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MSP430F在高速公路不停車收費系統ETC中的應用

摘要： TI公司的MSP430 單片機產品系列具備16-bit RSIC架構，超低功耗。作為MSP430最新產品序列，F5xxx首次采用0.18um工藝，1MIPs消耗的電流低到了驚人的160uA，主頻達到25MIPs 。同時，MSP430F5xxx提供了豐富的片上功能模塊，例如，硬件的RTC，12-bit ADC，靈活的時鐘系統，硬件CRC16，電源管理模塊和多通道的靈活強大的DMA，支持待機模式下的數據交換。

關鍵詞： 微處理器|微控制器 ETC MSP430F

Abstract：

Key words :

TI公司的MSP430 單片機產品系列具備16-bit RSIC架構，超低功耗。作為MSP430最新產品序列，F5xxx首次采用0.18um工藝，1MIPs消耗的電流低到了驚人的160uA，主頻達到25MIPs 。同時，MSP430F5xxx提供了豐富的片上功能模塊，例如，硬件的RTC，12-bit ADC，靈活的時鐘系統，硬件CRC16，電源管理模塊和多通道的靈活強大的DMA，支持待機模式下的數據交換。

　　高速公路不停車收費系統(ETC)介紹

　　不停車收費系統(又稱電子收費系統Electronic Toll Collection System，簡稱ETC系統)是利用RFID技術，實現車輛不停車自動收費的智能交通子系統。該系統通過路側單元RSU(Road Side Unit)與車載電子標簽之間OBU(On Board Unit)的專用短程通信，在不需要司機停車和收費人員操作的情況下，自動完成收費處理過程。

　　ETC車載單元結構

　　圖 1. ETC OBU結構圖

　　如圖一所示，OBU由電池系統，MCU，射頻，顯示和讀卡部分(ESAM卡，CPU卡，射頻卡)組成。MCU作為整個系統的中心，負責管理顯示，讀卡以及與射頻部分的數據處理及交換。

　　FM0編碼方式介紹

　　在車輛通過收費站時，OBU和RSU通過5.8G的載波調制，進行高速的數據交換。數據采用HDLC FM0調制。FM0編碼遵循以下三個規則：

　　A.一個周期內有電平跳變表示”0” ;

　　B.一個周期內沒有電平跳變表示”1”;

　　C.相鄰兩個周期電平相反。

　　數據形式請參考圖2

　　圖 2. FM0編碼方式車載電子標簽(OBU)對MCU的挑戰

　　車載電子標簽系統對MCU有兩個挑戰。一是低功耗;二是高速數據通信能力。

　　車載電子標簽的電池要求有5年以上壽命或者能夠支持1萬次以上交易。整個系統的低功耗設計成為工程師們的首要任務。其次，RSU對OBU下行數據波特率達到了256Kbps，上行數據波特率512Kbps。由于車輛通行時間非常短，需要OBU對RSU的數據和命令快速響應。而數據包最長能夠達到1Kbits，不允許OBU收下整個數據包之后再解碼，這要求MCU有實時編解碼的能力。

　　一般情況下，對FM0的軟解碼需要得到數據的電平寬度，從而實現解碼。通常有兩種方式，一種是Timer捕獲數據沿，然后軟件在中斷中判斷數據沿之間的寬度。另外一種是定時采樣數據口線的電平，通過計數方式得到電平寬度。ETC下行數據速率達到256Kbps，對數據“0”來講，數據跳變沿之間的寬度只有2uS。對數據“1”來講，數據沿寬度只有4uS。以第一種方式為例，傳統的軟解碼方式過程如下：

　　圖 3. Timer 捕獲中斷方式

　　如圖2所示，數據接收過程中，Timer會每2uS或者4uS捕獲到一個數據沿，并把數據沿保存到對應寄存器。所以，Timer捕獲寄存器里的數據會最快每2uS更新一次。這就需要CPU速度足夠快，能夠在至少2uS之內完成解碼過程。否則，Timer捕獲寄存器的數據就會被新的數據覆蓋掉，造成解碼錯誤。假設MCU完成1個bit解碼的時間需要50個cycle，那么至少需要MCU主頻達到25MIPS以上才能實現實時解碼。通常，我們會選取主頻超過40MIPs的MCU，而這些高速MCU功耗往往難以滿足ETC系統的要求。所以，很多ETC生產商采用雙MCU的方式，由一顆高速MCU實現FM0實時編解碼，另外還有一顆低功耗MCU，通常是MSP430來管理整個系統的功耗。這增加了系統的成本和復雜度。MSP430F5xxx的問世，能夠同時滿足ETC系統對MCU所有的挑戰，解決了客戶的困擾。

　　用F5xxx 片上DMA和TimerA捕獲功能實現FM0實時解碼的方法

　　MSP430F5xxx卓越的低功耗特性能夠滿足ETC OBU的低功耗要求。作為MSP430最新產品序列，F5xxx首次采用0.18um工藝，1MIPs消耗的電流低到了驚人的160uA，片上PMM(電源管理模塊)讓用戶能夠根據MCU負荷靈活調節核電壓，確保功耗最低。另外，具備多種低功耗狀態。在典型的LPM3模式下，打開RTC，RAM數據保持的情況下功耗僅為2uA。

　　除了卓越的低功耗特性外，MSP430F5xx主頻雖然最高只能達到25MIPS，但由于有靈活的多通道DMA，能夠與Timer聯動，實現數據的自動搬移而不干擾到CPU，這極大的增強了MCU的數據吞吐能力，使主頻不再成為瓶頸，而完成對FM0近乎實時的解碼。另外，硬件的CRC16模塊讓MCU只需要操作寄存器就可以完成數據校驗。利用DMA和CRC16的實時解碼過程如圖4所示：

　　圖 4. DMA自動數據搬移的解碼方式

　　數據接收過程中，Timer每2uS或者4uS捕獲到一個數據沿，這時會自動觸發DMA，DMA自動將Timer寄存器的數據搬移到RAM區的指定數組當中。整個數據接收過程不需要CPU的參與。有了DMA的存在，CPU就不需要頻繁的進出中斷去取數據，也不用擔心Timer捕獲寄存器數據的丟失，只需專注于解碼過程。