CN103093508A - 适用于电子收费系统的两级唤醒电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于电子收费(ETC)系统的两级唤醒电路，涉及集成电路技术，包括初级、次级唤醒电路。初级唤醒电路功耗低，待机状态下一直工作。次级唤醒电路灵敏度适中，稳定性好，抗PVT变化能力强，可精确判断输入信号是否为ETC唤醒信号，但功耗较高，待机状态下处于休眠状态，其唤醒与休眠由初级唤醒电路控制。本发明的两级唤醒电路中，初级唤醒电路和次级唤醒电路联合使用，使整个ETC两级唤醒电路即具有初级唤醒电路待机功耗低的优点，又具有次级唤醒电路灵敏度适中，稳定性好，误唤醒率低等特点。同时，本发明的初级唤醒电路中，采用了一种新型无需外接偏置的低功耗微弱信号放大电路，使得初级唤醒电路功耗很低。

Description

适用于电子收费系统的两级唤醒电路

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(ETC)系统的两级唤醒电路。

背景技术

智能无线电子收费系统(Electronic Toll Collection，ETC)是目前国家逐渐普及和广泛推荐的一种汽车收费站收费系统。这种系统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(RoadsideUnit，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。在汽车行车过程中就可以实现收费，节省时间，提高效率。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系统中，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的主体电路处于休眠状态，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主体由休眠状态转换为工作状态。即OBU真正工作时间很短，每次也只有几毫秒左右，而待机时间很长，全天24小时都处于待机状态。因此，OBU的待机功耗决定了OBU电池的续航时间。

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。-40dBm的信号经常用检波器转换，可以转化成幅度为10mV左右的微弱信号。

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，唤醒灵敏度为-40dBm。无源标签和半无源标签都无法达到如此低的灵敏度。因此，车载单元一般通过有源标签实现，采用电池供电的形式。在待机状态下，唤醒电路由电池直接供电，一直工作，消耗一定的能量；而OBU单元的主体电路部分则处于休眠状态，在待机状态不消耗能量。当汽车经过收费站时，唤醒电路唤醒OBU单元的主体电路部分，建立与路侧单元的通讯。

ETC系统唤醒电路的要求如下：

待机功耗低：唤醒电路采用电池供电，并且长时间处于不断电状态，必须有很低的待机功耗。唤醒电路的待机功耗决定着整个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，低待机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的最小信号幅度。从数值上，灵敏度越小，可检测的最小信号幅度越小，灵敏度越好。ETC系统唤醒灵敏度即为OBU主体单元被唤醒时候的最小信号幅度。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定的范围之内。

灵敏度太小，车载单元与路侧单元相距较远时车载单元OBU就会转为工作状态，此时，OBU开始消耗能量，但是，由于距离过远，信号很弱，OBU与RSU无法建立有效通信，直到汽车驶近与RSU一定距离之内，两者才能建立有效通信。这样会增加OBU单元的工作时间，造成能量浪费。

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。

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。

申请号为201010597868.6，申请名称为“适用于国家标准的电子收费系统唤醒电路”的专利公布了一种唤醒电路集成电路实现方案。如附图1所示，虚线方框内为此专利申请保护的内容。唤醒信号经外接天线接收和外接检波器转换后，生成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。

专利“适用于国家标准的电子收费系统唤醒电路”，可以对输入信号的幅度和频率进行精确的判断，结构简单，误唤醒率低，稳定性好，抗PVT变化能力强。但是，此申请专利包含的所有模块在待机状态时都一直工作，没有达到最节省功耗的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于电子收费系统的两级唤醒电路，适用于国家标准的电子收费(ETC)系统。本发明中初级唤醒电路一直工作，而次级唤醒电路在待机状态下断电。通过两级唤醒的形式，由次级唤醒电路控制最终的唤醒信号输出与否。使得本发明既有低功耗的优点，又有精度高，稳定性好，抗PVT变化能力强的优势。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种适用于电子收费系统的两级唤醒电路，采用CMOS集成电路实现；其包括：

一初级唤醒电路，包括放大电路I、数字处理模块I；放大电路I输入端Vi接信号输入端VIN，输出端Vo接数字处理模块I的输入端Vi；

一次级唤醒电路，含有放大电路II、数字处理模块II、基准源、振荡器，其中，放大电路II输入端Vi接信号输入端VIN，输出端Vo接数字处理模块II的数据输入端Vi，数字处理模块II输出端Vo接最终唤醒信号输出端VOUT，数字处理模块II的另一输出端Vc接初级唤醒电路中数字处理模块I的一输入复位端Re；振荡器输出端Vosc接数字处理模块II的另一时钟输入端CLK；基准源为放大电路II和振荡器提供电压基准Vref和电流基准Iref；

一开关，为受控开关，采用PMOS技术制作，开关的断开与否由其控制端Vs控制；开关一点为正端，接系统电源端VDD，另一点为负端，接次级唤醒电路的电源端，受控端Vs接初级唤醒电路中数字处理模块I的输出端Vo；

整个两级唤醒电路的输入端为信号输入端VIN，最终输出端为次级唤醒电路的输出端VOUT。

所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其中：所述初级唤醒电路，控制着次级唤醒电路的电源断开与否；待机状态下，初级唤醒电路正常工作，而次级唤醒电路电源开关断开，处于休眠状态，当初级唤醒电路检测到有输入信号并且信号达到一定的幅度之后，闭合开关，次级唤醒电路电源端连通，上电后即正常工作。

所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其中：所述初级唤醒电路中的初级放大电路I，在待机状态下一直工作，当有输入信号时，即对输入信号进行放大，当输入信号幅值超过其灵敏度时，放大电路I把输入信号放大为满幅数字方波信号输出至数字处理模块I，数字处理模块I则输出信号至开关的控制端Vs，闭合开关。

所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其中：所述次级唤醒电路中的电源端由初级唤醒电路控制；

次级唤醒电路控制后端计费电路系统(OBU主体电路)，使其处于工作或是休眠状态；在待机状态下，后端计费电路系统是处于休眠状态，当次级唤醒电路输出唤醒脉冲后，后端计费电路系统被唤醒，转换为工作状态。

所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其中：所述初级唤醒电路中的初级放大电路I：

为带通放大器，采用电容分压的放大方式，带宽为1kHz-100kHz之间，放大器主体为一工作在放大区的反相器，对输入信号的频率初步筛选；

采用“高阻偏置”方法，使其输入输出端电压均偏置在二分之一电源电压左右；

偏置方式采用的是PMOS串联再分别连接输入输出端的方式，当输入输出两端的电压相等时，其等效阻抗可达亿欧姆；

在其待机状态下，无需一个正常工作的基准源提供电压或电流基准，降低了整个两级唤醒电路的待机功耗。

所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其中：所述次级唤醒电路中的放大电路II，把外接检波器的输入信号进行预放大后，输出给数字处理模块II；

振荡器产生时钟信号输出给数字处理模块II；

基准源电路产生基准电流和基准电压，提供给放大电路II和振荡器；

数字处理模块II依据振荡器输入的时钟信号，判断放大电路II的输入信号是否为连续N(N为14-17中的任一数值)个10KHz-25KHz之间变化的信号，若是，则输出唤醒脉冲，唤醒后端的计费电路系统；

数字处理模块II的一输出端Vc连接初级唤醒电路的数字处理模块I的复位端Re；在次级唤醒电路上电后，且没有输出达到一定时间时，数字处理模块II输出一控制信号V，使数字处理模块I复位，次级唤醒电路的电源开关断开，次级唤醒电路恢复休眠状态。

所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其中：所述放大电路II，包括一预放大器和一比较器；预放大器主体电路为一差分输入单端输出的放大器，采用高阻偏置，电容分压放大的方法；采用电阻分压的方式，防止前级电路引起的直流失调；

预放大器，把输入信号进行放大，输入至比较器，比较器把放大后的信号和一预定信号进行比较，输出数字满幅信号。

所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其中：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；

连续N个信号，N为14-17中的任一数值。

所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其中：整个两级唤醒电路的灵敏度，由次级唤醒电路的灵敏度决定；次级唤醒电路的灵敏度符合电子收费系统国家标准的规定；为了保证在输入VIN幅度小于次级唤醒电路灵敏度之前次级唤醒电路就能被上电唤醒，初级唤醒电路的灵敏度好于次级唤醒电路灵敏度，即初级唤醒电路灵敏度的值低于次级唤醒电路灵敏度的值。

所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其中：工作过程如下：

a)初级唤醒电路，仅对输入信号VIN的幅度进行判断，当输入信号的幅值超过其灵敏度时，初级唤醒电路闭合开关，次级唤醒电路上电后开始正常工作；

b)次级唤醒电路对输入信号进行幅度和频率上的精确判断，判断输入信号是否输入ETC系统的唤醒信号；

c)如是，则输出最终唤醒信号，唤醒后端的计费电路系统，完成收费过程后，两级唤醒电路返回最初的待机状态；或，

如不是，则次级唤醒电路VOUT端保持无输出，当次级唤醒电路的输出端VOUT保持无输出状态超过指定时间时，次级唤醒电路的数字处理模块II输出一控制信号Vc给初级唤醒电路中数字处理模块I的复位端，数字处理模块I复位，恢复待机状态，从而开关也随之断开，次级唤醒电路断电，返回休眠状态，整个两级唤醒电路返回最初的待机状态。

本发明的一种适用于电子收费系统的两级唤醒电路，适用于国家标准GB/T20851.1-2007，采用集成电路实现，可以和OBU的其他模块集成在同一块芯片上。采用了两级唤醒模式，初级唤醒电路在待机状态下一直工作，但因其结构简单，从而功耗极低。初级唤醒电路可以对输入信号进行幅度和频率上的初始判断。次级唤醒电路在待机状态下处于休眠模式，当初级唤醒电路初始判断输入信号符合要求后，次级唤醒电路被唤醒。次级唤醒电路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。

本发明的两级唤醒电路功耗极低，系统待机功耗电流只有352nA。极大的降低了ETC系统对电池的要求。同时，判断精确，误唤醒率低。

附图说明

图1：申请号为201010597868.6的专利系统结构图；

图2a：本发明的适用于电子收费系统的两级唤醒电路在ETC系统中示意图；

图2b：为图2a中本发明的适用于电子收费系统的两级唤醒电路结构示意图；

图3：常用微弱信号放大器结构；

图4：本发明的放大电路I采用的微弱信号放大器电路图；

图5：本发明的放大电路I的完整电路图；

图6：本发明的放大电路II的结构图；

图7：常用比较器的电路图；

图8：本发明的基准源电路图；

图9：本发明的振荡器电路结构图；

图10：本发明的数字处理模块II信号判断流程图；

图11：本发明的数字处理模块II中产生Vc控制信号的电路图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的ETC系统两级唤醒电路做进一步说明。

1.系统结构

图2a为系统结构简图，整个系统包括初级唤醒电路，次级唤醒电路和开关(不包括前端的检波器和后端的计费电路系统)。在待机状态下，初级唤醒电路处于工作状态，次级唤醒电路处于断电休眠状态，其后端电路计费系统也处于休眠状态。初级唤醒电路控制着次级唤醒电路的电源开关，次级唤醒电路则控制最终的唤醒信号输出与否，即控制着后端的计费电路系统(OBU主体电路)的工作/休眠状态。唤醒信号经过天线接收和检波器转换，形成14KHz左右的微弱方波信号。当微弱方波信号的幅度超过初级唤醒电路的灵敏度时候，就可以被初级唤醒电路检测到，然后，初级唤醒电路闭合电源开关，唤醒次级唤醒上电后开始正常工作。次级唤醒电路的输入端也接检波器的输出端，次级唤醒电路再对输入的信号进行幅度和频率的精确判断，确定唤醒脉冲的输出，控制着计费电路系统的状态。次级唤醒电路的输出端VOUT即为整个两级唤醒电路的最终输出端。

图2b为两级唤醒电路系统详细结构图。输入信号先进入初级唤醒电路。放大电路I对输入信号进行放大，当信号幅度超过初级唤醒电路的灵敏度后，放大电路即输出满幅方波信号至数字处理电路I，数字处理电路I检测到连续4个脉冲后，即闭合次级唤醒电路的电源开关，次级唤醒电路上电后开始正常工作，次级唤醒电路的输入端仍与信号输入端相连，输入的信号经放大电路II放大为满幅方波信号，再经过数字处理模块II，判断输入方波的频率是否为连续14-17个14KHz(实际中，由于频率偏差，10kHz-25kHz范围内均可)信号。若是，则输出唤醒脉冲；若不是，当次级唤醒电路被唤醒后，唤醒电路没有输出(输入信号非ETC唤醒信号或者汽车远离收费站后输入信号幅度逐渐小于次级唤醒电路灵敏度后)达到一定时间，数字处理模块II输出一控制信号Vc，与初级唤醒电路的数字处理模块I的复位端Re相连，数字处理模块I复位，从而次级唤醒电路的电源开关断开，次级唤醒电路恢复休眠状态。

初级唤醒电路和次级唤醒电路相比，从灵敏度上，初级唤醒电路的灵敏度数值小于于次级唤醒电路的灵敏度。次级唤醒电路中放大电路II的精度高，灵敏度的稳定性好，随PVT变化很小。为了控制OBU主体电路被唤醒的灵敏度(在本发明中为次级唤醒电路的灵敏度)在一定的范围之内，次级唤醒电路直接从检波器的输出端接收信号，重新对输入信号进行幅度和频率的精确判断。

功耗上，待机状态下，次级唤醒电路处于断电中，只有初级唤醒电路正常功耗。因此，待机功耗即为初级唤醒电路的功耗。由于本发明采用了一种新型的无需外接基准的放大电路用于初级唤醒电路，使得初级唤醒电路的功耗很低。

总之，初级唤醒电路和次级唤醒电路串联而成的两级唤醒电路结构，即可以发挥初级唤醒电路待机功耗极低的优势，又可以发挥次级唤醒电路灵敏度稳定性好的优势。

2.初级唤醒电路

初级唤醒电路包括放大电路I和数字处理模块I，放大电路I的作用是把微弱方波信号放大为满幅数字方波信号，数字处理I电路的作用是当放大电路I输出方波后，闭合开关，唤醒次级唤醒电路；当次级唤醒电路被上电唤醒且无输出达一定时间之后根据数字处理模块II的输出信号复位，从而断开开关，让次级唤醒电路重新回到断电休眠状态。

2.1放大电路I

放大电路I为一低功耗的微弱信号放大电路。

常用的微弱信号放大电路如图3所示，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。其放大倍数为：

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

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。此种放大器具有一定的带通放大作用，具有一定的选频功能。但是，此种结构外部提供的一个基准电压。在待机状态下，为了提供一个基准电压，基准源电路也需要正常工作，会消耗额外的待机功耗。

本发明采用了一种新型的无需外部基准的放大器结构，使得初级唤醒电路工作时无需基准源电路，降低了额外基准源电路的功耗，从而总待机功耗极低。本发明中，放大电路I采用的放大器结构如下图4所示，此放大电路的放大原理和附图2相同。放大器采用由PMOS管PM1和NMOS管NM1构成的反相器结构。由于电阻R偏置作用，反相器输入输出静态偏置电压相同，被偏置在放大区(PM1、NM1的栅极偏置电压约为Vdd/2)，反相器此时具有放大的作用。电容C2与反相器构成负反馈结构，整个放大器的放大倍数G为：

$G=\frac{\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_2}}{\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_1}}=\frac{C_1}{C_2}---\left(2\right)$

由于放大方式为电容分压式放大，而放大器的带宽又有限制。因此图4的放大器也是一种带通放大器。通过设计，可以使其通带为几kHz-100kHz左右，从而具有一定的选频功能。

从面积和性能综合考虑，R有两排(每排由两个PMOS级联，两排的PMOS的栅极连接方向相反，见图4)PMOS电阻并联而成。当两端电压相同时，电阻阻值大，可达G欧姆量级。当反相器输入输出两端静态电压不同(无论哪一端电压较高)时，阻值降低，让两端静态电压迅速相同。采用两排结构，具有对称性，使得从输入输出端看去，其等效电阻是一致的。

由于一级反相器的放大倍数有限，图4所示放大器并不能直接把输入的微弱方波信号直接放大为满幅数字方波信号。因此，在放大器后面再加1级反相器是必要的。如图5所示。由于第一级反相器的输出静态电压(即第二级反相器的静态输入电压)在Vdd/2左右，第二级反相器也处于放大状态。为了控制放大电路I的灵敏度，第二级反相器的翻转阈值与第一级反相器输出静态偏压相差一定电压值(几十毫伏左右)。

2.2数字处理模块I

数字处理模块I的主要作用就是控制次级唤醒电路的电源开关，从而控制次级唤醒电路的唤醒与否。放大电路I的输出接其Vin端，当放大电路I输出连续4个上升沿后，Vout从1变成0，并一直保持下去，开关闭合，次级唤醒电路上电，开始工作。

数字处理模块I的复位端Re由数字处理模块II的输出端Vc控制。当Vc为零时，系统复位，数字模块输出默认值“1”，从而开关断开，次级唤醒电路断电，返回休眠状态。

3.次级唤醒电路

次级唤醒电路的作用是在其被唤醒后，从频率和幅度精确判断输入信号是否为ETC系统的唤醒信号。次级唤醒电路包括放大电路II，基准源电路，振荡器电路和数字处理模块II。

3.1放大电路II

放大电路II的作用是把输入的微弱信号进行放大，当输入信号幅度超过其灵敏度时，放大电路II即可把输入信号放大至满幅信号，输出至数字处理模块II。

放大电路II包括预放大电路和比较器电路，如图6所示。预放大电路先对输入的信号幅度进行放大，并与比较器的基准比较电压VREF进行比较。当放大后的幅度不够，则整个周期内放大后的信号都低于VREF，比较器就输出一固定值。当放大后的幅度足够，从而半个周期高于，另半个周期低于VREF，比较器则输出满幅方波信号。

预放大电路即采用图2所示的常用低功耗微弱信号放大电路结构。比较器则使用最简单的比较器结构，如图7所示。

3.2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8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。

3.3振荡器电路

振荡器电路主要作用是给数字处理模块II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9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8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。

3.4数字处理模块II

数字处理模块II有两个作用，一是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。二是如果次级唤醒电路上电后输出端VOUT无输出达到一定时间，其另一输出端Vc输出一控制信号，使初级放大电路复位，从而断开次级唤醒电路开关。整个两级唤醒电路恢复待机状态。

频率判断的工作流程如图10所示，其输入为放大电路II输出的满幅方波信号。然而，放大电路II输出的信号占空比不为50％，如果直接判断，会产生误判。本发明中，输入先经过二分频器转化为占空比50％的信号。然后判断二分频后的频率是不是7KHz(5KHz-12.5KHz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7时，则输出唤醒脉冲。

频率判断采用高电平计数的方式。在输入信号的高电平，计数器开始以OSC产生的时钟信号计数。当输入变为低电平后，计数器停止计数，判断输入高电平期间的计数值即可判断输入信号输入的频率。例如，OSC产生的时钟信号为100kHz，周期为10us。输入信号频率为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，即可判断输入频率在14KHz左右。

数字处理模块II里的复位电路则如图11所示。计数器CLK端接次级唤醒电路的OSC信号。输出接D触发器的CLK端，D触发器D端接电源。计数器和D触发器的Reset端都接数字处理模块II的一输出端VOUT(即整个两级唤醒电路的最终输出端)。D触发器的输出端为数字处理模块II的输出端Vc。

次级电路被唤醒后，振荡器开始向计数器CLK端输出振荡信号，计数器开始计数。如果次级唤醒电路的输出端VOUT没有变化，一直保持为“0”，则计数器一直计数。当计数器达到指定数值(时间为分钟量级)后，计数器输出一上升沿，D触发器输出端Vc变为“0”(正常状态为“1”)，此时，初级唤醒电路的数字处理模块I会输出高电压，断开电源开关，次级唤醒电路和数字模块返回休眠状态。而当VOUT有变化，即唤醒电路的输出端VOUT有输出脉冲，计数器和D触发器都会复位，回到初始状态。如果VOUT一直有脉冲，则Vc则一直保持为“1”不变。

4.开关

本发明开关采用PMOS实现，PMOS的S、D极为开关端，PMOS的栅极为开关控制端。当开关控制端为高电平时，开关断开；当开关控制端为低电平是，开关闭合。开关控制着次级唤醒电路的电源端。

5.总结

本发明的ETC系统两级唤醒电路，是一种基于汽车收费站智能电子收费系统国家标准的唤醒电路，包括初级唤醒电路，次级唤醒电路，和开关。在待机状态下，初级唤醒电路处于工作状态，次级唤醒电路处于休眠状态。初级唤醒电路具有待机功耗低的优点，次级唤醒电路具有唤醒灵敏度稳定，判断精确，误唤醒率低等特点。本发明把初级唤醒电路和次级唤醒电路相结合。使得整个两级唤醒电路即具有待机功耗低，又具有系统唤醒灵敏度稳定，判断精确，误唤醒率低等特点

6.实施例

下面举一个具体实现的例子：

本发明的具体实施例采用Global Foundry 0.13um CMOS工艺实现。仿真结果表明，本发明所述的ETC两级唤醒电路所有系统功能均可实现。在温度27℃，电源电压1.2V的条件下，系统待机功耗为352nA，初级唤醒电路的灵敏度为0.4mV，次级唤醒电路的灵敏度为2.24mV。根据本发明所述，系统唤醒灵敏度(OBU主体电路被唤醒的灵敏度)等于次级唤醒电路的灵敏度，即2.24mV。当次级唤醒电路被唤醒后，电路的总功耗为12.1uA。

在各种不同的PVT条件(温度-25℃--75℃，电源电压1.1V-1.3V，工艺角变化包括ss、typ和ff)下，系统功能均可实现。系统待机功耗在195nA-615nA范围之内，系统唤醒灵敏度在1.77mV-2.87mV范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于电子收费系统的两级唤醒电路，采用CMOS集成电路实现；其特征在于：包括：

一初级唤醒电路，包括放大电路I、数字处理模块I；放大电路I输入端Vi接信号输入端VIN，输出端Vo接数字处理模块I的输入端Vi；

一次级唤醒电路，含有放大电路II、数字处理模块II、基准源、振荡器，其中，放大电路II输入端Vi接信号输入端VIN，输出端Vo接数字处理模块II的数据输入端Vi，数字处理模块II输出端Vo接最终唤醒信号输出端VOUT，数字处理模块II的另一输出端Vc接初级唤醒电路中数字处理模块I的一输入复位端Re；振荡器输出端Vosc接数字处理模块II的另一时钟输入端CLK；基准源为放大电路II和振荡器提供电压基准Vref和电流基准Iref；

一开关，为受控开关，采用PMOS技术制作，开关的断开与否由其控制端Vs控制；开关一点为正端，接系统电源端VDD，另一点为负端，接次级唤醒电路的电源端，受控端Vs接初级唤醒电路中数字处理模块I的输出端Vo；

整个两级唤醒电路的输入端为信号输入端VIN，最终输出端为次级唤醒电路的输出端VOUT。

2.如权利要求1所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其特征在于：所述初级唤醒电路，控制着次级唤醒电路的电源断开与否；待机状态下，初级唤醒电路正常工作，而次级唤醒电路电源开关断开，处于休眠状态，当初级唤醒电路检测到有输入信号并且信号达到一定的幅度之后，闭合开关，次级唤醒电路电源端连通，上电后即正常工作。

3.如权利要求1所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其特征在于：所述初级唤醒电路中的初级放大电路I，在待机状态下一直工作，当有输入信号时，即对输入信号进行放大，当输入信号幅值超过其灵敏度时，放大电路I把输入信号放大为满幅数字方波信号输出至数字处理模块I，数字处理模块I则输出信号至开关的控制端Vs，闭合开关。

4.如权利要求1所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其特征在于：

所述次级唤醒电路中的电源端由初级唤醒电路控制；

次级唤醒电路控制后端计费电路系统(OBU主体电路)，使其处于工作或是休眠状态；在待机状态下，后端计费电路系统是处于休眠状态，当次级唤醒电路输出唤醒脉冲后，后端计费电路系统被唤醒，转换为工作状态。

5.如权利要求1所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其特征在于：所述初级唤醒电路中的初级放大电路I：

为带通放大器，采用电容分压的放大方式，带宽为1kHz-100kHz之间，放大器主体为一工作在放大区的反相器，对输入信号的频率初步筛选；

采用高阻偏置方法，使其输入输出端电压均偏置在二分之一电源电压左右；

偏置方式采用的是PMOS串联再分别连接输入输出端的方式，当输入输出两端的电压相等时，其等效阻抗可达亿欧姆；

在其待机状态下，无需一个正常工作的基准源提供电压或电流基准，降低了整个两级唤醒电路的待机功耗。

6.如权利要求1所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其特征在于：所述次级唤醒电路中的放大电路II，把外接检波器的输入信号进行预放大后，输出给数字处理模块II；

振荡器产生时钟信号输出给数字处理模块II；

基准源电路产生基准电流和基准电压，提供给放大电路II和振荡器；

数字处理模块II依据振荡器输入的时钟信号，判断放大电路II的输入信号是否为连续N(N为14-17中的任一数值)个10KHz-25KHz之间变化的信号，若是，则输出唤醒脉冲，唤醒后端的计费电路系统；

数字处理模块II的一输出端Vc连接初级唤醒电路的数字处理模块I的复位端Re；在次级唤醒电路上电后，且没有输出达到一定时间时，数字处理模块II输出一控制信号V，使数字处理模块I复位，次级唤醒电路的电源开关断开，次级唤醒电路恢复休眠状态。

7.如权利要求6所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其特征在于：所述放大电路II，包括一预放大器和一比较器；预放大器主体电路为一差分输入单端输出的放大器，采用高阻偏置，电容分压放大的方法；采用电阻分压的方式，防止前级电路引起的直流失调；

预放大器，把输入信号进行放大，输入至比较器，比较器把放大后的信号和一预定信号进行比较，输出数字满幅信号。

8.如权利要求6所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，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；

连续N个信号，N为14-17中的任一数值。

9.如权利要求1所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其特征在于：整个两级唤醒电路的灵敏度即次级唤醒电路的灵敏度符合电子收费系统国家标准的规定；为了保证在输入VIN幅度小于次级唤醒电路灵敏度之前次级唤醒电路就能被上电唤醒，初级唤醒电路的灵敏度好于次级唤醒电路灵敏度，即初级唤醒电路灵敏度的值低于次级唤醒电路灵敏度的值。

10.如权利要求1所述的适用于电子收费系统的两级唤醒电路，其特征在于：工作过程如下：

a)初级唤醒电路，仅对输入信号VIN的幅度进行判断，当输入信号的幅值超过其灵敏度时，初级唤醒电路闭合开关，次级唤醒电路上电后开始正常工作；

b)次级唤醒电路对输入信号进行幅度和频率上的精确判断，判断输入信号是否输入ETC系统的唤醒信号；

c)如是，则输出最终唤醒信号，唤醒后端的计费电路系统，完成收费过程后，两级唤醒电路返回最初的待机状态；或，

如不是，则次级唤醒电路VOUT端保持无输出，当次级唤醒电路的输出端VOUT保持无输出状态超过指定时间时，次级唤醒电路的数字处理模块II输出一控制信号Vc给初级唤醒电路中数字处理模块I的复位端，数字处理模块I复位，恢复待机状态，从而开关也随之断开，次级唤醒电路断电，返回休眠状态，整个两级唤醒电路返回最初的待机状态。

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