中國的公路不停車(chē)收費(ETC)系統應用市場(chǎng)越來(lái)越大，為了促進(jìn)ETC應用的快速發(fā)展和成熟，國家相關(guān)部門(mén)開(kāi)展了高速公路聯(lián)網(wǎng)不停車(chē)收費的試點(diǎn)工程，比如，京津翼地區和長(cháng)三角地區，所以對車(chē)載單元(OBU)的需求量也隨之大幅增加。
目前市場(chǎng)上應用的OBU多數是通過(guò)分立元器件設計實(shí)現的，存在一致性、穩定性和可靠性的問(wèn)題。博通(BEKEN)集成電路于2010年年初推出用于ETC系統的射頻收發(fā)器芯片BK5822，是目前世界上唯一一款集成了包括接收、發(fā)射和喚醒在內的全部射頻功能的國標ETC收發(fā)器，其性能指標完全符合國家標準GB/T 20851.1-2007和GB/T 20851.2-2007。BK5822設計實(shí)現的OBU完全解決了上述問(wèn)題，批量生產(chǎn)的OBU具有一致性以及穩定可靠性。
與應用分立元器件設計實(shí)現的OBU方案相比，BK5822僅需少量外部器件，最大程度上節約了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，使設計更為簡(jiǎn)單，研發(fā)調試更容易，量產(chǎn)的OBU產(chǎn)品性能更穩定。
基本技術(shù)特性
BK5822射頻收發(fā)器內部集成了完整的射頻收發(fā)和調制解調功能，并嵌入了數據幀處理功能，進(jìn)行FM0的編解碼。同時(shí)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(mǎn)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(jiǎn)單的外圍應用電路，大大減小了在PCB上所占用的空間，從而節省了成本。
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(shí)接收5.83GHz和5.84GHz兩個(gè)信道的信號；數據速率：上行512kbps，下行256kbps；輸出功率為2dBm(傳導)；接收鏈路集成了AGC功能，能動(dòng)態(tài)調整接收鏈路的增益；接收靈敏度達-60dBm；ASK調制方式，FM0編解碼；內置喚醒電路，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(xiàn)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)器內部的系統框圖，下面結合圖2對各功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述。
圖2: BK5822射頻收發(fā)器內部的系統框圖
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連續信號、發(fā)射全“0”數據信號。發(fā)射正常Burst信號，用戶(hù)只需向發(fā)射的FIFO中直接寫(xiě)入所需要發(fā)射的數據，BK5822檢測到FIFO中有數據后，打開(kāi)發(fā)射相關(guān)電路，將數據調制到載波上，發(fā)送出去，數據發(fā)送結束后，發(fā)射相關(guān)電路關(guān)閉，進(jìn)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)射的調制深度是可調的，由數據調制前的Ramp決定；發(fā)射功率也是可調控的，通過(guò)相應寄存器的設置來(lái)實(shí)現，功率的調節范圍可達到22dB。
接收模塊(請做粗宋)：接收機采用低中頻結構，在下變頻后的Rx Filter是一個(gè)中間頻率在5MHz的帶通濾波器。當使BK5822進(jìn)入接收狀態(tài)，并且BK5822接收到數據包結束標志后，便自動(dòng)將Rx關(guān)閉，同時(shí)中斷引腳發(fā)出接收中斷，BK5822進(jìn)入待機狀態(tài)，直到FIFO里面的數據被讀空，或者清除接收中斷后，接收才重新打開(kāi)以等待接收數據。如果BK5822沒(méi)有接收到數據包結束標志，將一直處于接收狀態(tài)，此時(shí)如果要退出接收狀態(tài)進(jìn)入待機狀態(tài)，需要通過(guò)相應寄存器設置強制關(guān)閉接收模塊。為了對BK5822接收的信號進(jìn)行更好的解調和解碼，BK5822內部集成了一個(gè)AGC（自動(dòng)增益控制），實(shí)現接收鏈路增益的自動(dòng)調節。
喚醒模塊(請做粗宋)：對14KHz方波進(jìn)行檢測，檢測到N個(gè)方波后，BK5822給出喚醒中斷信號。這里的N可由用戶(hù)設定，范圍是1~16。BK5822內部集成了帶通的鑒頻器，實(shí)現10KHz~20KHz范圍內的方波能夠產(chǎn)生喚醒中斷，大大減小了誤喚醒的概率。
系統應用分析
應用BK5822設計ETC OBU，電路實(shí)現方面十分簡(jiǎn)單，圖3是應用BK5822設計ETC OBU的系統框圖。從圖可看出，整個(gè)OBU系統主要有兩顆芯片，一個(gè)是主控芯片MCU，另一個(gè)是射頻收發(fā)器BK5822。BK5822的外圍應用器件很少，一顆是32.768MHz的晶振，其它主要是匹配電路應用的無(wú)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構，便于研發(fā)調試和外圍器件的成本控制。接收和發(fā)射共用一個(gè)微波天線(xiàn)，通過(guò)一個(gè)PIN微波二極管來(lái)控制收發(fā)的切換。微波天線(xiàn)具有圓極化的特性，方向性較強，應用普通PCB板材實(shí)現的PCB板上印制微波天線(xiàn)，大幅降低了成本。
圖3: 應用BK5822實(shí)現的ETC OBU系統框圖。
主控MCU通過(guò)SPI來(lái)控制射頻收發(fā)器BK5822，從而實(shí)現整個(gè)OBU的功能。BK5822提供一個(gè)最高速率可達8MHz的SPI接口，它由四根信號線(xiàn)組成，分別為MOSI、MISO、CLK和CSN。通過(guò)SPI接口，用戶(hù)通過(guò)讀寫(xiě)寄存器的方式進(jìn)行數據傳輸和控制。
實(shí)際應用BK5822實(shí)現的OBU，在程序初始化后，一般來(lái)說(shuō)，只是通過(guò)兩個(gè)中斷信號觸發(fā)MCU之后，才與BK5822進(jìn)行數據傳輸。一個(gè)中斷信號為喚醒中斷，另一個(gè)為IRQ中斷。IRQ的中斷信號在接收到數據或發(fā)射完數據后產(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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