年初推出用于ETC系統(tǒng)的射頻收發(fā)器芯片BK5822，是目前世界上唯一一款集成了包括接收、發(fā)射和喚醒在內(nèi)的全部射頻功能的國標(biāo)ETC收發(fā)器，其性能指標(biāo)完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20851.1-2007和GB/T 20851.2-2007。BK5822設(shè)計實現(xiàn)的OBU完全解決了上述問題，批量生產(chǎn)的OBU具有一致性以及穩(wěn)定可靠性。
與應(yīng)用分立元器件設(shè)計實現(xiàn)的OBU方案相比，BK5822僅需少量外部器件，最大程度上節(jié)約了PCB面積和外圍器件的成本，縮短了研發(fā)周期，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的成品率，BK5822集成了OBU所需的全部射頻功能模塊，使設(shè)計更為簡單，研發(fā)調(diào)試更容易，量產(chǎn)的OBU產(chǎn)品性能更穩(wěn)定。
基本技術(shù)特性
BK5822射頻收發(fā)器內(nèi)部集成了完整的射頻收發(fā)和調(diào)制解調(diào)功能，并嵌入了數(shù)據(jù)幀處理功能，進行FM0的編解碼。同時BK5822還集成了喚醒電路，能夠在電流很低的睡眠狀態(tài)被喚醒，滿足了ETC OBU在睡眠狀態(tài)超低功耗的要求。BK5822采用了常用的小尺寸28pin 5mm×5mm QFN封裝(圖1)，加上簡單的外圍應(yīng)用電路，大大減小了在PCB上所占用的空間，從而節(jié)省了成本。
圖1: BK5822 5mm×5mm QFN封裝芯片
BK5822射頻收發(fā)器的基本特性如下：工作頻段5.7GHz~5.85GHz；能夠同時接收5.83GHz和5.84GHz兩個信道的信號；數(shù)據(jù)速率：上行512kbps，下行256kbps；輸出功率為2dBm(傳導(dǎo))；接收鏈路集成了AGC功能，能動態(tài)調(diào)整接收鏈路的增益；接收靈敏度達-60dBm；ASK調(diào)制方式，F(xiàn)M0編解碼；內(nèi)置喚醒電路，喚醒靈敏度為-42dBm；發(fā)射功耗為40mA；接收功耗為35mA；支持2.6V到3.6V的電源電壓；睡眠狀態(tài)的電流為13μA；最高8MHz的4線SPI接口。
主要功能模塊
BK5822全部集成了ETC OBU的各射頻功能模塊，圖2為BK5822射頻收發(fā)器內(nèi)部的系統(tǒng)框圖，下面結(jié)合圖2對各功能模塊進行簡要的描述。
圖2: BK5822射頻收發(fā)器內(nèi)部的系統(tǒng)框圖
發(fā)射模塊(請做粗宋)：對于發(fā)射有四種常用的工作模式，分別為發(fā)射單載波信號、發(fā)射正常burst信號、發(fā)射PN9連續(xù)信號、發(fā)射全“0”數(shù)據(jù)信號。發(fā)射正常Burst信號，用戶只需向發(fā)射的FIFO中直接寫入所需要發(fā)射的數(shù)據(jù)，BK5822檢測到FIFO中有數(shù)據(jù)后，打開發(fā)射相關(guān)電路，將數(shù)據(jù)調(diào)制到載波上，發(fā)送出去，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，發(fā)射相關(guān)電路關(guān)閉，進入待機狀態(tài)。其它三種工作模式用于測試模式，完成射頻性能的測試。發(fā)射的調(diào)制深度是可調(diào)的，由數(shù)據(jù)調(diào)制前的Ramp決定；發(fā)射功率也是可調(diào)控的，通過相應(yīng)寄存器的設(shè)置來實現(xiàn)，功率的調(diào)節(jié)范圍可達到22dB。
接收模塊(請做粗宋)：接收機采用低中頻結(jié)構(gòu)，在下變頻后的Rx Filter是一個中間頻率在5MHz的帶通濾波器。當(dāng)使BK5822進入接收狀態(tài)，并且BK5822接收到數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志后，便自動將Rx關(guān)閉，同時中斷引腳發(fā)出接收中斷，BK5822進入待機狀態(tài)，直到FIFO里面的數(shù)據(jù)被讀空，或者清除接收中斷后，接收才重新打開以等待接收數(shù)據(jù)。如果BK5822沒有接收到數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志，將一直處于接收狀態(tài)，此時如果要退出接收狀態(tài)進入待機狀態(tài)，需要通過相應(yīng)寄存器設(shè)置強制關(guān)閉接收模塊。為了對BK5822接收的信號進行更好的解調(diào)和解碼，BK5822內(nèi)部集成了一個AGC（自動增益控制），實現(xiàn)接收鏈路增益的自動調(diào)節(jié)。
喚醒模塊(請做粗宋)：對14KHz方波進行檢測，檢測到N個方波后，BK5822給出喚醒中斷信號。這里的N可由用戶設(shè)定，范圍是1~16。BK5822內(nèi)部集成了帶通的鑒頻器，實現(xiàn)10KHz~20KHz范圍內(nèi)的方波能夠產(chǎn)生喚醒中斷，大大減小了誤喚醒的概率。
系統(tǒng)應(yīng)用分析
應(yīng)用BK5822設(shè)計ETC OBU，電路實現(xiàn)方面十分簡單，圖3是應(yīng)用BK5822設(shè)計ETC OBU的系統(tǒng)框圖。從圖可看出，整個OBU系統(tǒng)主要有兩顆芯片，一個是主控芯片MCU，另一個是射頻收發(fā)器BK5822。BK5822的外圍應(yīng)用器件很少，一顆是32.768MHz的晶振，其它主要是匹配電路應(yīng)用的無源器件。發(fā)射、接收和喚醒部分的匹配電路均采用單端輸出和輸入的結(jié)構(gòu)，便于研發(fā)調(diào)試和外圍器件的成本控制。接收和發(fā)射共用一個微波天線，通過一個PIN微波二極管來控制收發(fā)的切換。微波天線具有圓極化的特性，方向性較強，應(yīng)用普通PCB板材實現(xiàn)的PCB板上印制微波天線，大幅降低了成本。
圖3: 應(yīng)用BK5822實現(xiàn)的ETC OBU系統(tǒng)框圖。
主控MCU通過SPI來控制射頻收發(fā)器BK5822，從而實現(xiàn)整個OBU的功能。BK5822提供一個最高速率可達8MHz的SPI接口，它由四根信號線組成，分別為MOSI、MISO、CLK和CSN。通過SPI接口，用戶通過讀寫寄存器的方式進行數(shù)據(jù)傳輸和控制。
實際應(yīng)用BK5822實現(xiàn)的OBU，在程序初始化后，一般來說，只是通過兩個中斷信號觸發(fā)MCU之后，才與BK5822進行數(shù)據(jù)傳輸。一個中斷信號為喚醒中斷，另一個為IRQ中斷。IRQ的中斷信號在接收到數(shù)據(jù)或發(fā)射完數(shù)據(jù)后產(chǎn)生。具體MCU和BK5822的交互流程圖如圖4所示。
圖4: MCU和BK5822交互流程圖
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