CN1667653A - 用于高速公路收费系统的车载单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高速公路收费系统的车载单元，包括可插入或拔出车载单元的IC卡。IC卡插入时，可用于全自动收费系统；当车载单元进入路边设备的通信区域时，唤醒模块产生一个脉冲信号，唤醒单片机进入工作模式后，单片机通过一个输入输出脚控制电源控制模块，向IC卡读写模块、DSRC协议芯片和微波调制解调模块供电，并接收、处理路边设备发来的微波信号；单片机根据IC卡操作流程，对IC卡进行读写、扣款等操作。将IC卡取出时，可直接用于半自动收费系统。本发明可减少系统投资成本，增加系统的可靠性和灵活性，适用于智能交通领域。

Description

用于高速公路收费系统的车载单元

技术领域

本发明涉及一种用于高速公路收费系统的车载单元。

背景技术

在高速公路收费系统中，目前国际和国内普遍使用的收费方式有：全人工收费方式、半自动收费方式和全自动不停车收费方式。全人工收费方式采用纸介质的现金或月票，收费、统计等工作全部由人工完成。而半自动收费方式采用接触式IC卡或非接触式IC卡(在实际应用中采用非接触式的更多一些)作为通行预付卡，并采用“人工收费、计算机管理和闭路监视”的管理模式。上述两种收费方式前期投资不是很多，但收费效率不高，容易出现收费站排队拥堵收费的情况，适用于车流量不大、通行速度要求不高的一般性收费站。全自动不停车收费方式采用红外或微波等技术自动完成对车道上经过车辆的识别、收费和统计工作，收费效率高，可以有效地解决收费站车辆拥堵的现象发生，适用于车流量较大、车辆通行速度要求较高的主干道路收费口。

目前，在全自动不停车收费方式中，普遍采用的车载单元(OBU：OnBoard Unit)为单片式OBU，即从外观上看，该OBU是一个独立的整体，同时所有的收费工作都由它配合路边的路边设备(RSU：Road Side Unit)单独完成。采用单片式的全自动不停车收费系统和采用IC卡的半自动收费系统相互独立、互不兼容。若采用单片式车载单元，则整个路段必须构成一个完整的封闭式专用全自动不停车车道收费系统。这种方式存在以下缺点：1、每个收费站的出入口都必须安装至少一条全自动不停车收费车道，这样会造成设备的一次性投资太大、建设周期长；有些交通流量小的收费站单独开出一条车道用于全自动不停车收费，既困难又不经济。2、在收费站出/入口如果各设计一条全自动不停车收费车道，万一全自动不停车收费系统出现问题，则会影响整个系统的正常运行，造成安装单片式车载单元的车辆无法进/出车道。3、安装在交通车辆上的单片式车载单元万一由于电池不足等原因无法工作，将直接影响系统的正常运行，造成车辆无法进/出车道。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种能兼顾半自动收费的用于高速公路收费系统的车载单元，它即可用于全自动不停车收费系统，也可用于半自动收费系统。

为解决上述技术问题，本发明用于高速公路收费系统的车载单元，配置有可插入或拔出车载单元的IC卡，还包括单片机IC1、电源控制模块IC3、连接有IC卡读写天线IC5的IC卡读写模块IC2、DSRC(专用短距离通信)协议芯片IC4、连接有微波天线IC8的5.8GHz微波调制解调模块IC6、连接有微波天线IC8的唤醒模块IC7；车载单元被初始化后，平时单片机IC1处于睡眠模式，而唤醒模块IC7一直处于供电状况，当车载单元进入路边设备的通信区域时，唤醒模块IC7从微波天线IC8接收微波信号，并产生一个唤醒脉冲，唤醒单片机IC1使之进入工作模式后，单片机IC1通过一个输入输出脚控制电源控制模块IC3，向IC卡读写模块IC2、DSRC协议芯片IC4和5.8GHz微波调制解调模块IC6供电，并接收、处理路边设备发来的微波信号；在IC2供电的情况下，单片机IC1根据操作流程，对IC卡进行读写、扣款等操作；然后，单片机IC1通过上述输入输出脚控制电源控制模块IC3，停止向IC卡读写模块IC2、DSRC协议芯片IC4和5.8GHz微波调制解调模块IC6供电，并使单片机IC1自身重新进入睡眠模式。

和现有的几种收费方式相比，本发明具有以下有益效果：

1、有效地将IC卡半自动收费方式和全自动不停车收费方式结合起来，集中了IC卡收费系统和全自动不停车收费系统的优点，通行能力强并灵活、快捷。

2、可以有效地降低整个收费系统的建设成本。充分利用现有的IC卡(上海公交卡)的发行、交易和清分平台，方便用户的使用并有利于该收费系统的推广。

3、两级安全保护，对入网的路边设备和车载单元进行相互认证，并将最重要的电子钱包安全落实到已经过大批量应用、安全得到保证的非接触式IC卡上。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明使用非接触式IC卡车载单元的原理示意图；

图2是本发明使用接触式IC卡车载单元的原理示意图。

具体实施方式

图1是本发明用于高速公路收费系统的车载单元的一个实施例，其中配置有可插入或拔出车载单元的非接触式IC卡。车载单元与非接触式IC卡结合成为双片式车载单元。还包括单片机IC1、电源控制模块IC3、连接有IC卡读写天线IC5的IC卡读写模块IC2、DSRC协议芯片IC4、连接有微波天线IC8的5.8GHz微波调制解调模块IC6和唤醒模块IC7；单片机IC1作为车载单元的核心，执行内部程序，用于控制整个车载单元的运行，促使各模块协调工作。本发明单片机IC1采用TI公司430系列单片机——M430F449。车载单元被初始化后，平时单片机IC1处于睡眠模式，而唤醒模块IC7一直处于供电状况(该唤醒模块IC7由电阻、电容、三极管等组成，用于车载单元进入路边设备的通信区域时产生唤醒脉冲。)，当车载单元进入路边设备的通信区域时，唤醒模块IC7从微波天线IC8接收微波信号，并产生一个唤醒脉冲，唤醒单片机IC1使之进入工作模式后，单片机IC1通过一个输入输出脚控制电源控制模块IC3，向IC卡读写模块IC2(选用SHC1704模块)、DSRC协议芯片IC4(选用SHC221F芯片)和5.8GHz微波调制解调模块IC6供电，并接收、处理路边设备发来的微波信号；在IC2供电的情况下，单片机IC1根据操作流程，对非接触式IC卡进行读写、扣款等操作；然后，单片机IC1通过上述输入输出脚控制电源控制模块IC3，停止向IC卡读写模块IC2、DSRC协议芯片IC4和5.8GHz微波调制解调模块IC6供电，并使单片机IC1自身重新进入睡眠模式。交易过程中，单片机IC1可通过电源控制模块IC3控制蜂鸣器、发光二极管给出相应的车载单元状态提示。

操作非接触式IC卡，重点是控制IC卡读写模块IC2对插在车载单元中的非接触式IC卡发出相应的命令。其控制操作包括：请求、抗冲突、选卡、读、写、认证等多条命令，而每一条指令又包含多个独立的步骤。

在上述非接触式IC卡上，可存储用户的帐号、电子钱包余额、通过高速公路的网络入口原始交易记录等数据。而车载单元部分可存储车辆的长度、宽度、轴数等固定物理参数以及车主资料等。

在车载单元与路边设备的正常信息交互中，信号的传递方向可分为下行链路和上行链路。下行链路的信号传递过程是：首先车载单元从微波天线IC8收取路边设备发出某一频点(5.7975GHz、5.8025GHz、5.8075GHz、5.8125GHz四个频点之一)的5.8GHz微波信号，经过由放大、检波等电路组成的微波调制解调模块IC6后，将微波信号恢复为500Kbps的FMO(频率调制0)编码信号。该编码信号直接送到DSRC协议芯片IC4进行信息帧的恢复工作，在去掉同步码、帧头、帧尾和CRC校验码后，DSRC协议芯片IC4将原始数据送到单片机IC1，单片机IC1分析接收到的数据，根据不同命令进行存储、分析并给出应答。应答过程中，数据变化情况可参见下面上行链路的信号传递情况描述。在必要的情况下，会同DSRC协议芯片IC4，单片机IC1可以进行数据的加解密操作。

在上行链路中，车载单元将要应答的数据从单片机IC1放到DSRC协议芯片IC4的发送缓冲区中，经由DSRC协议芯片IC4，该应答数据在加入同步码、帧头、帧尾和CRC校验码并进行NRZI(倒相不归零码)编码后构成一个250Kbps DSRC信息帧。按照车载单元接收到的BST(控制塔服务列表)中对上行副载波的约定，该DSRC信息帧调制到1.5M或2M副载波上，并利用路边设备的5.8GHz载波信号通过微波调制解调模块IC6和微波天线IC8反射回去。

本发明既可应用于全自动不停车收费系统(ETC)，也可应用于半自动收费系统。当应用于半自动收费系统时，只需将插在车载单元中的存有电子金额的非接触式IC卡拔出，交人工处理完成收费过程。当应用于全自动不停车收费系统时，只需将该非接触式IC卡插到本发明车载单元中，当经过收费站点时，路边设备经由车载单元向该非接触式IC卡收取费用。

在平常状态下，车载单元由电池一直供电。而为了省电，车载单元中的单片机IC1则处于睡眠模式。当非接触式IC卡插入车载单元时，车载单元读取非接触式IC卡内信息，并通过人机接口(MMI)给出状态提示，判断当前状况后决定是否重新进入睡眠模式。

当装有本发明车载单元的车辆进入路边设备的通信区域时，车载单元接收到路边设备不断发出BST信号，将自己唤醒并进入相应的工作状态。通过与路边设备的多次信息交互，车载单元完成与路边设备的相互认证。当接受路边设备的扣款要求后，车载单元利用加密算法完成与非接触式IC卡的三重认证，并向非接触式IC卡扣款。扣款结束，车载单元向路边设备返回交易的信息，并使车载单元重新进入睡眠状态。

在与非接触式IC卡进行通信时，车载单元利用13.56M的射频信号进行。在与路边设备进行信息交互时，车载单元利用5.8GHz微波信号，根据DSRC协议来进行。

本发明所述车载单元中的IC卡可以是非接触式IC卡，也可以是接触式IC卡或双界面IC卡。图2是本发明另一个实施例，采用接触式IC卡的双片式车载单元原理示意图。当采用接触式IC卡或双界面IC卡时其信号的传递过程与上面所述相同。车载单元使用接触式IC卡与使用非接触式IC卡的不同点是：A、与IC卡的通信接口方式不一致；B、卡内的数据结构可以不一致。区别于非接触式IC卡使用13.56M的射频信号进行通信，车载单元OBU在使用接触式IC卡时，利用接触式卡座、以各信号线直接相连的方式按照相应协议与之通信。另外，接触式IC卡内的数据结构可以和非接触IC卡不一致，芯片操作系统(COS)配合文件记录是它常用的一种方式。而双界面IC卡是在一张IC卡上同时配置接触式和非接触式这两种接口的IC卡。车载单元OBU与双界面IC卡通信时，可以按要求选择接触式方式或非接触式方式进行。在存储内容上，与非接触式IC卡一样，接触式IC卡/双界面IC卡也可存储用户的帐号、电子钱包余额、通过高速公路的网络入口原始交易记录等数据。

Claims (6)

1.一种用于高速公路收费系统的车载单元，其特征在于：所述车载单元配置有可插入或拔出车载单元的IC卡，还包括单片机IC1、电源控制模块IC3、连接有IC卡读写天线IC5的IC卡读写模块IC2、DSRC协议芯片IC4、连接有微波天线IC8的5.8GHz微波调制解调模块IC6、连接有微波天线IC8的唤醒模块IC7；车载单元被初始化后，平时单片机IC1处于睡眠模式，而唤醒模块IC7一直处于供电状况，当车载单元进入路边设备的通信区域时，唤醒模块IC7从微波天线IC8接收微波信号，并产生一个唤醒脉冲，唤醒单片机IC1使之进入工作模式后，单片机IC1通过一个输入输出脚控制电源控制模块IC3，向IC卡读写模块IC2、DSRC协议芯片IC4和5.8GHz微波调制解调模块IC6供电，并接收、处理路边设备发来的微波信号；在IC2供电的情况下，单片机IC1根据操作流程，对IC卡进行读写、扣款等操作；然后，单片机IC1通过上述输入输出脚控制电源控制模块IC3，停止向IC卡读写模块IC2、DSRC协议芯片IC4和5.8GHz微波调制解调模块IC6供电，并使单片机IC1自身重新进入睡眠模式。

2.如权利要求1所述的用于高速公路收费系统的车载单元，其特征在于：在车载单元与路边设备的正常信息交互中，信号的传递方向可分为下行链路和上行链路。

3.如权利要求2所述的用于高速公路收费系统的车载单元，其特征在于：所述下行链路的信号传递过程是：首先车载单元从微波天线IC8收取路边设备发出5.7975GHz、5.8025GHz、5.8075GHz、5.8125GHz中的一个频点的5.8GHz微波信号，经过由放大、检波等电路组成的微波调制解调模块IC6后，将微波信号恢复为500Kbps的FMO编码信号，该编码信号直接送到DSRC协议芯片IC4进行信息帧的恢复工作，在去掉同步码、帧头、帧尾和CRC校验码后，DSRC协议芯片IC4将原始数据送到单片机IC1，单片机IC1分析接收到的数据，根据不同命令进行存储、分析并给出应答。

4.如权利要求2所述的用于高速公路收费系统的车载单元，其特征在于：所述上行链路的信号传递过程是：车载单元将要应答的数据从单片机IC1放到DSRC协议芯片IC4的发送缓冲区中，经由DSRC协议芯片IC4，该应答数据在加入同步码、帧头、帧尾和CRC校验码并进行NRZI编码后构成一个250Kbps DSRC信息帧；按照车载单元接收到的BST中对上行副载波的约定，该DSRC信息帧调制到1.5M或2M副载波上，并利用路边设备的5.8GHz载波信号通过微波调制解调模块IC6和微波天线IC8反射回去。

5.如权利要求1所述的用于高速公路收费系统的车载单元，其特征在于：所述IC卡可以是非接触式IC卡、接触式IC卡或是双界面IC卡。

6.如权利要求1或5所述的用于高速公路收费系统的车载单元，其特征在于：车载单元与非接触式IC卡进行通信时，车载单元利用13.56M的射频信号进行。