CN102254356B - 适用于国家标准的电子收费系统唤醒电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于国家标准的电子收费系统唤醒电路，涉及集成电路技术，其包括：一放大电路与检波器输出相连，用以把检波器的输入信号进行预放大后，输出给数字处理模块；一振荡器用以产生时钟信号输出给数字处理模块；一基准源电路用以产生基准电流和基准电压，提供给预放大电路和振荡器；数字处理模块依据振荡器输入的时钟信号，判断放大电路的输入信号是否为连续6-17个在10KHz-25KHz之间的信号，若是，则输出唤醒脉冲。本发明电路具有功耗低，灵敏度适中，抗工艺、电压和温度(Process，Voltage，Temperature，简称PVT)变化能力强等优点。

Description

适用于国家标准的电子收费系统唤醒电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，是一种适用于国家标准的电子收费系统(ETC)唤醒电路。

背景技术

汽车收费站收费的传统模式为汽车经过收费站后停车缴纳过路费。这种模式耗费汽车的行车时间，影响了公路运输效率。

一种智能无线电子收费系统(Electronic Toll Collection，ETC)可以解决这个问题。这种系统需要在汽车窗角安装一个具有接收和发射射频信号功能的车载无线收费单元(On Board Unit，OBU)，在收费站设置一个路侧单元(Roadside Unit，RSU)。当汽车经过收费站时，路侧单元通过射频信号与车载单元OBU进行数据通信，自动扣除预充值在OBU里面的过路费。无需停车，即可实现过路费的缴纳，节省了大量的时间。全国智能运输系统标准化委员会制定了关于无线电子收费系统ETC的国家标准GB/T20851-2007。

ETC国家标准规定，车载单元OBU只需要在经过收费站的时候才工作。为了节省OBU能耗，可以采用睡眠/唤醒模式。在正常行车过程中，OBU处于休眠状态，直至经过收费站时，OBU的唤醒电路接收到路侧单元RSU发出的唤醒信号后，发出唤醒脉冲，使OBU由休眠状态转换为工作状态。

路侧单元RSU连续向四周发射射频唤醒信号，此信号经车载单元OBU的天线接收和检波器转换，成为14kHz(10kHz-25KHz之间变化)的占空比为50％的微弱方波信号，当唤醒电路收到连续数个(17个以下)此频率的方波信号后，输出脉冲信号唤醒OBU。国标规定，ETC唤醒灵敏度为-40dBm。

常用的唤醒电路工作模式分为三种：无源工作模式，半无源工作模式和有源工作模式。在ETC系统中，车载单元与路侧单元的工作距离为数米甚至数十米，国标规定，唤醒电路的唤醒灵敏度为-40dBm。采用无源和半无源工作模式都无法达到如此低的唤醒灵敏度。因此，ETC系统唤醒电路采用有源工作模式，使用电池供电。

电子收费系统ETC唤醒电路的要求如下：

功耗低：ETC的核心电路实际工作时间很短，只在经过汽车收费站才工作。而唤醒电路则长时间处于不断电状态，必须有很低的功耗。唤醒电路的功耗决定着整个OBU单元的待机功耗，实用化的OBU要求待机时间为数年之久。因此，低功耗为唤醒电路的首要考虑因素。

唤醒灵敏度适中：灵敏度即唤醒电路可以检测并放大的最小信号幅度。唤醒灵敏度也是衡量ETC系统性能的一个重要指标。唤醒电路灵敏度要求保持在一个恰当的范围之内。

灵敏度太小，车载单元与路侧单元相距较远时车载单元就会转为工作状态，与路侧单元实现通信，但相距较远会使系统误码率升高，通信的可靠性下降，且容易受到噪声和其他干扰的影响。另一方面，高速公路的收费站一般为高速公路与市区的交接处，如果灵敏度太小，使得车载单元与路侧单元工作距离达公里量级，那么市区的一些原本不准备进入高速公路行驶的车辆，在靠近高速公路收费站附近行驶时，也会被收费，这样不符合收费站的收费要求。

灵敏度太大，则会导致车载单元与路侧单元工作距离过小。由于汽车为不停车收费，灵敏度过大，会导致在汽车靠近路侧单元至工作距离以内到汽车驶离路侧单元至工作距离以外的这段时间内，ETC没有足够的时间完成整个收费过程。或者直接导致汽车在通过收费站时，车载单元都没有被唤醒的情况。

根据工作环境的需要，唤醒灵敏度在各种温度，电压和工艺角(PVT)下也要保持在适当的范围之内，不发生量级的改变。从而在不同条件下避免灵敏度过大或者过小引起的错误收费现象。

适用于不同电源电压和温度条件：唤醒电路采用电池供电，为延长电池的使用寿命，唤醒电路需要在电池电压不足时也能正常工作。同时唤醒电路在露天环境下工作，也必须适用于不同的温度条件。GB/T 20851-2007规定，唤醒电路的工作温度在-25℃到75℃之间。

工艺健壮性强：为了大规模工业生产的需求，要求唤醒电路在各种工艺角下都能正常工作。

目前大多数唤醒电路采用分立器件或者集成元件搭建而成，这种方式实现的唤醒电路稳定性和一致性不足，同时体积大，成本高。此外，目前大多数唤醒电路的功耗在10μA量级，为了保持OBU单元数年的待机时间，需要大容量，高性能的电池供电，增加了整个ETC系统的成本和体积。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于国家标准的电子收费系统ETC唤醒电路，该电路具有功耗低，灵敏度适中，抗PVT变化能力强等特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于国家标准的电子收费系统唤醒电路，采用CMOS集成电路；其包括：

一放大电路与检波器输出相连，用以把检波器的输入信号进行预放大后，输出给数字处理模块；

一振荡器用以产生时钟信号输出给数字处理模块；

一基准源电路用以产生基准电流和基准电压，提供给预放大电路和振荡器；

数字处理模块依据振荡器输入的时钟信号，判断放大电路的输入信号是否为连续6-17个在10KHz-25KHz之间的信号，若是，则输出唤醒脉冲。

所述的电子收费系统唤醒电路，其所述放大电路包括：预放大电路、比较器、二分频器；预放大电路一输入端与检波器输出端电连接，另二个输入端分别接基准源电路的基准电流和基准电压输出，预放大电路输出端顺序与比较器、二分频器电连接；

比较器的另一输入端与基准源电路的基准电压输出电连接，用以把预放大后的信号与基准电压进行比较；二分频器把比较器的输出信号频率减半，保证二分频器的输出方波占空比为50％，二分频器的输出与数字处理模块输入端电连接，数字处理模块输出端输出唤醒脉冲。

所述的电子收费系统唤醒电路，其所述基准源电路，类型为V_GS/R型基准源电路，提供零温度漂移的基准电流和负温度系数的基准电压值。

所述的电子收费系统唤醒电路，其所述预放大电路，防止前级电路引起的直流失调。

所述的电子收费系统唤醒电路，其所述比较器，通过一种偏置方法，在待机状态下比较器不消耗电流。

所述的电子收费系统唤醒电路，其所述振荡器，类型为RC弛豫振荡器，其输出信号频率仅与振荡器电路的电容值和基准源电路的电阻值乘积有关，振荡器输出信号频率在70KHz-130KHz之间。

所述的电子收费系统唤醒电路，其所述一种偏置方法，包括：

(1)基准源电路中设有两个电阻R1和R2，其两阻值之和使提供的电流基准不变，为预放大电路的放大器和比较器提供基准电压Vref2和Vref1，其中，Vref2小于Vref1；

(2)基准源电路中，恒电流基准Iref流过NMr1管，其栅源偏置电压为Vref1；取比较器NMc1管，NMc2管与基准源电路NMr1管的尺寸相同，如果静态时，比较器NMc1管的栅源电压等于Vref1，则流过比较器NMc1管的电流Ic1保持恒定，等于Iref；

(3)根据预放大电路的特性，V1的静态电压等于Vref2，即比较器NMc1管的实际静态栅源电压为Vref2，小于Vref1，比较器NMc1管工作在深亚阈值状态，静态功耗忽略不计；

(4)由于V1小于比较器NMc2管的偏置，Ic2等于Ic1，从而比较器的总静态功耗电流也忽略不计；

(5)当预放大电路有输入信号后，进入工作状态，V1点电压会升高，流过比较器NMc1管的电流Ic1也不断增加，在超过Vref1时，Ic1与Iref相等，比较器提供足够的驱动电流使得输出状态翻转。

本发明的适用于国家标准的电子收费系统唤醒电路，图1，采用集成电路实现，且可以和OBU的其他模块集成在同一块芯片上。采用了数字化频率判断方法，能够准确判断输入信号的频率是否为RSU唤醒脉冲的频率，从而排除其他发射源的干扰，降低了误唤醒的可能性，确保了唤醒的准确性。

本发明功耗低，系统待机功耗电流只有1.9uA，极大的降低了ETC系统对电池的要求。采用了一种偏置方法，使得电路的灵敏度在1.5mV左右，并且在不同的PVT条件下都能保持适中，具有较强的抗PVT变化能力。

附图说明

图1(a)所示为系统结构示意图，虚线方框内为唤醒电路；

图1(b)所示为本发明的适用于国家标准的电子收费系统(ETC)唤醒电路结构及工作示意图；

图2为本发明唤醒电路的基准源电路图；

图3为本发明唤醒电路的预放大电路结构图；

图4为本发明唤醒电路的比较器电路图；

图5为本发明唤醒电路的预放大电路和比较器的偏置方法；

图6为本发明唤醒电路的振荡器电路图；

图7为本发明唤醒电路的数字流程图；

图8为本发明唤醒电路实施例的仿真波形图；其中：

图8(a)为输入5mV的微弱方波信号；

图8(b)为经过预放大电路放大后的信号；

图8(c)为经过比较器输出后的满幅方波信号；

图8(d)为振荡器输出信号；

图8(e)为唤醒电路输出；

图9为本发明唤醒电路实施例的灵敏度随温度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的适用于国家标准的电子收费系统(ETC)唤醒电路做进一步说明。

(1)系统结构：

图1a所示为系统结构示意图，虚线方框内为唤醒电路；图1b所示为本发明的适用于国家标准的电子收费系统(ETC)唤醒电路结构及工作示意图。天线接收路侧单元发来的射频唤醒信号，经外接检波器检波后，转换成14kHz左右的微弱方波信号，微弱方波信号被放大电路放大至满幅信号，进入数字处理模块。振荡器(OSC)输出200kHz的方波振荡信号，作为时钟信号提供给数字处理模块。数字处理模块判断放大后信号是否为连续6个周期的14KHz信号，若是就输出唤醒脉冲。放大电路和振荡器所需的电压基准和电流基准由基准源电路提供。

(2)基准源电路：

基准源电路的作用是为其他电路模块提供基准电流以及基准电压。图2为本发明采用的低功耗V_GS/R型基准源电路。PM1管和PM2管构成电流镜，NM1管的栅极连接到电阻R的正端。通过选取合适的NM1管宽长比和R的电阻值，即可以得到一个与温度和电源电压无关的基准电流值Iref和负温度系数基准电压Vref。恒电流基准Iref流过NMr1管，其栅源偏置电压为Vref，因此Vref也可用于和NM1管构成电流镜的NMOS管的偏置。

(3)预放大电路：

路侧单元发出的射频唤醒信号经天线接收和检波器转换，进入到唤醒电路，输入信号是幅度为mV量级频率为14KHz(10KHz-25KHz变化)的微弱方波。此微弱信号首先经过预放大电路进行预放大，预放大后的信号经过零静态功耗比较器与一基准电压进行比较，比较器输出满幅的数字方波信号，再经过比较器、二分频器输出到数字处理模块。

预放大电路如图3所示。此结构可以阻止前级电路引入的直流失调，同时具有低功耗，低噪声等优点。其放大倍数为

$G=\frac{\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_2}}{\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_1}}=\frac{C_1}{C_2}---\left(1\right)$

Vout和放大器(opa)负输入端没有直流通路，因此opa输出直流电压与opa负输入端电压相等。由于opa的虚短特性，opa正负输入端直流电压相等，从而预放大电路的输出直流电压Vout等于基准电压Vref。Vout通过电阻R向opa负输入端提供直流偏置，从面积和性能上考虑，R由两个级联而成的PMOS管替代，其阻值可达G欧姆量级。

(4)比较器：

微弱方波经过预放大后，再输入至比较器。比较器结构如图4所示，NMc1管与NMc2管尺寸相同；PMc1管与PMc2管尺寸相同，成电流镜结构。预防大后的信号和基准电压Vref进行比较，若大于Vref，则比较器输出为1；反之，则输出为0。

本发明提供了一种偏置方法，使得比较器在静态时不消耗电流，节省了功耗；在工作状态时，比较器流过电流，为输出状态翻转提供足够的驱动电流。偏置方法如图5所示。其中，基准源电路中R1和R2的阻值之和等于图2电路中R的阻值，保证电路所提供的电流基准不变。基准源为opa和比较器提供基准电压Vref2和Vref1，其中，Vref2小于Vref1。

基准源电路中，恒电流基准Iref流过NMr1管，其栅源偏置电压为Vref1。取比较器NMc1管，NMc2管与基准源电路NMr1管的尺寸相同。如果静态时，比较器NMc1管的栅源电压等于Vref1，那么流过NMc1管的电流Ic1保持恒定，等于Iref。根据预放大电路的特性，V1的静态电压等于Vref2。即NMc1管的实际静态栅源电压为Vref2，小于Vref1，NMc1管工作在深亚阈值状态，静态功耗可以忽略不计。由于V1小于NMc2管的偏置，Ic2等于Ic1，从而比较器的总静态功耗电流也可以忽略不计。

当预放大电路有输入信号后，V1点电压会升高，流过NMc1管的电流Ic1也不断增加，在超过Vref1时，Ic1与Iref相等，比较器可以提供足够的驱动电流使得输出状态翻转。这样，在待机状态时，比较器不消耗功耗，在工作状态时，比较器流过电流，为输出状态翻转提供足够的驱动电流。

灵敏度即唤醒电路可以检测并放大的最小信号幅度。唤醒电路的灵敏度由预放大电路和比较器决定。当微弱信号预放大后电压超过比较器偏置电压Vref1，即可以被检测并放大。可知最小灵敏度为：

$V_{\min }=\frac{V_{\mathrm{vef}1}-V_{\mathrm{ref}2}}{G/2}=\frac{2R1\·\mathrm{Iref}}{C1/C2}---\left(2\right)$

其中，G代表预放大电路的放大倍数。C1，C2，R1，Iref则代表图5中相应的电容，电阻和电流值。从式(1)看出，灵敏度与电源电压无关，不随电源电压变化。根据实际需要，通过调节C1，C2的容值以及R1的阻值可以设定灵敏度的大小。

(5)二分频器：

在低电流情况下，预放大电路的带宽在100KHz以下。预防大后的方波边沿变缓，经比较器输出后的方波占空比会发生改变。本发明中，数字处理模块需要输入占空比为50％的方波信号。如果把比较器输出的方波直接输入到数字处理模块，会产生计数误差。本发明中，比较器输出后的方波先经过一个二分频器，即可转换为一个占空比为50％的方波。

输入到预放大电路的微弱唤醒方波信号频率为14KHz(10KHz-25KHz之间变化)。此信号经过二分频后频率减半，因此数字处理模块只需判断二分频器输出后的方波是不是7KHz(5KHz-12.5KHz变化)即可判断输入信号是否为唤醒方波信号。

(6)振荡器：

振荡器电路主要作用是给数字处理模块提供时钟基准信号。常用的振荡器有RC振荡器，环形振荡器，晶体振荡器和弛豫振荡器。普通模式RC振荡器和环形振荡器振荡频率稳定性差，产生的频率受电源电压、环境温度，以及组成振荡器的各种元器件的电学特性影响较大。晶体振荡器频率精确，但需要外接晶体振荡器，不适用于系统集成的要求。

本发明采用了一种弛豫模式的RC振荡器，如图6所示。其输出频率仅由充电电容和基准源电路的电阻乘积决定，具有较高的精度。

假设初始时C1处于充电状态，C1电压不断升高，当C1电压高于基准电压时，比较器输出状态改变，从而SR触发器输出状态改变，连接C2的PMOS管导通，C2开始充电，而连接C1的PMOS管关闭，NMOS管导通，C1对地放电；C2充电到基准电压后，电路状态再次发生改变，C1充电，C2放电。如此反复，由SR触发器控制电容C1和C2交替充放电，产生振荡信号。

振荡周期由充电时间，即C*Vref/Iref决定。而Vref/Iref均由VGS/R型基准源电路提供，其比值由图2基准源电路中R的电阻值决定。从而，振荡器电路的振荡频率仅与自身充电电容和基准源电路的电阻乘积有关。

因为振荡器电路中的比较器输出边沿非常缓慢，导致SR触发器在翻转时候会消耗一定的瞬态功耗。在SR触发器的输入输出端加缓冲储存装置(buffer)可以降低SR触发器的瞬态功耗。

仿真结果表明，此振荡器在电源电压，温度以及器件模型等80余种组合corner下，振荡器输出频率偏差仅在正负35％的范围内，频率稳定性较好。

(7)数字处理模块：

数字处理模块的作用为判断放大后信号是否为连续数个周期的14KHz(10KHz-25KHz之间变化)信号，如果是则输出唤醒脉冲。其工作流程如图7所示，SIGNAL为放大至满幅的输入方波信号。首先判断输入信号SIGNAL的频率是不是14KHz(10KHz-25KHz之间变化)，是则使后续计数器加1，不是则使其清零。当计数累计为6时，则输出唤醒脉冲。

频率判断采用高电平计数的方式。在输入信号SIGNAL的高电平，计数器开始以OSC产生的时钟信号计数。当SIGNAL变为低电平后，计数器停止计数，判断SIGNAL高电平期间的计数值即可判断输入信号SIGNAL的频率。例如，OSC产生的时钟信号为100kHz，周期为10us。SIGNAL信号频率为7KHz，周期为142.8us，一个周期高电平持续时间为71.4us。当计数值为71.4/10≈7，即可判断SIGNAL频率在14KHz左右。

频率判断计数也可以采用边沿计数的方式。即在SIGNAL的上升沿开始计数，在下一个上升沿到来后停止计数。但是采用边沿计数会导致计数器状态始终在翻转，消耗大量的瞬态电流。而采用高电平计数的方式，计数器只在输入有信号的时候(即在收费站附近的时候)状态才改变；在没有信号时候(即远离收费站的时候)，计数器状态不翻转，节省功耗电流。

考虑到电源电压，温度的变化和工艺的偏差，输入信号SIGNAL偏差在10KHz-25KHz，振荡器输出信号频率在70KHz-130KHz之间。数字处理模块必须容纳输入信号和振荡器输出信号的频率偏差。通过计算可得，停止计数后，计数值在2-14范围之内为符合要求的信号。

(8)总结：

本发明的适用于国家标准的电子收费系统(ETC)唤醒电路，是一种基于汽车收费站电子收费系统的唤醒电路，包括预放大电路、比较器电路、二分频器、振荡器、数字处理模块和基准源电路。本发明中，预放大电路结构可以防止前级电路带来的直流失调。通过采用图5的偏置方法，比较器在待机时不消耗电流，在工作状态则可提供足够的驱动电流。二分频器通过把频率减半，确保输入到数字处理模块的方波信号占空比为50％，从而确保频率判断的准确性。振荡器采用的是弛豫式RC结构，输出频率仅由充电电容和基准源电路的电阻乘积决定，具有较好的频率稳定性。本发明给出了一种能容纳输入信号和振荡信号频率偏差的数字处理流程。

(9)具体实施例

下面举一个具体实现的例子：

采用TSMC 0.18um 3V-CMOS RF工艺。仿真结果表明，此系统功耗电流仅为1.9μA，在不同的PVT条件下功耗电流保持在1.6A至2.3μA之间，皆在合理的范围之内。

图8为本发明的唤醒电路在温度27℃，电源电压3.3V时的仿真波形图。(a)为输入5mV的微弱方波信号，(b)为经过预放大电路放大后的信号，(c)为经过比较器输出后的满幅方波信号，(d)为振荡器输出信号，(e)为唤醒电路输出。可以看出，输入6个连续方波信号后，唤醒电路输出一个唤醒脉冲。在不同的PVT条件下仿真，本发明的唤醒电路均可以正常工作。

图9为本发明的唤醒电路在电源电压3.3V时，系统灵敏度随温度变化曲线，当温度从-25℃变化到25℃时，灵敏度从1.55mV变为1.35mV，保持在一个合理的范围之内。根据式(1)，灵敏度不随电源电压的改变而改变。在不同的PVT条件下仿真，灵敏度保持在1.3mV-1.7mV之间，皆在合理的范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于国家标准的电子收费系统唤醒电路，采用CMOS集成电路；其特征在于，包括：

一放大电路与检波器输出相连，用以把检波器的输入信号进行预放大后，输出给数字处理模块；

一振荡器用以产生时钟信号输出给数字处理模块；

一基准源电路用以产生基准电流和基准电压，提供给预放大电路和振荡器；

数字处理模块依据振荡器输入的时钟信号，判断放大电路的输入信号是否为连续6-17个在10KHz-25KHz之间的信号，若是，则输出唤醒脉冲；

其中，所述放大电路包括：预放大电路、比较器和二分频器；预放大电路一输入端与检波器输出端电连接，另二个输入端分别接基准源电路的基准电流和基准电压输出，预放大电路输出端顺序与比较器、二分频器电连接；比较器的另一输入端与基准源电路的基准电压输出电连接，用以把预放大后的信号与基准电压进行比较；二分频器把比较器的输出信号频率减半，保证二分频器的输出方波占空比为50％，二分频器的输出与数字处理模块输入端电连接，数字处理模块输出端输出唤醒脉冲。

2.如权利要求1所述的电子收费系统唤醒电路，其特征在于，所述基准源电路，类型为V_GS/R型基准源电路，提供零温度漂移的基准电流和负温度系数的基准电压值。

3.如权利要求1所述的电子收费系统唤醒电路，其特征在于，所述预放大电路，防止前级电路引起的直流失调。

4.如权利要求1所述的电子收费系统唤醒电路，其特征在于，所述比较器，通过一种偏置方法，在待机状态下比较器不消耗电流。

5.如权利要求1所述的电子收费系统唤醒电路，其特征在于，所述振荡器，类型为RC弛豫振荡器，其输出信号频率仅与振荡器电路的电容值和基准源电路的电阻值乘积有关，振荡器输出信号频率在70KHz-130KHz之间。

6.如权利要求4所述的电子收费系统唤醒电路，其特征在于，所述一种偏置方法，包括：

(1)基准源电路中设有两个电阻R1和R2，其两阻值之和使提供的电流基准不变，为预放大电路的放大器和比较器提供基准电压Vref2和Vref1，其中，Vref2小于Vref1；

(2)基准源电路中，恒电流基准Iref流过NMr1管，其栅源偏置电压为Vref1；取比较器NMc1管，NMc2管与基准源电路NMr1管的尺寸相同，如果静态时，比较器NMc1管的栅源电压等于Vref1，则流过比较器NMc1管的电流Ic1保持恒定，等于Iref；

(3)根据预放大电路的特性，V1的静态电压等于Vref2，即比较器NMc1管的实际静态栅源电压为Vref2，小于Vref1，比较器NMc1管工作在深亚阈值状态，静态功耗忽略不计；

(4)由于V1小于比较器NMc2管的偏置，Ic2等于Ic1，从而比较器的总静态功耗电流也忽略不计；

(5)当预放大电路有输入信号后，进入工作状态，V1点电压会升高，流过比较器NMc1管的电流Ic1也不断增加，在超过Vref1时，Ic1与Iref相等，比较器提供足够的驱动电流使得输出状态翻转。

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